CN115002632A - 具有tmd结构的mems设备 - Google Patents

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Abstract

公开了MEMS设备，该MEMS设备具有TMD结构。MEMS设备(10)包括：锚定到基板(14)的悬挂电极结构(12；13)，该MEMS设备(10)具有MEMS谐振模式；以及TMD(调谐质量阻尼)结构(16)，其中悬挂电极结构(12；13)的一部分被布置成形成具有TMD弹簧元件(16‑2)和TMD质量元件(16‑1)的TMD结构(16)，用于提供抵消MEMS谐振模式的TMD谐振模式。

Description

具有TMD结构的MEMS设备
技术领域
本公开的实施例涉及具有TMD(调谐质量阻尼)结构的MEMS设备(MEMS＝微机电系统)。更具体地，实施例涉及使用调谐质量阻尼器(TMD)用于谐振模式控制的MEMS麦克风的领域。
背景技术
在移动设备、家庭自动化(如智能家居)和汽车领域中，利用基于MEMS的设备对环境大气中的环境参数(如声音、噪声、温度、气体等)进行感测越来越重要。
例如，由于传感器布置的非对称性，MEMS传感器在读出MEMS传感器信号时可能产生净外部振动或谐振。此外，在MEMS传感器的音频麦克风应用中，可以观察到不同的不希望的MEMS谐振模式，这可能是由于MEMS麦克风的不同元件和组件之间的机械相互作用造成的。这种不希望的谐振模式可能会影响MEMS传感器的操作特性。
因此，在MEMS传感器(例如MEMS麦克风)领域中，需要实现具有改进的操作特性(例如，改进的噪声性能和改进的谐振性能)的MEMS传感器。
这样的需要可以通过根据独立权利要求1的MEMS设备来解决。此外，在从属权利要求中定义了MEMS设备的具体实现。
发明内容
根据实施例，MEMS设备包括：锚定到基板的悬挂电极结构，所述MEMS设备具有MEMS谐振模式；以及TMD(调谐质量阻尼)结构，其中所述悬挂电极结构的(一体)部分布置成形成具有TMD弹簧元件和TMD质量元件的TMD结构，用于提供抵消所述MEMS谐振模式的TMD谐振模式。
通过用MEMS设备的悬挂电极结构实现TMD结构(TMD＝调谐质量阻尼)
根据MEMS设备的本发明的概念，可以通过使用MEMS设备的悬挂电极结构实现TMD结构(TMD＝调谐质量阻尼)来降低MEMS设备的不希望的MEMS谐振模式，其中悬挂电极结构本身的一部分被布置成至少部分地或完全地形成TMD结构的TMD弹簧元件和TMD质量元件。因此，TMD结构是悬挂电极结构的一体部分。TMD弹簧元件的弹性(柔度)和TMD质量元件的质量可以设定为TMD结构的TMD谐振模式抵消MEMS谐振模式。
在MEMS设备被实现为音频MEMS麦克风的情况下，所述MEMS设备包括第一悬挂电极和第二悬挂电极，第一悬挂电极和第二悬挂电极彼此间隔开并且至少部分地彼此相对，并且第一悬挂电极和第二悬挂电极都锚定到基板上。第一电极是可偏转的膜元件，第二电极是静态对电极(定子或背板)，其中TMD结构是可移动膜元件和/或静态对电极的一体部分。
附图说明
下面，参照附图更详细地描述本公开的实施例，其中：
图1a示出响应于作为频率函数的声输入信号或声激励的膜结构和MEMS设备(例如MEMS麦克风)的定子的位移(偏转)过程的示例性说明；
图1b示出响应于作为频率函数的声输入信号的MEMS设备的输出电压的过程的示例性说明；
图2a示出了根据实施例的具有TMD结构的MEMS设备的示意性截面图。
图2b示出了根据实施例的具有一体形成的TMD结构的MEMS设备的所得到的弹簧-质量-阻尼器系统的示意图；
图3示出了根据实施例的具有TMD结构的封装MEMS麦克风的示意性横截面图；
图4示出了根据实施例的具有作为定子的一部分的TMD结构的MEMS麦克风的所得到的质量-弹簧-阻尼器系统的示意图；
图5a示出了根据实施例的具有TMD结构的MEMS设备的定子的示意平面图(顶视图)；
图5b示出了根据实施例的MEMS设备的定子中的TMD结构的放大平面图；
图6a至图6b示出了根据实施例的MEMS设备的定子中的TMD结构的振荡的示意图；
图7示出了根据实施例的具有作为膜元件的一部分的TMD结构的MEMS麦克风的所得到的弹簧-质量-阻尼器系统的示意图；
图8a至图8c示出了根据实施例的作为MEMS设备的膜的一部分的TMD结构的不同实施方式的示意性横截面图，和
图9a示出了根据实施例的具有TMD结构16的MEMS设备10的相关元件的典型尺寸；以及
图9b示出了根据实施例的MEMS设备的定子中的TMD结构的振荡的示意图。
在下面的描述中，使用附图进一步详细地讨论实施例，其中在附图和说明书中，具有相同功能和/或相同技术或物理效果的相同元件和元件被提供相同的参考号或用相同的名称标识。因此，在不同实施例中所示的这些元件及其功能的描述是可相互交换的，或者可以在不同实施例中相互应用。
具体实施方式
