CN115119120A - Mems管芯和基于mems的传感器 - Google Patents

Mems管芯和基于mems的传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种MEMS管芯和基于MEMS的传感器。微机电系统MEMS管芯包括：活塞；面向该活塞的电极，其中，所述活塞与所述电极之间的电容随着所述活塞与所述电极之间的距离改变而改变；以及设置在所述活塞与所述电极之间的弹性结构(例如，垫圈或褶皱壁)，其中，所述弹性结构支撑所述活塞并抵挡所述活塞相对于所述电极的移动。后腔容积由活塞和弹性结构界定，并且弹性结构阻止空气离开后腔容积。活塞可以是由诸如金属或掺杂半导体之类的导电材料制成的刚性体。MEMS管芯还可以包括第二弹性结构，该第二弹性结构为活塞提供进一步的支撑并设置在后腔容积内。

Description

MEMS管芯和基于MEMS的传感器
技术领域
本公开涉及微机电系统(MEMS)管芯和基于MEMS的传感器。
背景技术
包括微机电系统(MEMS)管芯的麦克风组件将声能转换成电信号。麦克风组件可以用在移动通信设备、膝上型计算机和电器以及其它设备和机器中。麦克风组件的重要参数是声学信噪比(SNR)，SNR将期望的信号电平(例如，由于由麦克风组件捕获的声学干扰而引起的信号幅度)与背景噪声电平进行比较。在包括MEMS声学管芯的麦克风组件中，SNR通常限制可以实现的最小尺寸和麦克风组件的总封装尺寸。
发明内容
本发明的一方面涉及一种微机电系统MEMS管芯。
条款1.一种微机电系统MEMS管芯，所述MEMS管芯包括：
活塞；
电极，所述电极面向所述活塞，其中，所述活塞与所述电极之间的电容随着所述活塞与所述电极之间的距离改变而改变；以及
弹性结构，所述弹性结构设置在所述活塞与所述电极之间，其中，所述弹性结构支撑所述活塞，所述弹性结构抵挡所述活塞相对于所述电极的移动，其中，由所述活塞和所述弹性结构界定后腔容积，并且所述弹性结构阻止空气离开所述后腔容积。
条款2.根据条款1所述的MEMS管芯，其中，所述后腔容积被所述活塞、所述弹性结构和所述电极包围。
条款3.根据条款1所述的MEMS管芯，其中，所述活塞是由导电材料制成的刚性体。
条款4.根据条款3所述的MEMS管芯，其中，所述导电材料是金属。
条款5.根据条款3所述的MEMS管芯，其中，所述导电材料是掺杂半导体。
条款6.根据条款1所述的MEMS管芯，所述MEMS管芯还包括设置在所述后腔容积内的第二弹性结构，其中，所述第二弹性结构支撑所述活塞。
条款7.根据条款1所述的MEMS管芯，其中，所述活塞包括不同导电材料的层。
条款8.根据条款1所述的MEMS管芯，所述MEMS管芯还包括基板，其中，所述基板支撑所述弹性结构和所述电极。
条款9.根据条款8所述的MEMS管芯，其中，所述基板包括多个支柱，并且所述电极分布在所述多个支柱之间。
条款10.根据条款8所述的MEMS管芯，其中，所述基板包括电绝缘层，并且所述电极嵌入在所述电绝缘层中。
条款11.根据条款8所述的MEMS管芯，其中，
所述基板具有多个通道，并且
所述通道的尺寸使得所述通道内的任何点距最近表面的距离小于热边界层厚度。
条款12.根据条款11所述的MEMS管芯，
其中，所述热边界层厚度由以下表达式定义，
Figure BDA0003551505760000021
其中，κ是所述后腔容积内的气体的热导率，ρ0是所述气体的密度，Cp是所述气体在恒定压力下的比热，并且ω是角频率。
条款13.根据条款11所述的MEMS管芯，其中，
所述基板包括多个支柱，
所述支柱之间的空间构成所述通道。
条款14.根据条款11所述的MEMS管芯，其中，所述通道形成为环。
条款15.根据条款11所述的MEMS管芯，其中，由所述活塞、所述弹性结构和所述基板包围所述后腔容积。
条款16.根据条款1所述的MEMS管芯，其中，
所述活塞具有多个通道，并且
所述通道的尺寸使得所述通道内的任何点距最近表面的距离小于热边界层厚度。
条款17.根据条款16所述的MEMS管芯，其中，
所述活塞包括多个支柱，
所述支柱之间的空间构成所述通道。
条款18.根据条款16所述的MEMS管芯，其中，所述通道形成为环。
条款19.根据条款1所述的MEMS管芯，其中，所述弹性结构是垫圈。
条款20.根据条款1所述的MEMS管芯，其中，所述弹性结构是褶皱壁。
条款21.根据条款1所述的MEMS管芯，所述MEMS管芯还包括：
多个支撑壁；以及
多个外部导体，其中，所述多个外部导体中的每个外部导体在一端附接到所述活塞并且在另一端处附接到所述多个支撑壁中的支撑壁。
条款22.根据条款1所述的MEMS管芯，其中，所述MEMS管芯具有通气孔，所述通气孔被配置成允许在低于音频带的频率下在所述后腔容积与所述MEMS管芯外部的区域之间的压力均衡。
本发明的一方面涉及一种传感器。
条款23.一种传感器，所述传感器包括：
微机电系统MEMS管芯，所述MEMS管芯包括：
活塞；
电极，所述电极面向所述活塞，其中，在所述活塞与所述电极之间存在电容；以及
弹性结构，所述弹性结构设置在所述活塞与所述电极之间，
其中：
由所述活塞和所述弹性结构界定后腔容积，
所述弹性结构支撑所述活塞并且阻止空气离开所述后腔容积，并且
在所述传感器的工作期间，所述MEMS管芯输出基于由于所述活塞与所述电极之间的距离改变而引起的电容改变的信号。
条款24.根据条款23所述的传感器，其中，所述后腔容积被所述活塞、所述弹性结构和所述电极包围。
条款25.根据条款23所述的传感器，所述传感器还包括偏置电压源，其中，所述活塞电连接到所述偏置电压源，并且所述电极输出所述信号。
条款26.根据条款23所述的传感器，所述传感器还包括偏置电压源，其中，所述电极电连接到所述偏置电压源，并且所述活塞输出所述信号。
条款27.根据条款23所述的传感器，其中，所述电极是第一电极，所述传感器还包括：
偏置电压源；以及
第二电极，所述第二电极面向所述活塞，其中，所述第一电极电连接到所述偏置电压源，并且所述第二电极输出所述信号。
条款28.根据条款23所述的传感器，所述传感器还包括：
偏置电压源；以及
外部导体，所述外部导体电连接到所述活塞和所述偏置电压源。
条款29.根据条款23所述的传感器，所述传感器还包括：
集成电路；以及
外部导体，所述外部导体电连接到所述活塞和所述集成电路。
条款30.根据条款23所述的传感器，所述传感器还包括：
基座；
罩，所述罩附接到所述基座，所述罩具有端口，其中，
所述MEMS管芯被布置在所述罩内，并且
声音进入所述罩并使所述活塞在所述传感器的工作期间移动。
条款31.根据条款23所述的传感器，其中，所述MEMS管芯具有通气孔，所述通气孔被配置成允许在低于音频带的频率下在所述后腔容积与所述MEMS管芯外部的区域之间的压力均衡。
条款32.根据条款23所述的传感器，其中，所述MEMS管芯包括设置在所述后腔容积内的第二弹性结构，其中，所述第二弹性结构支撑所述活塞。
本发明的另一方面涉及一种微机电系统MEMS管芯。
条款33.一种微机电系统MEMS管芯，所述MEMS管芯包括：
壳体；
振膜，所述振膜跨所述壳体的开口设置，所述振膜包括第一电极，
其中，所述壳体和所述振膜限定后腔容积，并且所述后腔容积内的每个点距最近表面的距离小于热边界层厚度；以及
第二电极，所述第二电极设置在所述后腔容积外部并且面向所述振膜。
条款34.根据条款33所述的MEMS管芯，
其中，所述热边界层厚度由以下表达式定义，
Figure BDA0003551505760000051
其中，κ是所述后腔容积内的气体的热导率，ρ0是所述气体的密度，Cp是所述气体在恒定压力下的比热，并且ω是角频率。
条款35.根据条款33所述的MEMS管芯，所述MEMS管芯还包括背板，其中，所述第二电极设置在所述背板上。
条款36.根据条款34所述的MEMS管芯，所述MEMS管芯还包括设置在所述振膜与所述开口之间的第二背板。
条款37.根据条款33所述的MEMS管芯，所述MEMS管芯还包括面向所述第二电极的第二振膜，所述第二振膜包括第三电极，其中，所述第二电极设置在第一振膜与所述第二振膜之间。
条款38.根据条款37所述的MEMS管芯，所述MEMS管芯还包括多个支柱，所述多个支柱延伸穿过所述第二电极并将所述第一振膜连接到所述第二振膜。
条款39.根据条款37所述的MEMS管芯，其中，所述第一振膜和所述第二振膜限定密封区域，所述密封区域中的压力低于大气压力。
条款40.根据条款33所述的MEMS管芯，其中，
所述壳体包括多个支柱，
在所述支柱之间限定多个通道。
条款41.根据条款33所述的MEMS管芯，其中，环形通道形成到所述壳体中。
本发明的另一方面涉及一种传感器。
条款42.一种传感器，所述传感器包括：
微机电系统MEMS管芯，所述MEMS管芯包括：
壳体；
振膜，所述振膜跨所述壳体的开口设置，所述振膜包括第一电极，其中，所述壳体与所述振膜包围后腔容积；
第二电极，所述第二电极设置在所述后腔容积外部并且面向所述振膜；
其中：
后腔容积内的每个点距最近表面的距离小于热边界层厚度，并且
在传感器的工作期间，所述MEMS管芯输出基于所述第一电极与所述第二电极之间的电容的信号，所述第一电极与所述第二电极之间的电容由于所述第一电极与所述第二电极之间的距离的改变而改变。
条款43.根据条款42所述的传感器，所述传感器还包括面向所述第二电极的第二振膜，所述第二振膜包括第三电极，其中，
所述第二电极设置在第一振膜与所述第二振膜之间，
在工作期间，所述MEMS管芯输出基于所述第三电极与所述第二电极之间的电容的第二信号，所述第三电极与所述第二电极之间的电容由于所述第三电极与所述第二电极之间的距离的改变而改变。
条款44.根据条款43所述的传感器，所述传感器还包括多个支柱，所述多个支柱延伸穿过所述第二电极并将所述第一振膜连接到所述第二振膜。
条款45.根据条款43所述的传感器，其中，所述第一振膜和所述第二振膜限定密封区域，所述密封区域中的压力低于大气压力。
条款46.根据条款42所述的传感器，其中，
所述壳体包括多个支柱，
在所述支柱之间限定多个通道。
条款47.根据条款42所述的传感器，其中，环形通道被形成到所述壳体中。
条款48.根据条款42所述的传感器，所述传感器还包括：
基座，所述基座具有端口；
