CN115226012A - 具有力反馈的降噪mems装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有力反馈的降噪MEMS装置。微机电系统MEMS设备包括振膜组件和力反馈系统。振膜组件包括第一振膜和面向第一振膜的第二振膜，在第一振膜和第二振膜之间限定了低压区域。振膜组件还包括第一多个电极、第二多个电极和第三多个电极。固体介电质间隔在第一振膜和第二振膜之间并且包括多个孔。第一多个电极、第二多个电极和第三多个电极中的每个电极至少部分地设置在多个孔中的一个孔内。力反馈系统接收来自振膜组件的输出并产生反馈电压，该反馈电压被施加到振膜组件以在振膜组件上产生静电力，该静电力抵消跨振膜组件的低频压力。

Description

具有力反馈的降噪MEMS装置
技术领域
本公开总体上涉及降噪的微机电系统(MEMS)装置，并且更具体地，涉及具有降噪结构和力反馈系统的MEMS装置。
背景技术
MEMS装置用于各种应用。例如，许多类型的声学传感器包括具有振膜和背板的MEMS管芯以及集成电路，其中，背板和振膜之间的相对运动导致电容变化，该变化由集成电路检测并最终被解释为声音。与任何声学传感器一样，使噪声最小通常是设计目标。
发明内容
本发明的一方面涉及一种微机电系统装置，所述微机电系统装置包括：振膜组件，所述振膜组件包括：第一振膜，所述第一振膜具有第一面和第二面；第二振膜，所述第二振膜的第一面面向所述第一振膜的第一面，并且所述第二振膜的第二面背离所述第一振膜，在所述第一振膜的第一面和所述第二振膜的第一面之间限定了低压区域；第一多个电极，所述第一多个电极中的每个电极具有连接到所述第一振膜的第一面的第一端部和连接到所述第二振膜的第一面的第二端部；以及第二多个电极，所述第二多个电极中的每个电极具有连接到所述第一振膜的第一面的第一端部、以及第二自由端部；第三多个电极，所述第三多个电极中的每个电极具有第一自由端部和连接到所述第二振膜的第一面的第二端部；以及固体介电质，所述固体介电质间隔在所述第一振膜和所述第二振膜之间，并且所述固体介电质包括多个孔，其中，所述第一多个电极、所述第二多个电极和所述第三多个电极中的每个电极至少部分地设置在所述多个孔中的一个孔内，所述固体介电质围绕所述第二多个电极中的每个电极的第二端部和所述第三多个电极中的每个电极的第一端部；以及力反馈系统，所述力反馈系统接收来自所述振膜组件的输出并产生反馈电压，所述反馈电压被施加到所述振膜组件，以在所述振膜组件上产生静电力，所述静电力抵消跨所述振膜组件的低频压力。
本发明的另一方面涉及一种微机电系统装置，所述微机电系统装置包括：振膜组件，所述振膜组件包括：第一振膜，所述第一振膜具有第一面和第二面；第二振膜，所述第二振膜的第一面面向所述第一振膜的第一面，所述第二振膜的第二面背离所述第一振膜，在所述第一振膜的第一面和所述第二振膜的第一面之间限定了低压区域；第一多个电极，所述第一多个电极中的每个电极具有连接到所述第一振膜的第一面的第一端部和连接到所述第二振膜的第一面的第二端部；第二多个电极，所述第二多个电极中的每个电极具有连接到所述第一振膜的第一面的第一端部、以及第二自由端部；第三多个电极，所述第三多个电极中的每个电极具有第一自由端部和连接到所述第二振膜的第一面的第二端部；以及固体介电质，所述固体介电质间隔在所述第一振膜和所述第二振膜之间并且包括多个孔，其中，所述第一多个电极、所述第二多个电极和所述第三多个电极中的每个电极至少部分地设置在所述多个孔中的一个孔内，所述固体介电质围绕所述第二多个电极中的每个电极的第二端部和所述第三多个电极中的每个电极的第一端部；通道结构，所述通道结构穿过所述第一振膜和所述第二振膜设置，其中，所述通道结构提供所述第一振膜的第二面和所述第二振膜的第二面之间的流体连通，并且其中，所述通道结构被配置为将设置在所述第一振膜的第一面和所述第二振膜的第一面之间的所述低压区域保持在所述通道结构的外部。
附图说明
本公开的前述和其它特征将通过结合附图从以下描述和所附权利要求变得更加明显。这些附图仅描绘了根据本公开的多个实施方式，因此不应被认为是对其范围的限制。