在下面的描述中，详细地讨论了实施例，然而，应该理解，实施例提供了许多可体现在多种半导体设备中的可应用概念。所讨论的特定实施例仅仅是对形成和使用本概念的特定方式的说明，并且不限制实施例的范围。在下面的实施例描述中，具有相同功能的相同或类似元件与相同的参考符号或相同的名称相关联，并且对于每个实施例将不重复对这些元件的描述。此外，下文中描述的不同实施例的特征可以相互组合，除非另有特别说明。
应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接”连接到另一个元件，“连接”或“耦合”时，没有中间元件。用于描述元件之间关系的其他术语应以类似方式解释(例如，“之间”与“直接之间”、“相邻”与“直接相邻”、“上”与“直接上”等)。
为了便于描述不同的实施例，一些图包括笛卡尔坐标系x，y，z，其中x-y平面对应于，即平行于基板的第一主表面区域(＝参考平面＝x-y平面)，其中相对于参考平面(x-y平面)垂直向上的方向对应于“+z”方向，并且其中相对于参考平面(x-y平面)垂直向下的方向对应于“-z”方向。在下面的描述中，术语“横向”表示平行于x和/或y方向的方向，即平行于x-y平面，其中术语“垂直”表示平行于z方向的方向。
本说明书的教导基于MEMS传感器(例如音频MEMS麦克风)的频率行为和谐振模式及其对MEMS麦克风的操作特性的结果影响的以下一般考虑。
图1a示出响应于作为频率的函数的声输入信号或声激励的MEMS设备(例如音频MEMS麦克风)的膜结构和定子的位移(偏转)过程的示例性说明。图1b示出响应于作为频率的函数的声输入信号(声激励)的MEMS设备的输出电压的过程的示例性图示。
如图1a中示例性示出的，MEMS麦克风是动态系统，由于系统的许多不同组件的相互作用，该系统具有各种谐振(MEMS谐振模式)。该组件可包括例如膜结构、定子(对电极(counter-electrode，逆电极)或背板)、MEMS麦克风的声音端口和后容积(back volume)。图1a示出响应于作为频率的函数的声学输入信号(例如声音或噪声)的MEMS麦克风的膜和定子的位移。从图1a可以看出，MEMS麦克风基本上存在三种不同的不希望的MEMS谐振。
在具有最低频率的主谐振处，声音端口空气质量(air mass)与膜质量(membranemass)同相运动。恢复力是由膜和后容积柔度产生的。更具体地，声音口内的空气的质量和膜形成谐振器，弹簧恢复力作用在膜上。这种谐振模式通常是系统其他谐振模式中频率最低的。从系统设计的角度来看，希望避免与声带中的该谐振相关联的振幅峰值，其中这引入了系统噪声电平和可接受的频率响应峰值行为之间的折衷。
为了在MEMS传感器(MEMS麦克风)处提供主谐振控制，可以提供输入声音端口和/或声音端口处的声学网格的适当形状选择。为了降低主谐振的品质因数，有必要增加阻尼，这一次主要通过声音端口内的流(flow)中的粘性阻尼。然而，这增加了噪声和/或将主谐振的频率移动到声学频带中，其中这两种效果都是不希望的。
当膜质量和声音端口空气质量异相移动时，二次谐振以第二频率(高于主谐振的第一谐振频率)出现。恢复力由前腔、膜和后容积的顺应性提供。
第三谐振(定子谐振)模式是由定子质量和柔度引起的。阻尼是由定子和膜之间的粘性阻尼提供的。
减小或控制定子振荡(＝第三谐振模式)的一种方法可以是增加粘性(空气)阻尼，特别是在膜和定子之间。这降低了不想要的(第三)谐振的品质因数Q。然而，定子和膜之间的空气阻尼是麦克风噪声的主要贡献者。所谓的密封双膜(SDM)麦克风可以通过降低腔压(在双膜和定子之间)来降低气垫的粘度来降低这种噪声。在密封双膜(SDM)传声器中，高定子品质因数(～120)是实现低噪声的必要条件。必须在噪声和谐振性能之间作出折衷。
图2a示出了根据实施例的MEMS设备10的示意性截面图。图2b示出了根据实施例的MEMS设备10的所得到的弹簧-质量-阻尼器系统的示意图，其中TMD结构16作为悬挂电极12/13的(一体)部分。
根据该实施例，MEMS设备10包括锚定到基板14的悬挂电极结构12/13。MEMS设备10在谐振频率处具有MEMS谐振模式，例如不希望的MEMS谐振模式。
关于这一点，再次参考图1a至图1b，其示例性地示出了以音频MEMS麦克风形式的MEMS设备10的不同谐振模式的示例。MEMS设备10还包括TMD结构16(TMD＝调谐质量阻尼)，其中悬挂电极结构12的部分12-1被布置成形成例如一体形式的TMD结构16，该TMD结构16具有TMD质量元件16-1和TMD弹簧元件16-2，用于在TMD谐振频率上提供TMD谐振模式，抵消MEMS谐振模式。悬挂电极结构12的一体部分12-1布置成至少部分或完全形成TMD结构16的TMD质量元件16-1和TMD弹簧元件16-2。TMD弹簧元件16-2的柔性(刚度)和TMD质量元件16-1的质量可以设定为TMD结构16的所得TMD谐振模式抵消MEMS谐振模式。可以将TMD结构16的TMD谐振模式的谐振频率设置为或接近MEMS谐振模式的谐振频率。