罩，所述罩附接到所述基座，其中，在所述罩内设置有MEMS管芯，并且其中，在传感器的工作期间声音通过所述端口进入并使所述振膜移动。
本发明的又一方面涉及一种微机电系统MEMS管芯。
条款49.一种微机电系统MEMS管芯，所述MEMS管芯包括：
壳体；
第一振膜，所述第一振膜跨所述壳体的开口设置，其中，所述壳体和所述第一振膜限定后腔容积，并且所述后腔容积内的每个点距最近表面的距离小于热边界层厚度；
第二振膜，所述第二振膜设置在所述后腔容积外部并且面向所述第一振膜；
固体介电质(dielectric)，所述固体介电质设置在所述第一振膜与所述第二振膜之间，所述固体介电质具有多个孔口；
第一电极，所述第一电极的第一端联接到所述第一振膜并且所述第一电极的第二端联接到所述第二振膜，所述第一电极延伸穿过所述多个孔口中的孔口；
第二电极，所述第二电极纵向定向并平行于所述第一电极，所述第二电极的第一端附接到所述第二振膜并且所述第二电极的第二端设置在所述多个孔口中的孔口内；以及
第三电极，所述第三电极纵向定向并平行于所述第一电极和所述第二电极，所述第三电极的第一端附接到所述第一振膜并且所述第三电极的的第二端设置在所述多个孔口中的孔口内。
条款50.根据条款49所述的MEMS管芯，其中，所述第二电极的第二端和所述第三电极的第二端设置在所述多个孔口中的相同孔口内。
条款51.根据条款49所述的MEMS管芯，其中，
所述第一电极是第一多个电极中的一个电极，所述第一多个电极中的每个电极的第一端联接到所述第一振膜，所述第一多个电极中的每个电极的第二端联接到所述第二振膜，并且所述第一电极延伸穿过所述多个孔口中的孔口，
所述第二电极是第二多个电极中的一个电极，所述第二多个电极中的每个电极的第一端附接到所述第二振膜，并且所述第二多个电极中的每个电极的第二端设置在所述多个孔口中的孔口内，并且
所述第三电极是第三多个电极中的一个电极，所述第三多个电极中的每个电极的第一端附接到第一振膜，并且所述第三多个电极中的每个电极的第二端设置在所述多个孔口中的孔口内。
附图说明
根据下面的说明书和所附权利要求并结合附图，本公开的前述和其它特征将变得更清楚。这些附图仅示出了根据本公开的几个实施方式，因此不应被视为对其范围的限制。
图1是根据一实施方式的MEMS麦克风的侧剖面图。
图2是根据一实施方式的图1的MEMS麦克风的信号集总元件模型。
图3是根据一实施方式的MEMS麦克风的侧剖面图，其示出了MEMS麦克风的后腔容积内的热边界层。
图4是根据一实施方式的图3的MEMS麦克风的信号集总元件模型。
图5是根据一实施方式的MEMS管芯的侧剖面图。
图6是图5的部分复制，示出了MEMS管芯的后腔容积附近的区域。
图7是根据一实施方式的具有压电元件的MEMS管芯的侧剖面图。
图8是根据另一实施方式的具有压电元件的MEMS管芯的侧剖面图。
图9是根据一实施方式的作为MEMS管芯的后腔容积的函数的声学噪声的曲线图。
图10是示出作为声音频率的函数的热边界层厚度的变化的曲线图。
图11是示出常规麦克风组件和根据本公开的实施方式配置的麦克风组件二者的作为MEMS管芯内的间隙高度的函数、作为频率的函数的声阻尼的曲线图。
图12是作为MEMS管芯内的间隙高度的函数的声学SNR的曲线图。
图13是作为MEMS管芯内的间隙高度的函数的声学SNR和灵敏度的曲线图。
图14是根据另一实施方式的MEMS管芯的侧剖面图。
图15是在MEMS管芯的不同振膜穿孔直径的范围内作为根据一实施方式配置的MEMS管芯内的间隙高度的函数的声学SNR的曲线图。
图16是根据另一实施方式的MEMS管芯的立体和剖面图。
图17是图16的MEMS管芯的侧剖面图。
图18是根据另一实施方式的MEMS管芯的立体和剖面图。
图19是根据另一实施方式的MEMS管芯的侧剖面图。
图20是根据一实施方式的整体形成在集成电路上的MEMS管芯的侧剖面图。
图21是根据一实施方式的麦克风组件的侧剖面图。
图22是根据另一实施方式的麦克风组件的侧剖面图。
图23是根据另一实施方式的麦克风组件的侧剖面图。
图24A是根据一实施方式的具有可移动活塞的MEMS管芯的侧剖面图。
图24B是作为图24A的MEMS管芯的变型的MEMS管芯的侧剖面图。
图24C是图24A的电极的可能实现方式的局部立体剖面图。
图24D是图24A的电极的另一可能实现方式的俯视图。
图25A是根据一实施方式的具有可移动活塞的MEMS管芯的侧剖面图。
图25B是图25A的MEMS管芯的可能实现方式的活塞、壁和外部导体的俯视图。
图25C是作为图25A的MEMS管芯的变型的MEMS管芯的侧剖面图。
图25D是作为图25A的MEMS管芯的另一变型的MEMS管芯的侧剖面图。
图25E是图25A的MEMS管芯的基板的可能实现方式的局部立体剖面图。
图25F是图25A的MEMS管芯的基板的另一可能实现方式的俯视剖面图。
图26A是根据一实施方式的具有可移动活塞的MEMS管芯的侧剖面图。
图26B是图26A的活塞的基板的可能实现方式的局部立体剖面图。
图26C是图26A的MEMS管芯的活塞的可能实现方式的仰视图。
图26D是作为图26A的MEMS管芯的变型的MEMS管芯的侧剖面图。
图26E是作为图26A的MEMS管芯的另一变型的MEMS管芯的侧剖面图。
图26F是根据另一实施方式的作为图26A的MEMS管芯的又一变型的MEMS管芯的侧剖面图。
图27是根据一实施方式的包括双振膜组件的MEMS管芯的侧剖面图。
图28A是根据另一实施方式的包括双振膜组件的MEMS管芯的侧剖面图。
图28B是根据一实施方式的包括单振膜组件但具有与图28A的MEMS管芯相同的壳体和基板的MEMS管芯的侧剖面图。
图28C是图28B的MEMS管芯的变型的侧剖面图。
图29是根据一实施方式的结合了图27的MEMS管芯的传感器。
图30是根据一实施方式的结合了图28A的MEMS管芯的传感器。
图31A和图31B示出了根据一实施方式的介电质电机MEMS设备的操作。
图32示出了根据另一实施方式的介电质电机MEMS设备的操作。
图33是根据一实施方式的双振膜固体介电质MEMS组件的立体图。
图34是根据一实施方式的具有图33的组件的MEMS设备的侧剖面图。
图35是根据一实施方式的具有图33的组件的另一MEMS设备的侧剖面图。
具体实施方式
本文描述了各种类型的微机电系统(MEMS)管芯和结合这种MEMS管芯的传感器。
根据一实施方式，MEMS管芯具有后腔容积，其中，后腔容积内的每个点距固体表面的距离不大于的一个热边界层的宽度。
在一实施方式中，MEMS管芯包括活塞；面向该活塞的电极，其中，所述活塞与所述电极之间的电容随着所述活塞与所述电极之间的距离改变而改变；以及设置在所述活塞与所述电极之间的弹性结构(例如，垫圈或褶皱壁)，其中，所述弹性结构支撑所述活塞并抵挡所述活塞相对于所述电极的移动。后腔容积由活塞和弹性结构界定，并且弹性结构阻止空气离开后腔容积。活塞可以是由诸如金属或掺杂半导体之类的导电材料制成的刚性体。MEMS管芯还可以包括第二弹性结构，该第二弹性结构为活塞提供进一步的支撑并设置在后腔容积内。在一些实施方式中，活塞包括不同导电材料的层(例如，电极，该电极与活塞的其余部分不同且由与活塞的其余部分不同的材料制成)。
根据一实施方式，MEMS管芯还包括支撑弹性结构和电极的基板。基板有许多可能的配置。示例包括：(a)基板具有支柱，电极分布在支柱之间，(b)基板包括嵌入有电极的电绝缘层，(c)基板具有多个通道(例如，基板中的支柱之间的空间或形成为环的多个通道)，并且通道的尺寸使得通道内的任何点距最近表面的距离小于热边界层厚度。
活塞也有许多可能的配置。示例包括：(a)活塞具有支柱，(b)活塞具有多个通道(例如，基板中的支柱之间的空间或形成为环的多个通道)，并且通道的尺寸使得通道内的任何点距最近表面的距离小于热边界层厚度。
在一实施方式中，MEMS管芯还具有支撑壁和外部导体，其中，每个导体在一端附接到活塞，并且在另一端附接到支撑壁。MEMS管芯还可以包括通气孔(例如，在活塞中或在弹性结构中)。通气孔被配置成允许在非声学频率下在后腔容积与MEMS管芯外部的区域(例如，容积)之间的压力均衡。
MEMS管芯可以是传感器(例如，声学传感器)的一部分，其中，MEMS管芯输出基于由活塞与电极之间的距离改变引起的活塞与电极之间的电容改变的信号。在各种实施方式中，该传感器包括和偏置电压源。在一些实施方式中，活塞电连接到偏置电压源(例如，经由外部导体)并且电极输出信号。在其它实施方式中，电极电连接到偏置电压源，并且活塞输出信号(例如，到集成电路)。在一些实施方式中，存在面向活塞的第二电极，并且第一电极电连接到偏置电压源，并且第二电极输出信号。传感器可以包括基座和附接到基座的罩，其中，MEMS管芯设置在罩内，并且声音进入罩并使活塞移动，从而使活塞与电极之间的距离改变。
根据一实施方式，传感器包括：MEMS管芯，所述MEMS管芯具有壳体；振膜，所述振膜设置在所述壳体的开口上，其中，所述振膜包括：第一电极，并且所述壳体和所述振膜包围后腔容积；第二电极，所述第二电极设置在所述后腔容积外部并且面向所述振膜。后腔容积内的每个点距最近表面的距离小于热边界层厚度。在传感器的工作期间，MEMS管芯输出基于第一电极与第二电极之间的电容的信号，该电容由于第一电极与第二电极之间的距离的改变而改变。在一些实施方式中，MEMS管芯还包括面向第二电极的第二振膜，其中，所述第二振膜具有第三电极，并且所述第二电极设置在第一振膜与第二振膜之间。在工作期间，MEMS管芯输出基于第三电极与第二电极之间的电容的第二信号，该电容由于第三电极与第二电极之间的距离的改变而改变。连接第一振膜和第二振膜的支柱可以延伸穿过第二电极。传感器还可以包括具有端口的基座和附接到基座的罩，其中，MEMS管芯设置在罩内，并且其中，在传感器的工作期间声音通过端口进入并使振膜移动。
在一些实施方式中，第一振膜和第二振膜限定压力低于大气压力的密封区域。
在各种实施方式中，壳体具有多个支柱，并且在支柱之间限定有多个通道。在其它实施方式中，环形通道形成在壳体中。