图1是根据一个实施方式的MEMS管芯的横截面图。
图2是图1的MEMS管芯的横截面图，示出了图1的在虚线圆2内的部分的放大图。
图3是根据一个实施方式的电极的示例性布置的局部剖切示意图。
图4是根据一个实施方式的电极的示例性布置的另一个局部剖切示意图。
图5是根据一个实施方式的MEMS管芯的横截面示意性透视图。
图6是根据一个实施方式的MEMS管芯的一部分的横截面示意图，示出了穿过振膜组件的通道。
图7是根据一个实施方式的壳体的横截面示意性透视图。
图8是根据另一个实施方式的壳体的横截面示意性透视图。
图9是根据一个实施方式的麦克风组件的横截面图。
图10是力反馈系统的第一实施方式的电气图。
图11是力反馈系统的第二实施方式的电气图。
在以下详细描述中，参考附图描述各种实施方式。本领域技术人员将理解，附图是示意性的并且为了清楚起见而被简化。相同的附图标记始终指代相同的元件或组件。因此，类似的元件或组件将不必针对每幅图进行详细描述。
具体实施方式
根据本文所述的各种实施方式，MEMS管芯可以包括具有一个或更多个电极的双振膜，该电极设置在位于双振膜之间的低压区域内，例如，如于2020年12月23日提交的美国申请No.17/133,506中所示的并且其全部内容在此并入本文中。这种振膜结构布置可用于降低通常在MEMS结构内与空气相关的声学阻尼噪声。在2020年9月30日提交的美国申请No.17/037,959中示出了具有用于减少后腔容积中的热边界层噪声的小型化后腔容积的MEMS管芯，并且其全部内容在此并入本文中。由低压振膜结构和小型化后腔容积的结合构成并用作例如换能器的MEMS管芯仍然可以产生可以使用本文描述的各种实施方式降低的声学噪声。
根据一个实施方式，一种微机电系统(MEMS)装置包括振膜组件和设置在振膜组件的一面的壳体，该振膜组件包括第一振膜、面向第一振膜的第二振膜，在第一振膜和第二振膜之间限定了低压区域。振膜组件还包括：第一多个电极，第一多个电极中的每个电极具有连接到第一振膜的第一面的第一端部和连接到第二振膜的第二端部；第二多个电极，第二多个电极中的每个电极具有连接到第一振膜的第一端部、以及第二自由端部；以及第三多个电极，第三多个电极中的每个电极具有第一自由端部和连接到第二振膜的第二端部。固体介电质间隔在第一振膜和第二振膜之间并且包括多个孔。第一多个电极、第二多个电极和第三多个电极中的每个电极至少部分地设置在多个孔中的一个孔内，并且介电质围绕第二多个电极中的每个电极的第二端部和第三多个电极中的每个电极的第一端部。MEMS装置还包括力反馈系统，其接收来自振膜组件的输出并产生反馈电压，该反馈电压被施加到振膜组件以在振膜组件上产生静电力，该静电力抵消跨振膜组件的低频压力。
在一个实施方式中，所述MEMS装置包括壳体，所述壳体设置在所述第一振膜的与第一面相反的第二面上。壳体限定后腔容积的边界，其中，后腔容积内的所有点距壳体的最近表面的距离小于单个热边界层厚度。
根据一个实施方式，MEMS装置还包括穿过第一振膜和第二振膜设置的通道结构，其中，通道结构提供第一振膜的第二面和第二振膜的第二面之间的流体连通，并且其中，通道结构被配置为将设置在第一振膜的第一面和第二振膜的第一面之间的低压区域保持在通道结构的外部。
在一个实施方式中，MEMS装置还包括力反馈系统，该力反馈系统包括差分放大器。力反馈系统还包括：第一电连接，其在第二多个电极的至少第一子集的第一端部与差分放大器的第一输入端之间；以及第二电连接，其在第三多个电极的至少第一子集的第二端部与差分放大器的第二输入端之间。包括了频率滤波电路，频率滤波电路的输入端连接到差分放大器的输出端。力反馈系统还包括反馈放大器，其输入端连接到频率滤波电路的输出端并且其输出端连接到第一多个电极的未连接到电压源的第二子集的输出端。振膜组件响应于压力的运动在差分放大器的输出端处产生电压信号，该电压信号被频率滤波电路滤波以选择信号的低于预定频率的一部分，并且信号的选定部分被提供给反馈放大器以产生反馈电压，该反馈电压被施加到第一多个电极的第二子集。反馈电压在振膜组件上产生静电力，所述静电力抵消了压力。