如图2b中示例性示出的，悬挂电极结构12可以形成第一质量-弹簧系统，其中悬挂电极结构12的质量(可移动质量)形成电极质量12-1，悬挂电极结构12的刚度形成电极弹簧12-2，具有TMD结构16的第二质量-弹簧系统。TMD结构16包括位于悬挂电极结构12的电极质量12-1和TMD质量元件16-1之间的TMD弹簧元件16-2。TMD谐振模式由TMD弹簧元件16-2的柔顺性(刚度或柔性)和TMD质量元件16-1的质量定义，其中，例如，粘性(空气)阻尼可以作用于TMD结构16的振动。
作为次级振荡器的TMD结构16的TMD质量元件16-2的质量可以在悬挂电极结构12的质量(主质量)的约0.1％至10％的范围内，即悬挂电极结构12的可移动部分的质量(主质量)的约0.1％至10％的范围内，其中TMD结构16的谐振频率应该接近悬挂电极结构12的谐振频率(＝主振荡器)。MEMS设备的这种布置降低了在相关谐振频率处不希望的MEMS谐振模式的峰值振荡幅度。
根据MEMS设备10的实施例，TMD弹簧元件16-2包括经调整的弹性模量(弹簧常数)和经调整的TMD质量16-1，用于调整TMD谐振模式的TMD谐振频率，该TMD谐振模式抵消(阻尼)具有MEMS谐振频率的MEMS谐振模式。根据一个实施例，TMD质量元件16-1可以包括附加质量元件16-1a，用于增加所得到的TMD质量并用于降低(适应)所得到的TMD谐振频率。附加质量元件可以包括绝缘材料(例如氧化物块)和/或导电材料。
根据MEMS设备10的实施例，其中TMD结构16是第一悬挂电极12的一体部分，其中第二悬挂电极的分离(＝与第二电极机械解耦)部分可以形成TMD结构16的附加质量元件。
根据一个实施例，MEMS设备10作为音频麦克风在单对电极(背板)配置、双对电极配置或密封双膜配置中操作。
图3示出了根据实施例的具有TMD结构的封装的MEMS麦克风的示意性截面图。
根据一个实施例，MEMS设备10包括锚定到基板14的悬挂电极结构12，MEMS设备具有(不希望的)MEMS谐振模式，以及TMD(调谐质量阻尼)结构16，其中悬挂电极结构12/13的部分12-1/13-1布置成(一体地)形成具有TMD弹簧元件16-2和TMD质量元件16-1的TMD结构16，用于提供抵消MEMS谐振模式的TMD谐振模式。
根据一个实施例，MEMS设备10包括第一悬挂电极12和第二悬挂电极13，它们彼此间隔开并且至少部分地彼此相对，并且它们都锚定到基板14。根据一个实施例，第一电极12和第二电极13作为声音换能器、电容传感器或音频麦克风操作。
根据一个实施例，TMD结构16可布置在第一悬挂电极12或第二悬挂电极13的中心部分。可选地或附加地，TMD结构16可布置在第一悬挂电极12或第二悬挂电极13的外围部分(横向偏移到中心部分)处。根据一个实施例，TMD结构16可邻近第一悬挂电极12或第二悬挂电极13中的通风孔布置。
根据MEMS设备10的实施例，例如，以音频MEMS麦克风的形式，第一电极12是可偏转(可移动)的膜元件，第二电极13是静态对电极(背板或定子)，并且其中TMD结构16是膜元件12的一体部分和/或TMD结构16是对电极13的一体部分。
根据MEMS设备10的另一实施例，例如，以音频MEMS麦克风的形式，第一电极12是静态对电极(背板或定子)，第二电极13是可偏转(可移动)的膜元件，并且其中TMD结构16是对电极12的一体部分和/或TMD结构16是膜元件13的一体部分。
此外，图3示出了封装(外壳)配置中的MEMS设备10和可选控制电路20(ASIC)的示意性横截面图。MEMS装置10可布置在具有内部容积V22的壳体22中，其中壳体22具有到MEMS装置10的内部容积V22的访问开口或声音端口24。MEMS设备10布置在壳体22中，例如邻近声音开口24。壳体22然后可以包括，例如，基板22-1和可选的盖元件22-2，其可以至少部分或完全导电。在示例性布置中，MEMS麦克风10可以将内部容积V22细分为前容积VF和后容积VB，其中前容积VF位于声音端口24和MEMS麦克风10之间的区域中，并且其中后容积VB位于壳体22的内部容积V22中MEMS麦克风10相对于其的相对侧上。
图4示出了根据实施例的MEMS麦克风10的调谐质量-弹簧-阻尼器系统的示意图，其中TMD结构16作为定子13的一体部分。
根据一个实施例，MEMS麦克风10包括作为音频麦克风操作的第一电极和第二电极，其中第一电极12是可偏转的膜元件，第二电极13是定子，例如静态对电极或背板。根据本实施例，TMD结构16是定子13(静态对电极)的一体部分。
当DC偏置电压(VMIC)存在于麦克风膜元件12和定子13之间(静电力)时，膜元件12和定子13之间的距离的变化引起AC输出电压SOUT。
如图4所示，可偏转(可移位)膜元件12可偏转地连接到基板14。膜元件12的可偏转部分形成膜质量元件12-1，其中膜元件12的柔性(刚度)形成膜弹簧元件12-2。定子13被锚定到基板14，其中定子13的质量形成定子质量元件13-1，定子刚度形成定子弹簧元件13-2。包括TMD质量元件16-1和TMD弹簧元件16-2的TMD结构16是定子13的一体部分。来自环境的声压变化引起膜元件12的偏转(位移)，其中在膜元件12和定子13之间以及膜元件12和TMD结构16之间存在粘性(空气)阻尼。如图4所示，这些粘性阻尼值可以是不同的，其中阻尼值可以选择为TMD阻尼高于定子的主阻尼。