在一实施方式中，MEMS管芯包括：壳体；第一振膜，所述第一振膜设置在所述壳体的开口上，其中，所述壳体和所述第一振膜限定后腔容积并且所述后腔容积内的每个点距最近表面的距离小于热边界层厚度；第二振膜，所述第二振膜设置在所述后腔容积外部并且面向所述第一振膜；固体介电质，所述固体介电质设置在所述第一振膜与所述第二振膜之间，所述固体介电质具有孔口；第一电极，所述第一电极沿着轴线纵向定向并平行于所述轴线，所述第一电极的第一端联接到所述第一振膜并且所述第一电极的第二端联接到所述第二振膜，所述第一电极延伸穿过孔口；第二电极，所述第二电极沿着所述轴线纵向定向并且平行于所述轴线，所述第二电极的第一端附接到所述第二振膜并且所述第二电极的第二端设置在孔口内；以及第三电极，所述第三电极沿着所述轴线纵向定向并平行于所述轴线，所述第三电极的第一端具有附接到所述第一振膜并且所述第三电极的第二端设置在孔内。所述第二电极的第二端和所述第三电极的第二端可以设置在同一孔内。
根据一实施方式，(a)第一电极是电极的第一集合中的一者，该电极的第一集合中的每个电极的第一端联接到第一振膜并且每个电极的第二端联接到第二振膜，并且所述第一电极延伸穿过多个孔口中的孔口，(b)第二电极是电极的第二集合中的一者，该电极的第二集合中的每个电极的第一端附接到第二振膜并且每个电极的第二端设置在孔口内，以及(c)第三电极是电极的第三集合中的一者，该电极的第三集合中的每个电极的第一端附接到第一振膜并且每个电极的第二端设置在孔口内。
压力麦克风通常包括响应于任一侧上的压力差的振膜。转到图1，在全向麦克风10中，振膜12的一侧联接到外部环境14，并且振膜12的该侧上的压力是大气压力(Patm)和期望声学信号(Pac)的和。振膜12的另一侧上的压力由后腔容积16提供，该后腔容积16与外部环境14声学地隔离，但通过小的声学泄漏部15保持其中的大气压力。
图2示出了图1的全向麦克风10的小信号集总元件模型。振膜12和后腔容积16的顺应性(compliance)分别由电容器CD和CBV表示。声学泄漏部15的阻抗由RLeak表示。声学信号表示为AC信号源。振膜12上的压力PD使振膜12移动。注意，存在于振膜12两侧上的大气压力不是振膜运动的因素，并且没有被包括在该小信号模型中。还注意到，当与振膜的顺应性(CD)相比，后腔容积顺应性(CBV)较大时，大多数声压存在于振膜12上。如果与振膜的顺应性(CD)相比，后腔容积顺应性(CBV)较小，则非常少的声压存在于振膜12上。声学泄漏阻抗(RLeak)结合后腔容积顺应性(CBV)和振膜顺应性(CD)的并联组合来起作用以形成高通滤波器。因此，只有高于某一频率的声压信号将出现在振膜12上。
作为实际阻抗的声学泄漏部生成热噪声。该噪声表现为振膜12上的噪声压力。但是后腔容积顺应性(CBV)和振膜顺应性(CD)的并联组合将噪声限制到低频，使得当在音频频率范围上对噪声进行积分时(噪声是频带受限的，因此这相当于从零到无穷大的积分)，结果是公知的量kT/C，其中，k是玻尔兹曼常数，T是以开尔文为单位的绝对温度，并且C是两个顺应性(CD和CBV)的并联组合。因此，对于特定的低频截止，由声学泄漏部引起的噪声通常随着较小麦克风而增加。降低这个噪声的唯一选择是降低较小麦克风的截止频率。即使对于具有足够低截止频率的非常小的麦克风，传统的A加权降低也会低频泄漏噪声的重要性。
这是在一定尺寸以上的麦克风的传统观点。然而，对于小麦克风，另一因素变得重要。如Kuntzman等人(以下称为“Kuntzman”)在“Thermal Boundary Layer Limitations onthe Performance of Micromachined Microphones,”J.Acoust.Soc.Am.144(5),2018中所指出的，其通过引用并入本文，热边界层是该因素。Kuntzman公开了作为麦克风组件壳体的尺寸的函数(例如，作为麦克风组件的后腔容积的函数)的、麦克风组件的后腔容积内的空气的声学压缩和膨胀的效果。Kuntzman声明：“对于热边界层相对于壳体尺寸变得足够大的情况，这发生在小壳体和低频下，壳体内的空气的压缩和膨胀从绝热转变到等温，并且需要对绝热腔室阻抗进行校正。在壳体壁处的热传递耗散来自系统的能量并导致声阻尼，这根据波动耗散定理贡献热声学噪声”。Kuntzman还声明：“由壳体中的热弛豫损耗导致的声阻尼可能是显著的噪声贡献者，特别是对于损耗最显著的小壳体尺寸而言”。一般而言，Kuntzman教导期望增加麦克风组件的后腔容积以降低热声学噪声。
热声学噪声的影响在低频下最显著，如Thompson等人(以下称为“Thompson”)在“Thermal Boundary Layer Effects on the Acoustical Impedance of Enclosures andConsequences for Acoustical Sensing Devices,”J.Acoust.Soc.Am.123(3),2008中所指出的，其通过引用并入本文。Thompson声明：“热效应引起的麦克风灵敏度改变是由[麦克风]壳体在低频下的顺应性改变引起的…如果来自热阻抗的噪声与麦克风中的其它热噪声源相当或比其它热噪声源大，则该阻抗可能影响麦克风的内部噪声”。对于具有小壳体容积和低频率的MEMS麦克风，预期热声学噪声贡献最大，其中，固体表面之间的距离在后腔容积内的热边界层的厚度(其随着工作频率的降低而增大)的量级上。热边界层厚度可以大致确定为
Figure BDA0003551505760000131
其中，ω是麦克风的工作角频率，并且其中，κ是热导率，ρ0是密度，并且Cp是麦克风组件内部(例如，在麦克风组件的后腔容积内)的气体在恒定压力下的比热。上述关系证实了热边界层厚度与麦克风的工作频率之间的相关性。
例如，包括麦克风、金属和塑料的材料都具有比空气大得多的热容。因此，在后腔容积的每个表面处，存在与边界材料的热交换，并且这些表面基本上是等温的。热交换是频率相关的，并且对后腔容积的阻抗有贡献。本质上，当后腔容积中的空气被压缩时，其温度上升。在给定频率下，边界扩散长度内的空气部分将该热量释放到边界材料。当后腔容积中的空气变稀时，空气的温度下降，但是边界扩散长度内的空气部分从边界材料获得热量。
图3示出了图1的全向麦克风10的热边界层18。在该图中，对热边界层18加阴影以描述热边界层18的厚度20如何随频率改变。较暗的阴影对应于较高频率下的厚度20。因此，在高频下，热边界层18相当薄，而在低频下，热边界层18较厚。图4中示出了热边界层18对模型的影响。现在利用复阻抗ZBV代替后腔容积的顺应性。复阻抗的实部取决于频率和麦克风尺寸，因此噪声对振膜上的压力有贡献。这种噪声效应的分析是复杂的，但在Kuntzman中得到解决。本质上，随着麦克风变得更小，热边界层膨胀以消耗更多的总后腔容积，并且当进行积分时，随着麦克风尺寸减小，对振膜上的压力的总噪声影响增大。这是另一预期的kT/C效应。
根据一实施方式，存在与该传统知识相反的尺寸区域。在非常小的尺寸下，其中，热边界层消耗整个后腔容积，并且特别是对于低于音频的频率(<20kHz)，其中，在总后腔容积内存在热边界层容积的显著部分，增加噪声的趋势逆转。如果对噪声从零到无限频率进行积分，则kT/C仍然随着更小的尺寸而增加，如所期望的。然而，如果仅在音频频带上执行积分，则结果是小于kT/C(从零到无穷大积分)的值。kT/C的音频带噪声功率部分随着后腔容积尺寸的减小而减小。
一般而言，本文公开了用于为麦克风中的MEMS管芯(例如，用作声换能器)提供高声信噪比(SNR)性能的系统和设备。本文还公开了一种MEMS管芯，其中，对于采用这种管芯的MEMS换能器，在后腔容积内的任何点与离该点最近的固体表面之间的距离小于音频频带上限处的单个热边界层厚度。因为热边界层厚度随着频率的降低而增加(如上所述)，所以该限制确保在后腔容积内的任何点与最近的固体表面之间的距离小于MEMS管芯的大部分音频频带上的单个热边界层厚度。如以下所使用的，上限是由麦克风检测的关注音频频带的上限频率。例如，上限可以是集成电路正在监测音频信号的频带的上限范围(例如，20kHz)。注意，MEMS管芯可以对高于上限的音频信号作出反应，并且麦克风可以检测高于上限的音频信号。然而，麦克风的设计将针对给定的上限进行优化。
如本文所用，短语“封闭容积”或“封闭后腔容积”是指基本上是封闭的但可以不完全封闭的容积(例如后腔容积)。例如，封闭容积可以指经由振膜、活塞或弹性结构中的穿孔或开口与MEMS管芯周围的环境流体连接的容积。
图5和图6示出了麦克风的MEMS管芯100的侧剖面图。MEMS管芯100被配置成使用电容声学换能方法来响应于入射在MEMS管芯100上的声学扰动而生成电信号。在其它实施方式中，MEMS管芯100可以使用另一类型的转换，诸如压电转换、压阻转换或光学转换。MEMS管芯100包括基板102、电极104和可移动振膜106。可移动振膜106可以是或可以包括电极，并且可以被称为“第一电极”，而电极104可以被称为“第二电极”。振膜106和电极104以及它们之间的间隙(包括诸如空气的绝缘材料)形成电容元件。电极104有时可以被称为对电极(counter electrode)。基板102支撑电极104和振膜106。如图5所示，电极104沿着电极104的整个下表面108直接联接到基板102。基板102相对于振膜106(以及相对于电极104)较大，这确保了电极104被刚性地支撑。特别地，基板102和电极104的组合厚度109比振膜106的厚度112大一个数量级。在其它实施方式中，基板102与振膜106之间的相对厚度可以不同。
根据一实施方式，电极104直接沉积在基板102的第一表面(例如，上表面)上。在一些实施方式中，电极104沉积在绝缘体114上或以其它方式连接到绝缘体114。绝缘体114可以由氮化硅或另一介电质材料制成。电极104可以由多晶硅或其它合适的导体制成。在图5所示的实施方式中，电极104“夹在”或以其它方式设置在基板102与绝缘体114之间。电极104至少部分地嵌入绝缘体114的下表面内并直接联接到基板102。在其它实施方式中，电极104的位置可以不同(例如，电极104可以嵌入在绝缘体114的上表面内或形成在绝缘体114的上表面上)。在其它实施方式中，电极104可以延伸到电极104与振膜106之间的容积的外周边(例如，电极104的直径可以与振膜106的直径大致相同)。