转到图1，以横截面示意性地示出了根据一个实施方式的MEMS管芯。通常标记为100的MEMS管芯包括基板110，基板110具有形成在基板中的开口116。在一个实施方式中，基板110是长方体，但是在其它实施方式中，它可以是任何形状。在一个实施方式中，振膜组件106围绕其周边附接至基板110并且在开口116上方。开口116通常是圆形的，但可以是任何形状。在一个实施方式中，基板110由硅制成。
参考图2，图1的MEMS管芯100的一部分被稍微放大示出。在一个实施方式中，振膜组件106包括具有第一面124和第二面125的第一振膜106A。振膜组件106还包括具有第一面128和第二面129的第二振膜106B，其第一面128面向第一振膜106A的第一面124，其第二面129背离第一振膜106A。低压区域被限定在第一振膜106A的第一面124和第二振膜106B的第一面128之间的空间112中。在一个实施方式中，低压区域的压力小于约0.003个大气压。在另一个实施方式中，低压区域的压力小于约0.001个大气压。
在一个实施方式中，第一多个电极120设置在第一振膜106A和第二振膜106B之间。第一多个电极120中的每个电极具有连接到第一振膜106A的第一面124的第一端部122和连接到第二振膜106B的第一面128的第二端部126。在一个实施方式中，振膜组件106还包括设置在第一振膜106A和第二振膜106B之间的第二多个电极130。第二多个电极130中的每个电极具有连接到第一振膜106A的第一面124的第一端部132、以及第二自由端部134。在一个实施方式中，振膜组件106还包括设置在第一振膜106A和第二振膜106B之间的第三多个电极140。第三多个电极140中的每个电极具有第一自由端部142和连接到第二振膜106B的第一面128的第二端部144。
仍然参考图2，在一个实施方式中，固体介电质150间隔在第一振膜106A和第二振膜106B之间，并且包括多个孔160。第一多个电极120、第二多个电极130和第三多个电极140中的每个电极至少部分地设置在多个孔160中的一个孔内。固体介电质150围绕第二多个电极130中的每个电极的第二端部134和多个第三电极140中的每个电极的第一端部142。第一多个电极120、第二多个电极130、第三多个电极140可以是圆柱、板、长方体、棱柱、多面体或其它形状的电极，并且可以由任何导电材料制成。
在一个实施方式中，第一振膜106A和第二振膜106B以及固体介电质150中的每个至少包括绝缘材料层107。绝缘材料107可以是本领域已知的在牺牲层去除工艺中不会被损坏的任何绝缘材料。例如但不限于，绝缘材料107可以是氮化硅、氮氧化硅、金属氧化物、聚合物、不被牺牲层去除工艺损坏的材料、以及它们的组合。
再次参考图1，在一个实施方式中，固体介电质150被设置成其外围通过间隔层182附接在第一振膜106A和第二振膜106B之间。在一个实施方式中，第二振膜106B的外围通过间隔层184(图1中未示出-参见图5)进一步附接到基板110。在一个实施方式中，第一振膜层106A附接到限定后腔容积175(见下文)的壳体170。在一个实施方式中，第一振膜层106A和壳体170之间的附接是如图1所示的直接附接。在另一个实施方式中，第一振膜层106A和壳体170之间的附接是经由可选的间隔层(未示出但例如图5所示的间隔层184)做出的。
在一个实施方式中，振膜组件106和固体介电质150在平面图中都是圆形的(如图1中沿标记为A的箭头所示)，但在其它实施方式中可以是任何形状。在一个实施方式中，间隔层182具有弯曲的内壁182A。基板110也具有弯曲的内壁110A，其限定了延伸穿过基板110到达周围环境的开口116。间隔层182、184由如上所述的任何绝缘材料107制成。
在一个实施方式中，与第一振膜106A和第二振膜106B相比，固体介电质150相对较厚并较硬，并且在第一振膜106A和第二振膜106B偏转时保持相对静止。第一振膜106A和第二振膜106B的偏转使第一多个电极120、第二多个电极130和第三多个电极140相对于固体介电质150移动。