如图1a至图1b所示，定子谐振有定子13的质量和柔顺性作为贡献者，其中阻尼由定子13和膜12之间的粘性阻尼提供。作为次级振荡器的TMD结构16的TMD质量元件16-1的质量可以在悬挂电极结构12的质量(主质量)12-1(即悬挂电极结构12的可移动部分)的约0.1％至10％的范围内。
图5a示出了根据实施例的具有TMD结构16的MEMS设备10的定子13的示意平面图(顶视图)。图5b示出了根据实施例的MEMS设备10的定子13中的TMD结构16的放大平面图。
如图5a所示，MEMS设备10的定子13的示例性实现，其中所指示的矩形16'示出了TMD结构16在定子13中的可能位置。定子13形成为机械地锚定(耦合)到基板14的悬挂电极结构。
定子13可以包括穿孔13-1，穿孔13-1具有穿过定子材料的多个贯穿孔或开口13-2，其中贯穿孔13-2可以基本上均匀地分布在定子13的独立部分上，以允许声压变化传递(例如，到膜-未示出)。定子13还可以包括用于静压均衡(在定子电极13的相对侧之间)的所谓通风孔13-3，例如在定子13的中心区域中。在密封双膜(SDM)配置中(例如参见图8c和相关联的文本通道)，定子13的通风孔13-3均衡膜12、12a的任一侧上的压力。通风孔13-3被实现为在膜12、12a之间的一个小的“管段”。定子中的孔13-3用于绕过这个“管段”并提供间隙。
通风孔13-3例如可以具有圆形、矩形等横截面。通风孔13-3的直径大于贯穿孔13-2的直径。定子还可以包括用于电接触定子电极13的接触装置13-4。定子13还可以包括分段(分段线)13-5，用于将定子13分段成电绝缘的定子电极部分(例如，用于抑制寄生电容)。
图5b示出了根据实施例的MEMS设备10的定子16中的TMD结构16的放大平面图。如图5b所示，TMD结构16在定子13的中心形成为两个侧向相对的襟翼(flap，翼或鳍)，该襟翼与定子13弹性耦合，其中襟翼16由定子13的电极材料的一体部分形成。
如图5b所示，定子(对电极)13包括具有多个贯穿孔13-2的穿孔13-1，其中TMD结构16中的贯穿孔13-2'的至少一部分或全部，即穿过定子电极13中的襟翼16，与定子电极13的剩余部分(襟翼16外)相比，包括减小的孔径和减小的穿孔密度中的至少一个。这两种布置，即，与定子电极13的剩余部分相比，贯穿孔13-2的减小的孔径或贯穿孔13-2的更少数量(贯穿孔的密度更低)，或两者的组合，提供了定子电极13中TMD结构16的增加的粘性阻尼。
如图5b中示例性所示，通风孔13-3可以包括10至50μm或20至50μm之间的直径，其中贯穿孔13-2可以包括3至8μm的平均直径，并且其中襟翼16中的较小贯穿孔(＝减小的直径)13-2'可以包括1至3μm和约1.9μm之间的直径。MEMS设备的通风孔13-3和较小的贯穿孔13-2、13-2'的实现尺寸可以在指示尺寸的+/-50％或+/-30％的范围内。在图5b中，在通风孔13-3的区域中显示了标尺(10μm)用于刻度。
根据一个实施例，定子13中的TMD结构(襟翼)16的TMD弹簧元件16-1可包括经调整的弹性模量(挠性或弹簧常数)和经调整的TMD质量16-1，用于调整TMD谐振模式的TMD谐振频率，TMD谐振模式抵消具有MEMS谐振频率的MEMS谐振模。因此，TMD结构16的TMD谐振模式的谐振频率可以被设置为或接近MEMS谐振模式的谐振频率。
根据一个实施例，TMD质量元件16-1可包括附加质量元件16-1a，用于增加所得到的TMD质量并用于降低(或调整)所得到的TMD谐振频率。附加质量元件可以具有绝缘材料，例如氧化物块，或者机械耦合到TMD结构16的TMD质量元件16-1的导电材料。
如图5b所示，通过借助定子13中的不同穿孔密度为调谐质量阻尼器16引入不同的阻尼，可以改善MEMS传感器10的操作特性。与定子的其余部分相比，TMD区域16的阻尼可以不同(就每速度的压力而言)，这改善了TMD结构16的性能，而对整个系统的噪声性能的影响非常小。
图6a至图6b示例性地示出了根据实施例的MEMS设备10的定子13中的TMD结构(襟翼)16的振荡的示意图。图6a示出例如TMD结构(襟翼)16的最大(或几乎最大)偏转，其中图6b示出处于过零位置或静止状态的TMD结构16。
图7示出了根据实施例的具有作为膜12的一部分的TMD结构16的MEMS麦克风10的所得到的弹簧-质量-阻尼器系统的示意图。根据实施例，MEMS麦克风10包括作为音频MEMS麦克风操作的第一电极和第二电极，其中第一电极12是可偏转膜元件，第二电极13是定子。根据本实施例，TMD结构16是膜元件12的一体部分。