在一实施方式中，振膜106被定向为平行于(或基本上平行于)电极104(或绝缘体114，无论哪一个在顶部上)并且与电极104间隔开以形成间隙。在各种实施方式中，间隙表示圆柱形腔室的高度118(例如，绝缘体114与振膜106之间的圆柱形容积，或在电极104位于绝缘体114顶部的那些实施方式中电极104与振膜106之间的圆柱形容积)。电极104与振膜106之间的容积形成MEMS管芯100的整个后腔容积103(并且，就MEMS管芯100可以被认为是麦克风的程度上，形成麦克风的整个后腔容积)，如将进一步描述的。振膜106通过至少一个中间层120与电极104间隔开。中间层120的第一侧122联接到绝缘体114，绝缘体114又联接到电极104。中间层120的第二侧124沿着振膜106的周边的至少一部分联接到振膜106。中间层120的高度126(例如，中间层120的平行于MEMS管芯100的中心轴线128的轴向高度)加上绝缘体114在电极104与中间层120之间的高度/厚度近似等于振膜106与电极104之间的距离(例如，高度118)。在其它实施方式中，振膜106与电极104之间的距离近似等于中间层120的高度。在各种实施方式中，中间层120包括沉积或以其它方式形成于电极104上的牺牲层(例如，氧化物层、磷硅酸盐玻璃(PSG)层、氮化物层或任何其它合适的材料)。在一些实施方式中，中间层120可以由氧化硅或可被蚀刻而不影响基板102、电极104或振膜106的其它材料制成。
在一实施方式中，振膜106由多晶硅或另一导电材料制成。在其它实施方式中，振膜106包括绝缘层和导电层二者。如图6所示，振膜106的第一侧132面向后腔容积103。振膜106的与第一侧132相对的第二侧134面向麦克风组件的前腔容积105。从前腔容积105入射到振膜106的第二侧134上的声能131(例如，声波、声学扰动等)使振膜106朝向或远离电极104移动。电极104与振膜106之间的距离改变(例如，高度118的变化)导致电容的对应改变。可以生成表示电容改变的电信号并将其传输到结合有MEMS管芯100的麦克风组件的部分(诸如集成电路(未示出))，以进行处理。
根据一实施方式，电极104是实心的、无孔的结构，使得绝缘体114与振膜106之间的容积形成MEMS管芯100的整个后腔容积103。相反，对于包括穿孔的对电极(例如，具有多个通孔开口的背板)的MEMS管芯，后腔容积包括与振膜相对的结构(绝缘体114和电极104(如果暴露的话))与振膜106之间的容积以及电极104与振膜106之间的空间流体连接到的相对结构的相对侧上的任何附加流体(例如，空气)容积。
本公开的实施方式还可以包括其它类型的MEMS管芯。例如，MEMS管芯可以是压电的、压阻的或光传导的。图7示出了压电MEMS管芯175的实施方式。压电MEMS管芯175包括基板177和联接到基板177并与基板177间隔开的振膜179。压电MEMS管芯175还包括连接到振膜179的压电层181。如图7所示，压电层181可以连接(例如，沉积或以其它方式联接)到振膜179的下表面183。在其它实施方式中，如图8所示，压电层181可以连接到振膜179的上表面185。在任一情况下，基板177与振膜179之间的容积形成压电MEMS管芯175的整个后腔容积187。
图9示出了MEMS管芯的20Hz至20kHz的音频频带(例如，范围)中的A加权声学噪声200(以下称为“声学噪声”)作为MEMS管芯的后腔容积的尺寸的函数的曲线图。特别地，图9示出了具有对电极和固定尺寸的振膜(例如，具有固定直径的振膜)的MEMS管芯的声学噪声200与后腔容积之间的模拟关系，其中，MEMS管芯用作换能器。在模拟中，通过在0.5μm至8mm之间改变间隙的尺寸(例如，图5的高度118)，后腔容积在大约0.0006mm3至10mm3之间的范围内变化。如图9所示，在大约9mm3至0.1mm3之间的范围内，声学噪声200随着后腔容积的减小(例如，图5的高度118的减小)而增大。在大约9mm3至0.1mm3之间的声学噪声200的趋势与在Kuntzman和Thompson中提供的讨论一致，Kuntzman和Thompson教导声学噪声随着后腔容积的尺寸减小而增大。令人惊讶的是，在低于大约0.1mm3的后腔容积(在MEMS管芯的尺寸范围内)观察到趋势的反转(对于模拟的振膜直径)。如图9所示，在大约0.0006mm3的后腔容积处，声学噪声200已经返回到与在4mm3(例如，总后腔容积减小大约7500倍)处实现的水平近似相等的水平。
图10示出了热边界层厚度300与用作换能器的MEMS管芯的工作频率之间的关系的曲线图(例如，图9中建模的MEMS换能器，并且假设在对电极与振膜之间的容积内提供空气)。示出了热边界层厚度300随着工作频率的增加而减小。在图10中以图形的方式示出了在MEMS管芯的音频频带内的工作频率范围内(例如，在大约20Hz至20kHz之间的人类可听频率范围内)的这种依赖性。
如图10所示，当对电极与振膜之间的间隙尺寸(例如，高度)大时(例如，当间隙大于500μm时)，热边界层厚度300在MEMS管芯的大部分音频频带上小于间隙尺寸。随着间隙减小，热边界层厚度300在较大比例的音频频带上变得等于或大于间隙的尺寸。在这个间隙尺寸范围内，热声学噪声贡献最大，并且MEMS管芯的总SNR减小(例如，MEMS管芯用作换能器)。
对应于改进的SNR性能(例如，对应于图9的观察到声学噪声趋势的反转的后腔容积)的间隙尺寸的大致范围由图10底部的水平线302标识。如图所示，间隙的尺寸(例如，图5所示的高度118)在MEMS管芯100的大部分音频频带(例如，在20Hz至20kHz之间)上小于后腔容积103内的边界层厚度300的大约两倍。换句话说，后腔容积103的尺寸使得后腔容积103内的任何点或位置与接触后腔容积103的最近固体表面之间的距离小于单个热边界层厚度300。例如，如图6所示，振膜106与绝缘体114之间大约一半的点119与振膜106和绝缘体114二者的面向后腔容积的表面(后腔容积的最靠近点119的固体表面)间隔小于一个热边界层厚度300。
基于此数据(和来自图9的数据)，取决于间隙的尺寸(例如，高度118)是1)在音频频带的大部分上大于热边界层厚度的两倍还是2)在大部分音频频带上小于热边界层厚度的两倍，似乎存在两种不同的热状态和机制。在非常小的间隙高度(比大多数现有麦克风组件小两个数量级)处声学噪声降低的事实是先前未确定的未预见的益处。
图11示出了作为MEMS管芯的频率的函数的后腔容积阻尼(以下称为“阻尼”)，该MEMS管芯在这两个不同的热状态中作为换能器工作。上面的曲线集合400示出了间隙尺寸大于热边界层厚度的MEMS管芯的阻尼。曲线400的减小间隙尺寸的方向由虚线箭头402表示。如图11所示，随着间隙尺寸减小，阻尼(和相关的热噪声)增大(例如，MEMS管芯的音频频带上的总噪声增大)。下面的曲线集合404示出了MEMS管芯的阻尼响应，其中，间隙的尺寸小于热边界层厚度(例如，小于热边界层厚度的两倍，类似于图5和图6的MEMS管芯100)。图11中曲线404的减小间隙尺寸的方向由虚线箭头406表示。阻尼(和相关的热噪声)示出为随着间隙尺寸的减小而减小。另外，与上面的曲线集合400呈现的趋势不同，下面的曲线集合404呈现作为频率的函数的近似平坦的阻尼响应。这样的特性对于诸如用于信号处理的波束形成之类的应用以及MEMS管芯的灵敏度在低频处降低的其它应用可能是特别有利的。
图12示出了对于麦克风组件的振膜的表面积的三个不同值(例如，振膜的直径以及对应地后腔容积的直径)，作为间隙尺寸的函数的声学SNR。在对电极和振膜的不同表面积范围上提供了声学SNR曲线。声学SNR被示出随着间隙的减小而增大。声学SNR被示出随着表面积的减小而减小。尽管关于表面积的SNR的趋势与关于间隙尺寸(例如，对电极与振膜之间的高度)的SNR的趋势相反，但是已经观察到间隙的影响占优势。
图9至图12中所示的结果是在假设活塞状振膜位移(例如，假设振膜不弯曲或变成弓形(bow)，并且沿振膜表面的所有点移动相等的量)的情况下进行模拟。实际上，振膜106(参见图5)将不会以活塞状运动均匀地位移，而是将在施加到MEMS管芯100的偏置电压下(并且进一步由于入射到振膜106上的声压)变成弓形或弯曲。因此，振膜106的移动将沿轴向方向(例如，如图5所示的竖直向上和向下)和径向方向(例如，如图5所示的水平向左和向右)移动间隙内的空气。后腔容积103内的空气的径向速度分量将导致粘滞损失，这将使MEMS管芯的声学噪声增加到图12所示的值以上。
图13示出了作为对电极与振膜之间的间隙尺寸(对电极与振膜之间的竖直间距)的函数的声学SNR的曲线图。曲线500示出了MEMS管芯的声学SNR，该MEMS管芯被建模为假设活塞状振膜运动。曲线502示出了MEMS管芯的声学SNR，该MEMS管芯被建模为假设振膜随着向MEMS管芯施加偏置电压而屈曲(例如，弯曲)。如图13所示，实际振膜屈曲和移动的效应在小间隙尺寸(例如，在这种情况下低于5μm)下最显著。在5μm至11μm之间的间隙尺寸下，与振膜移动相关联的粘滞效应显著降低。如图13所示，抵消振膜位移/移动的影响的一种方式是将间隙的尺寸限制在大约5μm至12μm之间的范围内，或者根据后腔容积的几何形状限制在另一合适的范围内。另选地或组合地，可以调整(例如，增大)施加到MEMS管芯的偏置电压，以增加麦克风组件的灵敏度，从而至少部分地抵消由粘滞损失引起的附加声学噪声的影响。
还可以调节对电极的几何形状，以减小由非活塞状振膜移动引起的后腔容积内的空气的径向速度分量。例如，图14示出了包括弯曲电极604的MEMS管芯600。特别地，绝缘体614的上表面632(例如，第一表面，面向后腔容积的表面等)被成形为在施加偏置电压的情况下近似匹配振膜606的曲率，使得在工作期间，振膜606与电极604(电极在本实施方式中也是弯曲的)之间的距离在整个后腔容积611中(例如，在横向方向上，远离MEMS管芯的中心轴线)近似相等。为了实现这一点，电极604和振膜606在静止情况下(例如，当去除偏置电压时)不平行。如图14所示，电极604沉积或以其它方式形成在MEMS管芯600的基板602的凹部部分636上。电极604的曲率是施加到MEMS管芯600的偏置电压、后腔容积611的尺寸和振膜606的厚度的函数。
回到图6，MEMS管芯100被示为包括延伸穿过振膜106(例如，从振膜106的第一侧132到振膜106的第二侧134)的开口或穿孔138。穿孔138以相对于MEMS管芯100的中心轴线128同轴的布置设置在振膜106上的中心位置。穿孔138是振膜106中的圆形通孔。在其它实施方式中，振膜106中的开口的尺寸、形状、位置和/或数量可以不同。