在一个实施方式中，固体介电质150的厚度为约3微米；然而，在其它实施方式中，固体介电质150的厚度可以在约1微米至约10微米之间的范围内。此外，在一个实施方式中，固体介电质具有为圆柱形且直径约3微米的孔；然而，在其它实施方式中，孔可以具有任何横截面形状和/或可以具有在约0.6微米至约6微米之间的范围内的最大横截面尺寸。在一个实施方式中，间隔层182、184的厚度是约1.5微米；然而，在其它实施方式中，间隔层182、184的厚度可以是在约0.1微米至约10微米之间的范围内。在一个实施方式中，第一振膜106A和第二振膜106B约为0.5微米厚；然而，在其它实施方式中，第一振膜106A和第二振膜106B可以具有在约0.1微米至2微米之间的范围内的厚度。在一个实施方式中，第一多个电极120、第二多个电极130和第三多个电极140由多晶硅制成并且是圆柱形的并且直径约为2微米；然而，在其它实施方式中，第一多个电极、第二多个电极和第三多个电极140可以由其它导电材料制成并且可以具有其它形状和/或具有在约0.5微米至5微米之间的最大横截面尺寸。
参照图3，示意性地示出了第一多个电极120和第三多个电极140的示例性布置以及第二振膜106B的一部分。如图3所示，在一个实施方式中，第一多个电极120中的每个电极例如通过可以层叠到第二振膜106B的电迹线或电线121(和/或可以层叠到第一振膜106A上或中的电迹线或电线123-参见图4)彼此电连接。在其它实施方式中，第一多个电极120的第一子集中的每个电极彼此电连接，并且第一多个电极120的第二子集中的每个电极例如通过电迹线或电线121彼此连接，如图3所示，但是第一子集不电连接到第二子集。
类似地，仍然参考图3，在一个实施方式中，第三多个电极140中的每个电极例如通过可以层叠到第二振膜106B上或中的电迹线或电线141彼此电连接。在其它实施方式中，第三多个电极140的第一子集中的每个电极彼此电连接，并且第三多个电极140的第二子集中的每个电极例如通过如图3所示的电迹线或电线141彼此连接，但第一子集不电连接到第二子集。
参考图4，第一多个电极120和第二多个电极130的示例性布置以及第一振膜106A的一部分被示意性地示出。如图4所示，在一个实施方式中，第一多个电极120中的每个电极例如通过可以层叠到第一振膜106A上或中的电迹线或电线123彼此电连接。在其它实施方式中，第一多个电极120的第一子集中的每个电极彼此电连接，并且第一多个电极120的第二子集中的每个电极例如通过如图4所示的电迹线或电线123彼此连接，但是第一子集不电连接到第二子集。类似地，仍然参考图4，在一个实施方式中，第二多个电极130中的每个电极例如通过可以层叠到第一振膜106A上或中的电迹线或电线131彼此电连接。在其它实施方式中，第二多个电极130的第一子集中的每个电极彼此电连接，并且第二多个电极130的第二子集中的每个电极例如通过如图4所示的电迹线或电线131彼此连接，但是第一子集不电连接到第二子集。
参考图5，在一个实施方式中，第二多个电极130中的一个或更多个电极与第三多个电极140中的一个或更多个电极同轴设置。在一个实施方式中，第二多个电极130中的一个或更多个电极的第二端部134通过介电支撑层152连接到第三多个电极140中的一个或更多个电极的第一端部142。在一个实施方式中，介电支撑层152由与固体介电质150相同的材料制成。
参考图6，在一个实施方式中，至少一个通道114完全穿过振膜组件106设置，在振膜组件106的一面上的开口116和振膜组件106的相反面的后腔容积175之间提供流体连通106。在一个实施方式中，如在本领域中期望的或已知的任何横截面形状的第一穿孔114A被设置为穿过第一振膜106A，并且本领域中期望的或已知的任何横截面形状的第二穿孔114B被设置为穿过第二振膜106B。