如图7所示，可偏转(可移位)膜元件12锚定到基板14。膜元件12的可偏转部分形成膜质量元件12-1，其中膜元件12的柔性(刚度)形成膜弹簧元件12-2。定子锚定(机械耦合)到基板14，其中定子13的质量形成定子质量元件13-1，定子刚度形成定子弹簧元件13-2。包括TMD质量元件16-1和TMD弹簧元件16-2的TMD结构16是膜元件12的一体部分。
来自环境的声压或压力变化导致膜元件12的偏转，其中在膜元件12和定子13之间以及在膜元件12和TMD结构16之间可以存在粘性(空气)阻尼，如图7中示例性示出的，和/或在定子13和TMD结构16之间也可以存在粘性(空气)阻尼。
如已经关于图1a至图1b所示的，在主谐振处，声音端口质量与膜质量12-1同相移动。恢复力由膜12和后容积顺应性产生。
图8a至图8c示出了根据进一步实施例的作为MEMS设备10的膜12的(一体)部分的TMD结构16的不同实施方式的示意性横截面图。MEMS设备10可以在不同的配置中作为音频麦克风操作，例如，单膜和单背板(单定子)配置、双背板(双定子)配置和(例如密封的)双膜配置。
图8a示出了单膜和单背板配置的MEMS设备10的示意性横截面图。如图8a所示，MEMS声音换能器10具有膜元件12和对电极(＝定子)13。所述膜元件和所述对电极分别可包括半导电层或具有多个不同层的层序列或层堆叠，其中所述层中的至少一个是导电的。层布置可以定位在载体基板14上，其中膜元件12和对电极13彼此分离和间隔开。通常被配置为比可偏转的膜元件12更刚性的对电极13与膜元件间隔距离D，其结果是电容C0(＝MEMS电容＝MEMS麦克风10的电容)可以在对电极结构13和膜结构12之间形成，并且可以通过读出电路20来感测。膜结构12的非夹紧区域(相对于对电极结构13)被称为膜结构12的可偏转(＝可移位)或可移动(＝有源区域)。膜结构12相对于对电极结构13的偏转Δx随后可通过读出电路20作为电容变化ΔC被检测和读出，以便提供MEMS设备10的相应(模拟或AD转换的数字)输出信号Sout。膜结构12的偏转(通常)是由环境中的声学声压变化引起的。
根据MEMS设备10的实施例，TMD结构16是MEMS设备10的膜元件12的一体部分。TMD弹簧元件16-2包括经调整的弹性模量(弹簧常数)和经调整的TMD质量16-1，用于调整TMD谐振模式的TMD谐振频率，该TMD谐振模式抵消(＝阻尼)具有MEMS谐振频率的MEMS谐振模式。TMD结构16的运动(振荡)部分地耦合到但独立于膜结构12的运动。
如图8a所示，TMD质量元件16-1可包括附加质量元件16-1a，用于增加所得TMD质量16-1和用于降低(调整)所得TMD谐振频率。附加质量元件16-1a可以包括绝缘材料(例如氧化物块)和/或导电材料。TMD结构16是第一悬挂电极12的一体部分，其中第二悬挂电极13的分离部分13-1(＝与第二电极机械地解耦)可形成TMD结构16的另一附加质量元件16-1b。附加质量元件16-1可以机械地连接在另一附加质量元件16-1b和膜结构12的部分12-1之间，膜结构12是TMD结构16的一个一体部分。如图8a所示，调谐质量阻尼器质量16-1可包括附加质量元件16-1a和/或16-1b(附接到膜12)，用于降低TMD结构16的谐振频率，特别是对于主谐振。来自环境的声压或压力变化导致膜元件12的偏转，其中可以存在粘性(空气)阻尼，可以存在于定子13和TMD结构16之间。
图8b示出了处于双(或双)对电极配置(双背板或双定子配置)的MEMS设备10的示意性横截面图，其中MEMS设备10可以包括锚定到基板14的第一悬挂对电极结构13和锚定到基板14的另一(第二)对电极结构13a，使得锚定到基板14的膜结构12布置在第一对电极结构13和第二对电极结构13a之间。在双对电极配置的情况下，读出电路20可被配置为根据单端(共模)或差分读出配置来检测膜结构12相对于对电极结构13和/或相对于另一个(第二)对电极结构13a的偏转或位移Δx。膜结构12的偏转再次由环境中的声学声压变化引起。
同样在图8b的实施例中，TMD结构16是MEMS设备10的膜元件12的一体部分。TMD弹簧元件16-2包括经调整的弹性模量(弹簧常数)和经调整的TMD质量16-1，用于调整TMD谐振模式的TMD谐振频率，该TMD谐振模式抵消(＝阻尼)具有MEMS谐振频率的MEMS谐振模式。TMD结构16的运动(振荡)部分地耦合到但独立于膜结构12的运动。
如图8b所示，TMD质量元件16-1可包括至少一个(或两个)附加质量元件16-1a，用于增加所得到的TMD质量16-1并用于降低(调整)所得到的TMD谐振频率。附加质量元件16-1a可以包括绝缘材料(例如氧化物块)和/或导电材料。TMD结构16是第一悬挂电极12的一体部分，其中第二悬挂电极13的分离部分13-1(＝与第二电极13机械地解耦)可以形成TMD结构16的至少一个(或两个)另外的附加质量元件16-1b。附加质量元件16-1a可以分别机械地连接在另一附加质量元件16-1b和膜结构12的部分12-1之间，膜结构12是TMD结构16的一体部分。如图8b所示，连接到膜12的调谐质量阻尼器质量16-1可以包括附加质量元件16-1a和/或16-1b(连接到膜12)，用于降低TMD结构16的谐振频率，特别是对于主谐振。来自环境的声压或压力变化导致膜元件12的偏转，其中可以存在粘性(空气)阻尼，可以存在于定子13和TMD结构16之间。