图15示出了对于穿孔(例如，穿孔138)的不同直径的范围，MEMS管芯(被配置成类似于MEMS管芯100)的作为间隙尺寸的函数的声学SNR。如图15所示，穿孔将声学噪声引入MEMS管芯100(也参见图5)，特别是在小间隙尺寸(例如，小于5μm)下。声学噪声的改变(例如，增大)率也随着穿孔的直径而增大。在图5的MEMS管芯100中，穿孔138的直径140在大约0.25μm至2μm之间的范围内，以最小化穿孔138对总声学SNR的影响。应当理解，穿孔138直径的最佳范围将根据振膜106的厚度和后腔容积103的几何形状而变化。
MEMS管芯100的灵敏度还可以通过增加后腔容积103中的空气的顺应性(例如，通过减小包含在后腔容积内的空气的刚度)来提高。在一实施方式中，这通过在MEMS基板中提供通道来实现，使得通道内的每个点与固体表面的距离不超过单个热边界层的厚度。转到图16和图17，示出了相应配置的MEMS管芯700。MEMS管芯700包括电极704和基板702，基板702包括形成在电极704和基板702中的多个通道742。更具体地，MEMS管芯700构造有通道742，通道742的尺寸被形成为使得通道742内的任何点距离最近的边界表面的距离小于单个热边界层厚度。在图16的实施方式中，多个通道742中的每个通道以相对于振膜706基本上垂直的取向(例如，平行于MEMS管芯700的中心轴线)远离振膜706延伸。通道742延伸穿过电极704。在其它益处中，通道742增加了MEMS管芯700内的空气的总顺应性(例如，通过增加远离电极704与振膜706之间的空间的空气容积)而不完全穿透基板702。
基板702中的通道742的大小被确定为减小MEMS管芯700内的热声学噪声。具体地，多个通道742中的每个通道的宽度744(例如，直径)小于MEMS管芯700的大部分音频频带上的后腔容积内的热边界层厚度的两倍，使得在大部分音频频带上，后腔容积内的任何点或位置距基板或振膜的最近固体表面之间的距离在单个热边界层厚度内。每个通道742的深度745近似等于间隙的尺寸，如高度718所示(例如，电极704与振膜706之间的距离)。应当理解，通道742的几何形状在各种实施方式中可以不同。例如，在其它实施方式中，深度745可以不同于间隙的尺寸。
在一实施方式中，MEMS基板中的通道可以由支柱限定。图18中示出了这种MEMS管芯的示例。总体标记为750的MEMS管芯包括形成腔室756(例如，后腔容积)的电极754和基板752，在腔室756中设置多个支柱758。支柱758是从腔室756的下表面以相对于下表面基本垂直的定向向上延伸的圆柱体(支柱758朝向振膜706延伸)。在其它实施方式中，支柱758的形状可以不同。支柱758可以形成于MEMS管芯750的基板752中。导电层715沉积在支柱758中的每一者的上表面上或以其它方式连接到支柱758中的每一者的上表面。导电层715一起形成单个电极。在MEMS管芯750的大部分音频频带上，相邻支柱758之间的横向距离(例如，相对于每个支柱758的中心轴线的径向距离)小于热边界层厚度的两倍。在其它实施方式中，通道(图16和图17)和支柱(图18)的几何形状可以不同。在一些实施方式中，多孔硅基板可以用于代替通道或支柱。在其它益处中，使用多孔硅基板增加了后腔容积内的空气的有效顺应性，而不需要附加的制造操作以在基板中形成通道、支柱或其它几何形状。
转到图19，现在将描述根据一实施方式使用多孔硅的MEMS管芯的示例。通常标记为770的MEMS管芯包括基板772。在由硅形成的情况下，可以对基板772进行掺杂以使其导电，使得多孔区域774的表面实际上是电容换能器的对电极。孔776的尺寸远小于单个热边界层厚度，并且还允许空气在所有方向上流动。多孔区域774中的开口容积的百分比可以通过公知的电化学过程来控制，并且可以做得相当大。多孔区域774的上表面(例如，对电极)与振膜780之间的间隙尺寸(示出为高度778)仍必须小于两个热边界层厚度，但在此实施方式中，间隙尺寸不主导(dominate)后腔容积782的尺寸且因此不主导MEMS管芯770的灵敏度。另选地，可以使用烧结材料代替具有上述特征孔径的多孔硅。
在其它益处中，如上文所讨论的实施方式中所阐述的MEMS管芯的所需后腔容积的减小允许使用MEMS管芯的麦克风组件的总占地面积(例如，封装尺寸等)基本减小。此外，因为对电极是实心的、无穿孔的结构，所以MEMS管芯可以与麦克风组件的其它部件集成，以进一步减小麦克风组件的封装尺寸。例如，图20示出了MEMS管芯800与集成电路(IC)802的单片集成。IC 802可以是专用集成电路(ASIC)。另选地，IC 802可以包括集成各种模拟、模拟-数字和/或数字电路的另一类型的半导体管芯。如图20所示，IC 802形成用于MEMS管芯800的基板。MEMS管芯800作为单个整体结构整体地形成在IC 802上。MEMS管芯800的电极804沿着电极804的整个下表面808直接联接到IC 802。
根据一实施方式，电极804的几何形状可以与参考图5描述的电极104的几何形状相同或相似。如图20所示，电极804直接联接到IC 802(例如，形成在IC 802的上表面上)。IC802包括基板810和联接到基板810的第一表面(例如，上表面等)的上部部分812。IC 802还包括嵌入在基板810的上表面中、在基板810与上部部分812之间的多个晶体管813。上部部分812被构造成将电极804电联接(例如，连接等)到IC 802和/或麦克风组件的其它部件(未示出)。特别地，上部部分812包括嵌入在上部部分812内的多个金属层814。金属层814将电极804电连接到设置在上部部分812的外表面上的触点(例如，连接到组合的MEMS管芯800和IC 802的外表面)。
根据一实施方式，如图21所示，MEMS管芯800和IC 802管芯的组合被配置成装配在麦克风组件内，如组件900所示。如图21所示，组件900包括壳体，该壳体包括基座902、盖904(例如，壳体盖)和声音端口906。在一些实施方式中，基座902是印刷电路板。盖904联接到基座902(例如，盖904可以安装在基座902的外围边缘上)。盖904和基座902一起形成组件900的封闭容积(例如，MEMS管芯800的前腔容积910)。如图21所示，声音端口906设置在盖904上，并被构造成将声波传送到位于封闭容积内的MEMS管芯800。另选地，声音端口906可以设置在基座902上。声波(例如，声压等)移动MEMS管芯800的振膜806，这改变了振膜806与电极804之间的间隙尺寸(例如，高度818)。电极804与振膜806之间的容积形成MEMS管芯800的整个后腔容积911，这有利地减小了麦克风组件900的总占地面积，而不限制可以实现的声学SNR。
如图21所示，基板810联接到封闭容积908内的基座902的第一表面。在一些实施方式中，该组件可以形成紧凑计算设备(例如，便携式通信设备、智能电话、智能扬声器、物联网(IoT)设备等)的一部分，其中，可以集成一个、两个、三个或更多个组件，用于拾取和处理各种类型的声学信号，诸如语音和音乐。
在图21的实施方式中，MEMS管芯800被配置成响应于入射在声音端口906上的声学活动而在输出部处生成电信号(例如，电压)。如图21所示，输出部包括MEMS管芯800的焊盘或端子，该焊盘或端子经由一个或更多个接合线912电连接到电路。组件900还可以包括设置在盖904外部的基座902的表面上的电触点。触点可以电联接到电路(例如，经由嵌入在基座902内的接合线或电迹线)，并且可以被配置成将麦克风组件900电连接到各种主机设备中的一者。
图21的麦克风组件实施方式的部件的布置不应被认为是限制性的。在不脱离本文所公开的发明概念的情况下，许多另选方式是可能的。例如，图22示出了麦克风组件1000的另一实施方式，其包括作为接合到麦克风组件1000的基座1002的倒装芯片的MEMS管芯1100。MEMS管芯1100通过焊球1003与基座1002分离(并且电连接到基座1002)。MEMS管芯1100被布置成通过居中地设置在基座1002内的声音端口1006接收声能。MEMS管芯1100悬挂在麦克风组件1000的基座1002与盖1004之间形成的腔室内。
图23示出了类似于图22的麦克风组件1000的麦克风组件1200的另一实施方式，但是其中，盖已经由包围MEMS管芯1300的密封剂1201代替。在其它益处中，密封剂1201使MEMS管芯1300绝缘，并且有助于将MEMS管芯1300支撑在麦克风组件1200的基座1202上方的位置。密封剂可以包括可固化环氧树脂或任何其它合适的材料。
在电容MEMS传感器中使用振膜的一个可能问题是振膜本身的动态移动导致横向速度梯度和粘滞引起的损失。由于例如所施加的偏置电压引起的任何初始振膜挠曲加重了粘滞损失。根据本公开的实施方式，电容MEMS传感器使用活塞(例如，刚性硅片)代替振膜。在一实施方式中，活塞由弹性结构(例如软橡胶密封件、垫圈(例如由PDMS制成)或波纹壁)支撑。
在一实施方式中，弹性结构提供阻止空气横向移动的密封件，这降低了噪音。
根据一实施方式，MEMS管芯包括通气孔，该通气孔允许后腔容积中的压力与环境压力均衡(但仅在非声学频率下-其在声学频率下被密封)。
转到图24A，现在将描述根据一实施方式的使用活塞代替振膜的MEMS管芯。MEMS管芯2400包括刚性(例如，由相对厚的硅制成)且导电(例如，由诸如金属或掺杂半导体(诸如晶体硅)的导电材料制成)的活塞2402、面向活塞2402的电极2404以及将活塞2402支撑在电极2404上的弹性结构2406。后腔容积2408在顶部由活塞2402界定，在底部由电极2404界定，并且在所有侧面由弹性结构2406界定。活塞2402、电极2404和弹性结构2406一起包围后腔容积2408。在一些实施方式中，电极2404是还包括支撑电极2404的绝缘材料的基板的一部分。弹性结构2406阻止空气或其它气体离开后腔容积2408(例如，阻止空气或其它气体在从后腔容积2408的中央部分径向向外的方向上行进)。换句话说，弹性结构2406密封后腔容积2408以阻止捕获的空气容积中的横向速度梯度。弹性结构2406的可能实施方式包括由聚二甲基硅氧烷(PDMS)或橡胶制成的垫圈。弹性结构2406的另一种可能的实现方式是褶皱壁(例如由PDMS、橡胶制成，或者由诸如硅、氮化硅或铝之类的更刚性的材料制成)。具有褶皱壁的合适结构的示例是柔性波纹管密封件。弹性结构2406的另一种可能的实现方式是在周边处的薄振膜。