仍参考图6，已添加中心线C和径向轴线R以用于对以下描述的参考。在一个实施方式中，通道结构118完全穿过第一振膜106A和第二振膜106B设置。通道结构118分别在第一振膜106A的第二面125和第二振膜106B的第二面129之间提供流体连通。通道结构118被配置为将低压区域保持在分别设置在第一振膜106A的第一面124和第二振膜106B的第一面128之间的空间112内。例如，在一个实施方式中，通道结构118在第一端部被密封到振膜层106A的材料并且在第二相对端部被密封到振膜层106B的材料。
在一个实施方式中，如图6示意性所示的，通道结构118被制造为空心管状结构的实心壁，该空心管状结构是连接在第一振膜106A和第二振膜106B之间的第一多个电极120中的一个电极。第一穿孔114A和第二穿孔114B设置在空心管状结构的壁内部。在一个实施方式中，第一穿孔114A和第二穿孔114B跨通道结构118的整个开口端部延伸。在其它实施方式中，第一穿孔和第二穿孔跨通道结构118的开口端部的仅一部分延伸和/或者分别由第一振膜层106A和第二振膜层106B的材料限定边界。在一个实施方式中，通道结构118包括直圆柱体；然而，在其它实施方式中，通道结构可以具有不同的形状，包括在其开口端部之间的变化横截面。
至少一个通道114允许后腔容积175和周围环境之间的压力平衡。至少一个通道114对于最终由MEMS管芯100制成的装置的低频滚降(LFRO)性能是重要的，并且在一些实施方式中，可以存在穿过振膜组件106设置的多于一个通道114。
再次参考图1和图2，在一个实施方式中，壳体170设置在第一振膜106A的与第一面124相反的第二面125上。壳体170限定后腔容积175，其中，在后腔容积175内的所有点距壳体175的最近表面的距离小于单个热边界层厚度Tbl。边界层厚度由下式给出：
Figure BDA0003594025390000081
其中，ω是振膜组件106的工作角频率，κ是热导率，ρ是密度并且Cp是后腔容积175内的气体在恒定压力下的比热。
图1中所示的壳体170的横截面图可以表示壳体170的两个不同实施方式。例如，在一个实施方式中(也参见图7)，壳体170包括大体平行于振膜组件106设置的后壁172和从后壁172延伸并且大体上垂直于振膜组件106定向(图7中未示出)的多个细长柱174。在另一个实施方式中，图1还可以表示壳体170中设置有多个细长通道176的几何形状，其中，多个通道176大体上垂直于振膜组件106定向，在面向振膜组件106的端部处是开口的并且在背离振膜组件106的端部处是封闭的。在另一个实施方式中，壳体170包括多孔材料178，如图8所示。
转到图9，MEMS管芯100的实施方式用作声换能器100并且被配置为装配在通常标记为300的麦克风组件内。组件300包括外壳，该外壳包括具有第一表面305和相反的第二表面307的基部302。外壳还包括盖304(例如，外壳盖)和声学端口306。在一个实施方式中，端口306在第一表面305和第二表面307之间延伸。在一种实现中，基部302为印刷电路板。盖304联接到基部302(例如，盖304可以安装到基部302的外围边缘上)。盖304和基部302一起限定了具有封闭容积308的外壳内部。包括振膜组件106和壳体170的声换能器100设置在外壳内部，使得第二振膜106B在端口306上方并且壳体170在振膜组件106上方。
如图9所示，声学端口306设置在基部302上并且被构造成将声波传送到位于封闭容积308内的MEMS声换能器100。在一些实施方式中，组件300形成紧凑型计算设备(例如，便携式通信设备、智能手机、智能扬声器、物联网(IoT)设备等)的部分，其中，可以集成一个、两个、三个或更多个组件以用于拾取和处理各种类型的声学信号，诸如语音和音乐。
组件300包括设置在封闭容积308内的电路。在一个实施方式中，该电路包括集成电路(IC)310。在一个实施方式中，IC 310例如在外壳的内部IC 310设置在基部302的第一表面305上，并且电连接到振膜组件106。IC 310可以是专用集成电路(ASIC)。另选地，IC310可以包括集成各种模拟、模数和/或数字电路的半导体管芯。在一个实施方式中，盖304设置在基部302的第一表面305上，覆盖MEMS声换能器100和IC 310。