图8c示出了在双(双)膜配置中的MEMS设备的示意性横截面图。MEMS设备10包括锚定到基板14的第三悬挂电极12a，其中第一电极结构12为第一膜元件，第二电极13为对电极，第三电极12a为音频麦克风的第二膜元件。反电极(定子)13设置在第一膜元件12和第二膜元件12a之间，其中机械耦合结构15(具有至少一个或多个机械连接元件)机械耦合在第一电极和第三电极(第一膜元件和第二膜元件)12、12a之间，并从第二电极(反电极)13机械地解耦。
在密封双膜(SDM)结构中，第一膜结构12和第二膜结构12a被布置成密封结构，并且腔15可以形成在第一膜结构12和第二膜结构12a之间，其中，例如当与环境大气相比时，对电极结构13被布置在腔(真空下的容积)15中。腔15可包括降低的大气压，例如，大气压约为或低于100托、50托、5托或1托的“真空”。在密封双膜(SDM)配置中，定子13的通风孔13-3均衡膜12、12a的任一侧上的压力。通风孔13-3被实现为在膜12、12a之间的一个小的“管段”。定子中的孔13-3用于绕过这个“管段”并提供间隙。
当第一膜结构12和第二(机械耦合的)膜结构12a相对于对电极结构13偏转时，该偏转或位移进而可以例如由读出电路20电容性地读出，以便提供依赖于相对于对电极结构13的偏转(间隙变化)的输出信号SOUT。膜结构12、12a的偏转是由环境中的声学声压变化引起的。
同样在图8c的实施例中，TMD结构16是MEMS设备10的膜元件12、12a的一体部分。TMD弹簧元件16-2包括经调整的弹性模量(弹簧常数)和经调整的TMD质量16-1，用于调整TMD谐振模式的TMD谐振频率，该TMD谐振模式抵消(＝阻尼)具有MEMS谐振频率的MEMS谐振模式。TMD结构16的运动(振荡)部分地耦合到但独立于膜结构12的运动。
如图8c所示，TMD质量元件16-1可包括至少一个(或2个)附加质量元件16-1a，用于增加所得到的TMD质量16-1并用于降低(调整)所得到的TMD谐振频率。附加质量元件16-1a可以包括绝缘材料(例如氧化物块)和/或导电材料。TMD结构16是第一悬挂膜元件12、12a的一体部分12-1，其中第二悬挂电极13的分离部分13-1(＝与第二电极13机械地解耦)可以形成TMD结构16的另一附加质量元件16-1b。另外的附加质量元件16-1b可以机械地连接在附加质量元件16-1a和膜元件12、12a的部分12-1之间，膜元件12、12a是TMD结构16的一体部分。如图8c所示，调谐质量阻尼器质量16-1附接到膜12，并可包括附加质量元件16-1a和/或16-1b，用于降低TMD结构16的谐振频率，特别是用于主谐振。定子的材料(例如，多晶硅)可用于形成TMD结构16的另一附加质量元件16-1b，以提供附加阻尼效果。来自环境的声压或压力变化导致膜元件12的偏转，其中在膜元件12和定子13之间以及在膜元件12和TMD结构16之间可以存在粘性(空气)阻尼(也参见图7)。
图9a示出具有TMD结构16的MEMS设备10的相关元件的典型尺寸。MEMS设备的实现尺寸可以在指示尺寸的+/-50％或+/-30％的范围内。D1大约是TMD结构16与相邻膜元件12、12a和对电极13之间的间隙，D1可以约为16μm或在12至20μm的范围内。D2大致是附加质量元件16-1b的横向延伸。D2可能约为108μm(＝D1+92μm)或范围为100至120μm。D3大致是附加质量元件16-1b与腔15之间的横向距离。D3可能约为286μm(＝D1+270μm)或范围在270至300μm之间。D4大致为膜元件12、12a和对电极13的半径。D4可能约为1275μm或在1200至1350μm之间。由TMD结构覆盖/用于TMD结构的面积约为总膜面积的5％，并且约为膜元件的有效(内部分段)面积的8％。
图9b示例性地示出了根据实施例的MEMS设备10的膜结构12、12a中的TMD结构16的振荡的示意图。图9b示出，例如，与过零位置或静止状态相比，TMD结构16的最大(或几乎最大)偏转。
下面，总结上述具有TMD结构的MEMS传感器10的一些技术效果，其中调谐质量阻尼器概念允许控制麦克风的两种谐振模式，即主谐振和/或定子谐振。
主谐振TMD；
对于主谐振调谐质量阻尼器(TMD结构)16，调谐质量阻尼器设计可以与客户系统的声音端口特性相匹配。
主模式实现降低了低噪声和声学频率响应平坦度之间所需的折衷。
可以保持MEMS设备10的声学响应平坦度，同时将SNR折衷保持到较低值(比当前解决方案所要求的)。
定子谐振(第三谐振)TMD：
定子谐振TMD降低了低噪声和高谐振性能之间所需的折衷，例如，对不需要的谐振的高抑制。