根据一实施方式，活塞2402具有通气孔2411，当活塞2402处于静止或在非声学频率下相对于电极2404上下移动时，该通气孔2411允许后腔容积2408与MEMS管芯2400外部的区域之间的压力均衡。通气孔2411是被配置成允许在低于音频带的频率下在后腔容积与MEMS管芯外部的区域(例如，容积)之间的压力均衡的孔。例如，通气孔2411可以具有导致阻抗的几何形状和尺寸，使得通气孔2411在非音频频率下对空气流没有影响，但是在音频频率下阻挡空气流。通气孔2411不必位于活塞2402中，而是可以在任何地方(例如，在弹性结构2406中)以便于压力均衡。
在图24A所示的实施方式中，活塞2402和电极2404形成电容元件，活塞2402用作电容元件的第一电极，电极2404用作电容元件的第二电极，并且后腔容积2408中的空气或其它气体用作介电质。在工作期间，活塞2402和弹性结构2406表现得像经典的弹簧质量系统。活塞2402与电极2404之间的电容随着它们之间的距离改变而改变(即，随着距离增大或减小)。弹性结构2406抵挡活塞2402朝向电极的移动(例如，响应于传入的压力波，诸如由声音产生的压力波)。特别地，当活塞2402朝向电极2404移动时，弹性结构2406压缩，积累势能，并且(当推动活塞2402的外力充分减小时)推动活塞2402远离电极2404。将参考图24B、图25A、图25C、图25D、图26A、图26D、图26E和图26F描述具有活塞-弹簧结构的其它MEMS管芯实施方式。然而，应了解，结合图24A描述的原理和变化(包括包含通气孔)也可以应用于这些其它MEMS管芯实施方式。
在一实施方式中，当MEMS管芯2400集成到麦克风中时，活塞2402电连接到偏置电压源2409，并且电极2404电连接到集成电路2410(例如，其放大器输入部)。另选地，活塞2402可以电连接到集成电路2410，并且电极2404可以电连接到偏置电压源2409。
参考图24B，示出了根据一实施方式配置的MEMS管芯2400的变型。MEMS管芯2450包括具有绝缘部分2403a和电极2403b的活塞2403。在该实施方式中，电极2403b用作电容元件中的第一电极(电极2404用作第二电极)。
在一实施方式中，通道2412形成在图24A和图24B的电极2404中。在一实施方式中，通道2412的尺寸使得通道2412内的任何点距最近表面的距离小于单个热边界层厚度。通道2412中的每个通道以相对于活塞2402基本上垂直的取向(例如，平行于MEMS管芯的中心轴线)远离活塞2402延伸。在其它益处中，通道2412增加了MEMS管芯内的空气的总顺应性(例如，通过增加远离电极与活塞之间的空间的空气容积)而不完全穿透电极2404。通道2412内的空间是后腔容积的一部分。
转到图24C，示出了根据一实施方式的图24A的电极2404的立体视图(在MEMS管芯2400沿着线A-A'剖开之后)。在这个实施方式中，支柱2414形成在电极2404中，支柱2414之间的空间构成通道2412。通道2412和支柱2414可以是任何形状，只要在音频上限处，通道内的任何点距支柱2414的表面的距离小于热边界层厚度。
转到图24D，示出了根据另一实施方式的图24A的电极2404的俯视图(在MEMS管芯2400沿着线A-A'剖开之后)。在这个实施方式中，通道2412以同心环的形式形成在电极2404中。
在各种实施方式中，面向活塞的电极(在间隙/介电质的相对侧上)是通常被称为基板的分层结构的一部分，其可以包括例如多晶硅层和绝缘体层，其中，电极嵌入在基板中(例如，在绝缘材料内)或设置在基板的表面上(例如，在绝缘材料的顶部上)。转到图25A，示出了根据这种实施方式配置的MEMS管芯。MEMS管芯2500包括活塞2502，该活塞被配置成类似于图24A的活塞2402，并且具有相同的可能变型，包括不同的电极和绝缘材料。MEMS管芯2500还包括基板2504和将活塞2502支撑在基板2504上的弹性结构2506。活塞2502和弹性结构2506的可能实现方式包括结合图24A和图24B的活塞和弹性结构所讨论的那些。后腔容积2508在顶部由活塞2502界定，在底部由基板2504界定，并且在所有侧面由弹性结构2506界定。活塞2502、基板2504和弹性结构2506包围后腔容积2508。弹性结构2506阻止空气离开后腔容积2508，并且特别是阻挡空气在从后腔容积2508的中央部分径向向外的方向上行进。基板2504包括绝缘层2510(例如由二氧化硅或氮化硅制成)和嵌入在绝缘层2510中的电极2512。电极2512面向活塞2502，使得在活塞2502与电极2512之间存在电容(活塞2502充当电容器的第一电极，电极2512充当电容器的第二电极，并且后腔容积2508中的空气或其它气体充当介电质)。然而，在一些实施方式中，活塞2502包括绝缘材料和导电部分或层，其中，导电部分或层用作电容器的第一电极。在一实施方式中，当MEMS管芯2500集成到麦克风中时，活塞2502电连接到偏置电压源2514，并且电极2512电连接到集成电路2516(例如，其放大器输入部)。另选地，活塞2502可以电连接到集成电路2516，并且电极2512可以电连接到偏置电压源2514。
在一实施方式中，通道2518形成于基板2504中，并且电极2512跨越通道2518。在一实施方式中，通道2518的尺寸使得通道2518内的任何点距最近表面的距离小于单个热边界层厚度。在图25A的实施方式中，通道2518中的每个通道以相对于活塞2502基本上垂直的取向(例如，平行于MEMS管芯2500的中心轴线)远离活塞2502延伸。通道2518延伸穿过电极2512。在其它益处中，通道2516增加了MEMS管芯2500内的空气的总顺应性(例如，通过增加远离第二电极2512与活塞2502之间的空间的空气容积)而不完全穿透基板2504。通道2518内的空间是后腔容积2508的一部分。
根据一实施方式，MEMS管芯2500包括壁2520和一个或更多个外部导体2522。每个外部导体2522在一端电连接到活塞2502(或者如果活塞包括绝缘材料则电连接到活塞2502上的电极)并且在另一端电连接到壁2520。在一实施方式中，一个或更多个外部导体2522中的每个外部导体是弹性构件，诸如金属弹簧。壁2520通过触点2524(例如，共晶金属触点)和基板2504的绝缘层2510内的导电路径2526(适当时具有硅通孔(TSV))而连接到偏置电压源2514。图25B示出了从活塞2502上方看去的壁2520和外部导体2522。
在结合图25A描述的实施方式的变型中，电极2512的功能可以由图25C的MEMS管芯2550中所示的两个电极来执行。在这个实施方式中，电极2512的功能由电极2512a和电极2512b执行，电极2512a和电极2512b二者被示出为嵌入在基板2504中(在绝缘层2510中)。在这个实施方式中，电极2512a经由导电路径2526a电连接到偏置电压源2514，并且电极2512b经由导电路径2526b电连接到集成电路2516(例如，其放大器输入部)。
在一实施方式中，活塞通过非常大的电阻器连接到电势。在一实施方式中，电势可以是电接地。电阻器的阻抗应当足够大以将电拐角频率设置为低于期望的低声学拐角频率(例如20Hz)。在一实施方式中，阻抗可以是10^12欧姆。在其它实施方式中，阻抗可以小于或大于10^12欧姆。在一实施方式中，电阻器由弹性结构2506b和绝缘层2510的漏电电导形成。在工作中，活塞连接到DC感测中的电势，但在AC感测中电绝缘。在这样的实施方式中，活塞朝向和远离面向活塞的电极的移动导致活塞与电极之间的电容改变，并在电极中的一个电极(另一电极被供应DC电压)中感应出信号。其示例在图25D中示出(其是结合图25C描述的实施方式的变型)。在图25D中，MEMS管芯2560具有被配置成电浮动的活塞2502。在这个实施方式中，电极2512a经由导电路径2526a连接到偏置电压源2414，并且电极2412b经由导电路径2526b连接到集成电路2416(例如，其放大器输入部)。
转到图25E，示出了根据一实施方式的沿着(图25A的)线B-B'截取的基板2504的局部立体图。在这个实施方式中，支柱2530形成在基板2504中，并且支柱2530之间的空间构成通道2518。至少一些支柱(在一些实施方式中，所有的支柱)包括导电层2532，导电层2532连接到(例如，沿着支柱的长轴向下的TSV)单个共用导体，使得所有的导电层是电极2512的一部分。这个基板配置也可以用于图25C和图25D的实施方式中，但具有两个电分离电极(例如，具有两个分离的导电肋部)。
转到图25F，示出了根据另一实施方式的沿着(图25A的)线C-C'截取的基板2504的俯视图。在这个实施方式中，通道2518以环的形式形成在基板2504中，诸如图25F所示的在电极2512的部分之间的同心环，其也以同心环2536的形式形成。在这个实施方式中，单个导电肋部2534电连接电极2512的环2536。这个基板配置也可以用于图25C和图25D的实施方式中，但具有两个电分离电极(例如，具有两个分离的导电肋部)。
根据各种实施方式，通道设置在活塞中以增加后腔容积中的空气的顺应性。转到图26A，示出了根据这种实施方式配置的MEMS管芯。MEMS管芯2600包括刚性(例如，由相对厚的硅制成)且导电(例如，类似晶体硅的半导体)的活塞2602、基板2604和将活塞2602支撑在基板2604上的弹性结构2606。活塞2602和弹性结构2606的可能实现方式包括结合图24A的活塞2402和弹性结构2406所讨论的那些实现方式。活塞2602、基板2604和弹性结构2606包围后腔容积2608。弹性结构2606阻止空气离开后腔容积2608，并且特别是阻挡空气在从后腔容积2608的中央部分径向向外的方向上行进。基板2604包括绝缘层2610(例如由二氧化硅制成)和嵌入在绝缘层2610中的电极2612。