可以减少不需要的振荡和/或高的总谐波失真值。可选地，可以在保持高谐振性能的同时增加SNR(信噪比)。
描述了可单独使用或与本文中描述的特征和功能组合使用的附加实施例和方面。
根据一个实施例，所述MEMS设备包括锚定到基板的悬挂电极结构，所述MEMS设备具有(不希望的)MEMS谐振模式，以及TMD(调谐质量阻尼)结构，其中所述悬挂电极结构的一部分被布置成(一体地)形成具有TMD弹簧元件和TMD质量元件的TMD结构，用于提供抵消所述MEMS谐振模式的TMD谐振模式。
根据一个实施例，所述MEMS设备包括第一悬挂电极和第二悬挂电极，所述第一悬挂电极和所述第二悬挂电极彼此间隔开并且至少部分地彼此相对，并且所述第一悬挂电极和所述第二悬挂电极都锚定到所述基板上。
根据一个实施例，TMD结构布置在第一悬挂电极或第二悬挂电极的中心部分。
根据一个实施例，TMD结构邻近第一悬挂电极或第二悬挂电极中的通风孔布置。
根据一个实施例，第一电极和第二电极作为声音换能器操作。
根据一个实施例，第一电极和第二电极作为电容传感器操作。
根据一个实施例，第一电极和第二电极作为音频麦克风操作。
根据一个实施例，第一电极是(可偏转的)膜元件，第二电极是(静态的)对电极(背板)。
根据一个实施例，TMD结构是(可移动的)膜元件的一体部分。
根据一个实施例，TMD结构是(静态)对电极的一体部分。
根据一个实施例，对电极包括具有多个贯穿孔的穿孔，其中当与对电极的剩余部分相比时，TMD元件的对电极部分中的贯穿孔的至少一部分包括减小的孔直径和/或减小的孔密度。
根据一个实施例，TMD弹簧元件包括经调整的弹性模量(柔性或弹簧常数)和经调整的TMD质量，用于调整TMD谐振模式的TMD谐振频率，该TMD谐振模式抵消(阻尼)具有MEMS谐振频率的MEMS谐振模式。
根据一个实施例，TMD质量元件包括用于增加所得到的TMD质量和用于降低(适应)所得到的TMD谐振频率的附加质量元件。
根据一个实施例，TMD结构是第一元件悬挂电极的一体部分，其中第二悬挂电极的分离(＝与第二电极机械解耦)部分形成TMD结构的附加质量元件。
根据一个实施例，MEMS设备作为音频麦克风在单个对电极(背板)配置、双对电极配置或密封双膜配置中操作。
根据一个实施例，所述MEMS设备布置成双(两)对电极配置，并且包括锚定到所述基板的第三悬挂电极，并且其中所述第一电极是音频麦克风的第一对电极，所述第二电极是音频麦克风的膜元件，并且所述第三电极是音频麦克风的第二对电极，其中所述膜元件布置在所述第一对电极和第二对电极之间。
根据一个实施例，其中MEMS设备布置成双(两)膜配置，并且包括锚定到基板的第三悬挂电极，并且其中第一电极是音频麦克风的第一膜元件，第二电极是音频麦克风的对电极，第三电极是音频麦克风的第二膜元件，其中对电极布置在第一膜元件和第二膜元件之间，并且其中机械耦合结构机械耦合在第一电极和第三电极(第一膜元件和第二膜元件)之间，并且机械地从第二电极(对电极)解耦。
描述了可单独使用或与本文中描述的特征和功能组合使用的附加实施例和方面。
尽管已经将一些方面描述为装置的上下文中的特征，但显然，这种描述也可以被视为方法的对应特征的描述。尽管已经在方法的上下文中将一些方面描述为特征，但显然，这种描述也可以被视为关于设备的功能的相应特征的描述。
根据某些实现要求，控制电路的实施例可以用硬件或软件来实现，或者至少部分地用硬件或至少部分地用软件来实现。通常，控制电路的实施例可以被实现为具有程序代码的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，该程序代码用于执行所述方法之一。程序代码例如可以存储在机器可读载体上。
在前面的详细描述中，可以看到，为了简化本公开的目的，在示例中将各种特征分组在一起。本公开方法不应被解释为反映所要求保护的示例需要比在每个权利要求中明确叙述的更多特征的意图。相反，如所附权利要求所反映的，主题可在于少于单个公开的示例的所有特征。因此，在此将所附权利要求合并到详细描述中，其中每个权利要求可以单独作为单独的示例。虽然每个权利要求可以单独作为一个单独的示例，但应当注意，尽管从属权利要求在权利要求中可以指与一个或多个其他权利要求的特定组合，但其他示例也可以包括从属权利要求与每个其他从属权利要求的主题的组合或每个特征与其他从属或独立权利要求的组合。在此提出这样的组合，除非声明不打算进行特定的组合。此外，它还旨在包括任何其他独立权利要求的权利要求的特征，即使该权利要求并不直接依赖于独立权利要求。
尽管本文中已经说明和描述了特定实施例，但本领域的普通技术人员将理解，在不脱离本实施例的范围的情况下，可以用各种替代和/或等效的实现来替代所示和描述的特定实施例。本申请旨在覆盖本文讨论的特定实施例的任何适应或变化。因此，旨在仅由权利要求及其等同物来限制实施例。

Claims (17)

1.MEMS设备(10)，包括：
悬挂电极结构(12；13)，被锚定到基板(14)，所述MEMS设备(10)具有MEMS谐振模式，以及
TMD(调谐质量阻尼)结构(16)，其中所述悬挂电极结构(12；13)的部分被布置成形成所述TMD结构(16)，所述TMD结构具有TMD弹簧元件(16-2)和TMD质量元件(16-1)，所述TMD结构用于提供TMD谐振模式，所述TMD谐振模式抵消所述MEMS谐振模式。
2.根据权利要求1所述的MEMS设备(10)，其中所述MEMS设备(10)包括第一悬挂电极(12)和第二悬挂电极(13)，所述第一悬挂电极(12)和所述第二悬挂电极(13)彼此间隔开，并且至少部分地彼此相对，并且所述第一悬挂电极(12)和所述第二悬挂电极(13)都被锚定到所述基板(14)。
3.根据权利要求2所述的MEMS设备(10)，其中所述TMD结构(16)被布置在所述第一悬挂电极(12)或所述第二悬挂电极(13)的中心部分。
4.根据权利要求2或3所述的MEMS设备(10)，其中所述TMD结构(16)被布置为邻近所述第一悬挂电极(12)或所述第二悬挂电极(13)中的通风孔(13-3)。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的MEMS设备(10)，其中所述第一电极(12)和所述第二电极(13)作为声音换能器操作。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的MEMS设备(10)，其中所述第一电极(12)和所述第二电极(13)作为电容传感器操作。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的MEMS设备(10)，其中所述第一电极(12)和所述第二电极(13)作为音频麦克风操作。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的MEMS设备(10)，其中所述第一电极(12)是膜元件，并且所述第二电极(13)是对电极。
9.根据权利要求8所述的MEMS设备(10)，其中所述TMD结构(16)是所述膜元件(12)的一体部分。
10.根据权利要求8或9所述的MEMS设备(10)，其中所述TMD结构(16)是所述对电极(13)的一体部分。
11.根据权利要求10所述的MEMS设备(10)，其中所述对电极(13)包括穿孔(13-1)，所述穿孔具有多个贯穿孔(13-2)，其中与所述对电极(13)的剩余部分相比，所述TMD元件(16)的所述对电极部分中的所述贯穿孔(13-2)的至少一部分包括减小的孔径和/或减小的孔密度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS设备(10)，其中所述TMD弹簧元件包括经调整的弹性模量和经调整的TMD质量，用于调整所述TMD谐振模式的TMD谐振频率，所述TMD谐振模式抵消具有MEMS谐振频率的所述MEMS谐振模式。
13.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS设备(10)，其中所述TMD质量元件(16-1)包括附加质量元件(16-1a)，用于增加所得到的TMD质量，并且降低所得到的TMD谐振频率。
14.根据权利要求2至13中任一项所述的MEMS设备(10)，其中所述TMD结构(16)是所述第一悬挂电极结构(12)的一体部分，其中所述第二悬挂电极结构(13)的分离部分形成所述TMD结构(16)的附加质量元件(16-1a)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS设备(10)，其中所述MEMS设备(10)在单对电极配置、双对电极配置或密封双膜配置中作为音频麦克风操作。
16.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS设备(10)，其中所述MEMS设备(10)被布置成双对电极配置，并且包括第三悬挂电极(13a)，所述第三悬挂电极被锚定到所述基板(14)，并且其中所述第一电极结构(13)是第一对电极，所述第二电极(12)是膜元件，并且所述第三电极(13a)是所述音频麦克风的第二对电极，并且其中所述膜元件(12)被布置在所述第一对电极(13)和所述第二对电极(13a)之间。
17.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS设备(10)，其中所述MEMS设备(10)被布置成双膜配置，并且包括第三悬挂电极(12a)，所述第三悬挂电极被锚定到所述基板(14)，并且其中所述第一电极结构(12)是第一膜元件，所述第二电极(13)是对电极，并且所述第三电极(12a)是所述音频麦克风的第二膜元件，其中所述对电极(13)被布置在所述第一膜元件(12)和所述第二膜元件(12a)之间，并且其中机械耦合结构(12-1)被机械耦合在所述第一电极(12)和所述第三电极(12a)之间，并且被从所述第二电极(13)机械解耦。
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