仍参考图26A，电极2612面向活塞2602，使得在活塞2602与电极2612之间存在电容(活塞2602充当电容器的第一电极，电极2612充当电容器的第二电极，并且后腔容积2608中的空气或其它气体充当介电质)。然而，在一些实施方式中，活塞2602包括绝缘材料和导电部分或层，其中，导电部分或层用作电容器的第一电极。在一实施方式中，当MEMS管芯2600集成到麦克风中时，活塞2602电连接到偏置电压源2614(例如，经由外部导体2622)，并且电极2612电连接到集成电路2616(例如，其放大器输入部)(例如，经由导体路径2622)。另选地，活塞2602可以电连接到集成电路2616，并且电极2612可以电连接到偏置电压源2614。
根据一实施方式，活塞2602包括通道2618。通道2618内的空间是后腔容积2608的一部分。通道2618的尺寸使得通道2618内的任何点距最近表面的距离小于单个热边界层厚度。在图26A的实施方式中，通道2618中的每个通道以相对于基板2604基本上垂直的取向(例如，平行于MEMS管芯2600的中心轴线)远离基板2604延伸。在其它益处中，通道2618增加了MEMS管芯2600内的空气的总顺应性(例如，通过增加远离基板2604之间的空间的空气容积)而不完全穿透活塞2602。
根据一实施方式，MEMS管芯2600包括壁2620和一个或更多个外部导体2622。每个外部导体2622被配置成如先前关于图25A的外部导体2522(包括可能的实现方式)所描述的，并且它们的功能和与壁2620的关系也是如先前关于图25A和图25B的壁2520所描述的。
图26B示出了活塞2602沿着线D-D'的横截面的局部立体图。在这个实施方式中，支柱2624形成在活塞2602中，并且支柱2624之间的空间构成通道2618。
转到图26C，示出了根据另一实施方式的沿着线D-D'截取的活塞2602的仰视图。在这个实施方式中，通道2618以同心环的形式形成到活塞2602中。
在结合图26A描述的实施方式的变型中，电极2612的功能可以由图26D的MEMS管芯2650中所示的两个电极来执行。在这个实施方式中，电极2612的功能由电极2612a和电极2612b执行。在这个实施方式中，电极2612a连接到偏置电压源2614，并且电极2412b经由相应导电通路2622a和2622b连接到集成电路2616(例如，其放大器输入部)。
在结合图26D描述的实施方式的变型中，活塞2602可以是电浮动的，如图26E的MEMS管芯2660所示。在这个实施方式中，电极2612a经由导电路径2622a连接到偏置电压源2614，并且电极2612b经由导电路径2622b连接到集成电路2616(例如，其放大器输入部)。
在本文所述的各种MEMS管芯实施方式(例如，图24B、图25A、图25C、图25D、图26A、图26D和图26E的MEMS管芯)中，MEMS管芯还可以包括后腔容积内部(例如，在MEMS管芯的中心轴线附近)的弹性结构。这种弹性结构是在活塞外围处的弹性结构的补充。这种实施方式的示例在图26F中示出，其中，MEMS管芯2670被配置成类似于图26A的MEMS管芯2600，除了MEMS管芯2670包括在后腔容积2608内部的第二弹性结构2607。第二弹性结构2607的一个可能的优点是它可以增加MEMS管芯2670的谐振频率，以限制由于在音频频带中或附近具有谐振而导致的不利影响。
在上述MEMS管芯的各种实施方式中，某些创新允许后腔容积被配置成使得后腔容积内的每个点都不大于来自固体表面的单个热边界层厚度。以下是具有这种后腔容积配置的MEMS管芯与振膜组件结合的其它实施方式的描述。
例如，转到图27，MEMS管芯2700包括双振膜振膜组件2701。双振膜组件2701包括包含第一电极2704的第一振膜2702、包含第二电极2708的第二振膜2706以及包含第三电极2712的背板2710。第一振膜2702和第二振膜2706被定向成使得它们彼此面对，并且背板2710设置在第一振膜2702与第二振膜2706之间并且面向第一振膜2702和第二振膜2706两者。第一振膜2702和第二振膜2706通过延伸穿过背板2710的支柱2713彼此连接。MEMS管芯2700还包括夹在第一振膜2702与背板2710之间并连接到第一振膜2702和背板2710的间隔件2714，以及夹在第二振膜2706与背板2710之间并连接到第二振膜2706与背板2710的间隔件2716。第一振膜2702与第二振膜2706之间的区域2716被密封并且处于比标准大气压低的压力(例如，50％大气压)并且可以处于或接近真空。MEMS管芯2700还包括由基板形成并用作基板的壳体2718。第二振膜2706经由间隔件2720附接到壳体2718。
在一实施方式中，通道2722形成到壳体2718中。在一实施方式中，通道2722的尺寸使得通道2722内的任何点距最近表面的距离小于单个热边界层厚度。通道2722增加了MEMS管芯2700内的空气的总顺应性。通道2722内的空间是后腔容积的一部分。基板2718的形貌的可能配置包括分别结合具有支柱或环的图24C和图24D讨论的那些配置。
MEMS管芯2700的变型在图28A中示出。MEMS管芯2800包括图27的双振膜组件2701，但具有标记为2802的基板。壳体2806附接到第一振膜2702(经由间隔件2805)。通道2810形成到壳体2806中。在一实施方式中，通道2810的尺寸使得通道2810内的任何点距最近表面的距离小于单个热边界层厚度。通道2810内的空间是后腔容积的一部分。壳体2806的形貌的可能配置包括分别结合具有支柱或环的图24C和图24D讨论的那些配置。基板2802具有声音穿过的孔2820。第二振膜2706经由间隔件2822附接到基板2802。
MEMS管芯2800的变型在图28A中示出。MEMS管芯2850包括壳体2806和基板2802。另外，MEMS管芯2850具有单个振膜2852和面向振膜2852的背板2854。振膜2852具有第一电极2856，并且背板2854具有第二电极2858。振膜2852经由间隔件2860附接到壳体2806。背板2854通过间隔件2862附接到振膜2852，并经由间隔件2864附接到基板2802。在工作期间，声音进入孔2820，穿过背板2854并撞击振动膜2852。
MEMS管芯2800的另一变型在图28C中示出。MEMS管芯2870类似于图28B的MEMS管芯2850，不同之处在于背板2854和振膜2852的位置相反，并且存在具有电极2864的第二背板2862。
转到图29，在传感器的上下文中描述了图27的MEMS管芯2700的示例使用，该传感器具体是被称为麦克风2900的声学传感器。麦克风2900具有壳体2902，壳体2902包括罩2904和基座2906。罩2904附接到基座2906。压力波(例如，声波)进入罩2904上的端口2908并且撞击第一振膜2702，使其弯曲并且在第二振膜2706中引起对应的弯曲(经由支柱2713)。因此，第一电极2704与第三电极2712之间的距离改变了第一电极2704与第三电极2712之间的电容。同样，第二电极2708与第三电极2712之间的距离改变，从而改变第二电极2708与第三电极2712之间的电容。这些电容改变由电路(例如集成电路)2910读取，该电路通过一个或更多个信号通路(例如导线)2912附接到MEMS管芯2700。电路2910然后将表示电容改变的信号解释为例如声音。电路然后经由一个或更多个附加信号通路(例如，导线)向外部设备提供表示解释的另外的信号。
转到图30，在传感器的上下文中描述了MEMS管芯2800的示例使用，具体地，传感器是被称为麦克风3000的声学传感器。麦克风3000具有壳体3002，壳体2902包括罩3004和基座3006。罩3004附接到基座3006。压力波(例如，声波)进入基座3006上的端口3008，穿过基板2802中的孔2820并撞击第二振膜2806，使其弯曲并在第一振膜2802中引起对应的弯曲(经由支柱2813)。因此，第一电极2804与第三电极2812之间的距离改变了第一电极2804与第三电极2812之间的电容。同样，第二电极2808与第三电极2812之间的距离改变，从而改变第二电极2808与第三电极2812之间的电容。这些电容改变由电路(例如集成电路)3010读取，该电路通过一个或更多个信号通路(例如导线)3012附接到MEMS管芯2800。电路3010然后将表示电容改变的信号解释为例如声音。电路然后经由一个或更多个附加信号通路(例如，导线)向外部设备提供表示解释的另外的信号。
也可以使用其它类型的双振膜组件来代替图27、图28A、图29和图30的双振膜组件2701。例如，可以使用介电质电机MEMS组件。现在将参考图31A、图31B和图32描述根据一实施方式的这种组件的原理。
转到图31A，在一实施方式中，介电质电机MEMS设备3100包括沿着轴线3160纵向定向并平行于轴线3160的第一电极3110。第一电极3110具有第一端3111和第二端3112。MEMS设备3100还包括沿轴线3160纵向定向并平行于轴线3160的第二电极3120。第二电极3120具有第一端3121和第二端3122。MEMS设备3100还包括沿着轴线3160纵向定向并平行于轴线3160的第三电极3130。第三电极3130具有第一端3131和第二端3132。电极3110、3120和3130可以是圆柱体、板、立方体、棱柱、多面体或其它形状的电极。第一电极3110的长度比第二电极3120的长度长并且比第三电极3130的长度长。MEMS设备3100具有散布在电极之间的固体介电质3150。介电质3150可以由例如氮化硅制成。电极3110、3120和3130由导体或半导体制成，诸如电镀金属或多晶硅。
在一实施方式中，第一电极3110是彼此电连接的多个第一导电引脚中的导电引脚，第二电极3120是彼此电连接的多个第二导电引脚中的导电引脚，并且第三电极3130是彼此电连接的多个第三导电引脚中的导电引脚。
转到图31B，在一实施方式中，介电质3150具有在平行于轴线3160的方向上穿透介电质3150的多个孔口3156。孔口3156被示出为圆柱形，但可以是任何合适的形状。第一电极、第二电极和第三电极可以各自至少部分地位于多个孔3156中的一个孔内。换句话说，电极的一部分可以位于孔口内和/或电极可以位于孔口的一部分内。根据可能实施方式，至少第二电极和第三电极仅部分地位于孔3156内，端部将位于介电质3150的外部。例如，第一电极3110可以至少部分地设置在多个孔3156的第一孔内。第二电极3120的第二端3122可以设置在多个孔3156的第二孔内。第三电极3130的第一端3131可以设置在多个孔3156的第三孔内。
参考图31B，介电质3150具有第一表面3151和第二表面3152。第一表面3151和第二表面3152平行于与轴线3160垂直的平面。在图31B所示的配置中，第一电极3110的第一端3111和第二电极3120的第一端3121延伸超过第一表面3151，并且相应的第一电极3110的第二端3112和第三电极3130的第二端3132延伸超过第二表面3152。
根据一实施方式，设备3100的电极基本上相对于彼此固定。例如，由于弯曲和其它力，电极可以允许相对于彼此的一些较小的相对移动。介电质3150和电极也可以相对于彼此自由移动。例如，介电质3150可以相对于第一电极、第二电极和第三电极平行于轴线3160移动。附加地或另选地，第一电极、第二电极和第三电极可以相对于介电质3150移动。介电质3150还可以采用其它形式，诸如一个或更多个段或构件。
根据可能的实施方式，介电质3150可以填充第一电极与第二电极3120之间的距离(例如，垂直于第一电极3110的第一长度的距离)的至少50％。例如，介电质3150可以填充所述距离的至少75％、所述距离的至少80％、所述距离的至少80％至90％之间的距离。然而，介电质3150可以填充距离的从1％到99％的任何量。介电质填充电极之间的间隙越多，每单位位移的电容变化越大，因此针对电极之间的给定偏压产生的力越大。介电质与电极之间应保留一些最小间隙，其受制于制造约束，以便介电质和电极保持相对于彼此可移动。
根据一实施方式，第一电容存在于第一电极3110与第二电极3120之间，并且第二电容存在于第一电极3110与第三电极3130之间。电极之间的电容是它们相对于介电质3150的位置的函数。例如，当介电质3150在平行于轴线3160的方向上相对于电极移动时，第一电容和第二电容的值可以在相反的方向上改变。因此，例如，当介电质3150移动并引起第一电容增加时，第二电容可以同时减小。然而，介电质3150上的相对于电极3110、3120和3130的静电力可以相对于位移基本上不变。
根据一实施方式，在MEMS设备3100的工作期间，来自第一电压源V1的电压被施加在第一电极3110与第二电极3120之间，从而产生相对恒定的力F1。来自第二电压源V2的电压被施加在第一电极3110与第三电极3130之间，以产生相对恒定的力F2。力F1和F2相反。如果结构相对对称并且电压源V1和V2的大小相等，则力F1和F2相等，因此在介电质与电极之间施加净零力。来自电压源V1和V2的电压大小可以不相等，以补偿结构的不对称性或有意在介电质与电极之间产生非零净力。
转到图32，现在将描述根据另一实施方式的介电质电机MEMS设备3200。在这个实施方式中，第一电极3110(来自图3)的功能由第一电互连电极集合3210-x执行，第二电极3120的功能由第二电互连电极集合3220-x执行，并且第三电极3130的功能由第三电互连电极集合3230-x执行。第二电极集合3220-x和第三电极集合3230-x可以在第一电极集合3210-x的任一侧上交错。这允许更多的电容以及电容随位移的变化的增加。也可以使用导电元件和介电质元件的其它构造，诸如条或环。
转到图33，示出了结合图32的MEMS设备3200的双振膜组件。双振膜组件3300包括联接到第一电极集合3210-x和第三电极集合3230-x的振膜3370。振膜3370具有垂直于轴线3360的表面3372。表面3372基本上是平面的(例如，平面的，但是在表面3372上具有缺陷，或者稍微弯曲或不平坦，同时仍然允许表面3372以对振膜有用的方式操作)。振膜3370可以由夹层制成。双振膜组件3300还包括位于介电质3350的与第一振膜3370相对的一侧上的第二振膜3374。第二振膜3374联接到第一电极集合3210-x和第二电极集合3220-x。第二振膜3374具有基本上平坦的表面3376并且垂直于轴线3360定向。第一振膜3370和第二振膜3374与介电质3350间隔开，以允许连接至第一振膜和第二振膜的电极与介电质3350之间的相对移动。
在一实施方式中，密封的低压区域被限定在振膜3370与3374之间。该低压区域用于减小组件3300的噪声和阻尼。第一电极集合3210-x(其连接到第一振膜3370和第二振膜3374二者)帮助防止振膜塌陷到介电质3350上。该低压区域可以基本上是真空(例如，具有小于1Torr、小于300mTorr或小于100mTorr的压力)。根据一实施方式，与振膜3370和3374相比，介电质3350相对厚且硬，并且当振膜3370和3374偏转时保持相对静止。振膜3370和3374的偏转使电极3210-x、3220-x和3230-x相对于介电质3350移动。
振膜3370和3374可以由介电质材料(诸如氮化硅)制成。然而，可以使用其它材料。例如，振膜3370、振膜3374和介电质3150中的一者或更多者可以是聚酰亚胺。
在一实施方式中，如果用作声传感器，则MEMS管芯3300如下操作。压力(例如，来自声波)到达至少一个振膜，使其弯曲并相对于介电质移动附接到振膜的电极，从而使各个元件之间的相应电容改变。电容的这种改变表现为从MEMS管芯3300输出的一个或更多个信号的改变。一个或更多个信号由IC读取和解释并传递到其它外部部件。
图34示出了包括来自图27的MEMS设备2700的所有元件，但是双振膜组件2701由双振膜介电质电机组件3300代替的MEMS设备3400。MEMS设备3400的其它功能类似于MEMS设备2700。
图35示出了MEMS设备3500包括来自图28A的MEMS设备2800的所有元件但双振膜组件2701由双振膜介电质电机组件3300代替的实施方式。MEMS设备3500的其它功能类似于MEMS设备2800。
针对本文中复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以根据上下文和/或应用在适当时从复数转变成单数和/或从单数转变成复数。为清楚起见，可以在本文中明确地阐述各种单数/复数置换。
除非另有说明，否则词语“近似”、“大约”、“大概”、“基本上”等的使用是指正负百分之十。
出于例示和描述的目的，呈现了例示性实施方式的前述描述。该描述不旨在是详尽的或者限于所公开精确形式，而是可以根据上述教导进行修改和改变，或者可以根据所公开实施方式的实践来获取。本发明的范围旨在通过附于此的权利要求书及其等同物来限定。

Claims (10)

1.一种微机电系统MEMS管芯，所述MEMS管芯包括：
活塞；
电极，所述电极面向所述活塞，其中，所述活塞与所述电极之间的电容随着所述活塞与所述电极之间的距离改变而改变；以及
弹性结构，所述弹性结构设置在所述活塞与所述电极之间，其中，所述弹性结构支撑所述活塞，所述弹性结构抵挡所述活塞相对于所述电极的移动，其中，由所述活塞和所述弹性结构界定后腔容积，并且所述弹性结构阻止空气离开所述后腔容积。
2.根据权利要求1所述的MEMS管芯，其中，所述后腔容积被所述活塞、所述弹性结构和所述电极包围。
3.根据权利要求1所述的MEMS管芯，其中，所述活塞是由导电材料制成的刚性体。
4.根据权利要求3所述的MEMS管芯，其中，所述导电材料是金属。
5.根据权利要求3所述的MEMS管芯，其中，所述导电材料是掺杂半导体。
6.根据权利要求1所述的MEMS管芯，所述MEMS管芯还包括设置在所述后腔容积内的第二弹性结构，其中，所述第二弹性结构支撑所述活塞。
7.一种传感器，所述传感器包括：
微机电系统MEMS管芯，所述MEMS管芯包括：
活塞；
电极，所述电极面向所述活塞，其中，在所述活塞与所述电极之间存在电容；以及
弹性结构，所述弹性结构设置在所述活塞与所述电极之间，
其中：
由所述活塞和所述弹性结构界定后腔容积，
所述弹性结构支撑所述活塞并且阻止空气离开所述后腔容积，并且
在所述传感器的工作期间，所述MEMS管芯输出基于由于所述活塞与所述电极之间的距离改变而引起的电容改变的信号。
8.一种微机电系统MEMS管芯，所述MEMS管芯包括：
壳体；
振膜，所述振膜跨所述壳体的开口设置，所述振膜包括第一电极，
其中，所述壳体和所述振膜限定后腔容积，并且所述后腔容积内的每个点距最近表面的距离小于热边界层厚度；以及
第二电极，所述第二电极设置在所述后腔容积外部并且面向所述振膜。
9.一种传感器，所述传感器包括：
微机电系统MEMS管芯，所述MEMS管芯包括：
壳体；
振膜，所述振膜跨所述壳体的开口设置，所述振膜包括第一电极，其中，所述壳体与所述振膜包围后腔容积；
第二电极，所述第二电极设置在所述后腔容积外部并且面向所述振膜；
其中：
所述后腔容积内的每个点距最近表面的距离小于热边界层厚度，并且
在所述传感器的工作期间，所述MEMS管芯输出基于所述第一电极与所述第二电极之间的电容的信号，所述第一电极与所述第二电极之间的所述电容由于所述第一电极与所述第二电极之间的距离的改变而改变。
10.一种微机电系统MEMS管芯，所述MEMS管芯包括：
壳体；
第一振膜，所述第一振膜跨所述壳体的开口设置，其中，所述壳体和所述第一振膜限定后腔容积，并且所述后腔容积内的每个点距最近表面的距离小于热边界层厚度；
第二振膜，所述第二振膜设置在所述后腔容积外部并且面向所述第一振膜；
固体介电质，所述固体介电质设置在所述第一振膜与所述第二振膜之间，所述固体介电质具有多个孔口；
第一电极，所述第一电极的第一端联接到所述第一振膜并且所述第一电极的第二端联接到所述第二振膜，所述第一电极延伸穿过所述多个孔口中的孔口；
第二电极，所述第二电极纵向定向并平行于所述第一电极，所述第二电极的第一端附接到所述第二振膜并且所述第二电极的第二端设置在所述多个孔口中的孔口内；以及
第三电极，所述第三电极纵向定向并平行于所述第一电极和所述第二电极，所述第三电极的第一端附接到所述第一振膜并且所述第三电极的的第二端设置在所述多个孔口中的孔口内。
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