在盖304和MEMS换能器100的外表面之间的封闭容积部分308在声学上不是活性的。盖304通常在围绕其周边的区域中被焊接到基部302，这将导致封闭容积部分308内的压力在焊接期间急剧增加。为了防止焊料从焊接区域被吹出，在一个实施方式中，盖304包括通向外部大气的通气孔316和/或焊接区域是不连续的，例如，具有贯穿其设置的一个或更多个开口318，使得盖304和基部302之间的空气可以逸出。
在图9的组件300中，MEMS声换能器100被示出为设置在基部302的第一表面305上。MEMS声换能器100将通过声学端口306接收的声波转换成相应的电麦克风信号，并响应于入射在端口306上的声学活动在换能器输出端处生成电信号(例如电压)。如图9所示，振膜组件106通过一个或更多个焊接线电连接到电路。图9的组件300还包括电触点，其被示意性地显示为触点314，通常设置在基部302的底面上。触点314电联接到电路。触点314被配置为将组件300电连接到多种主机设备之一。
上文已经描述了MEMS管芯100的结构方面。下文描述与MEMS管芯100连接(并且例如包括在IC 310内)的电路的实施方式。
参考图10，在一个实施方式中，电压源405至少电连接到第一多个电极120的第一子集以向第一多个电极120的第一子集提供相对于地的电压偏置。如图10中的虚线所示，力反馈系统400电连接到振膜组件106。在一个实施方式中，力反馈系统400是包括差分放大器410的电路，该差分放大器410接收来自振膜组件106的电极的输入。特别地，在一个实施方式中，在第二多个电极130的第一子集的第一端部132与差分放大器410的第一输入端430之间存在第一电连接420。在一个实施方式中，在第三多个电极140的第一子集的第二端部144和差分放大器410的第二输入端450之间还存在第二电连接440。
仍然参考图10，在一个实施方式中，力反馈系统400还包括频率滤波电路460(被标记为LPF，其表示低通滤波器)，其输入端连接到差分放大器410的输出端。力反馈系统400包括反馈放大器470，其输入端连接到频率滤波电路460的输出端。在一个实施方式中，力反馈系统400可选地包括脉宽调制(PWM)电路480，其输入端连接到反馈放大器470的输出端，并且其输出端连接到第一多个电极120的未连接到电压源405的第二子集的输出端。在没有可选PWM电路480的情况下，反馈放大器470的输出端直接连接到第一多个电极120的未连接到电压源405的第二子集。第二多个电极130的第二子集连接到电压源405，而第三多个电极140的第二子集接地。
在操作中，关于图10描述的结合了MEMS管芯100和力反馈系统400的MEMS装置处理由振膜组件106的运动产生的电信号，同时还向振膜组件106提供反馈力。具体地，在一个实施方式中，振膜组件106的运动在差分放大器410的输出端处产生电压信号。电压信号由频率滤波电路460滤波以选择信号的低于预定频率的一部分。在一个实施方式中，预定频率是35Hz。在其它实施方式中，可以根据需要使用任何不同的预定频率，例如，预定频率可以是10Hz、15Hz、20Hz、25Hz、30Hz、35Hz、40Hz、45Hz、50Hz、55Hz、60Hz、65Hz、70Hz、75Hz、80Hz、85Hz、90Hz、95Hz、100Hz、这些所列值之间的任何频率、低于10Hz的频率、或高于100Hz的频率。
通过穿孔114A和114B的阻力和后腔容积175的有效兼容性所确定的声学低通频率应低于由频率滤波电路460设置的预定频率。声学低通频率通常小于20Hz，例如10Hz、5Hz、1Hz、0.1Hz或0.01Hz。通过降低声学低通频率，降低了MEMS设备(例如麦克风)的整体声学噪声。通过使用具有高于声学低通频率的预定频率的力反馈，麦克风输出被限制在公共音频频带，并且避免了来自亚可听信号的潜在过载。
信号的选定部分被提供给反馈放大器470和可选PWM电路480以产生反馈电压，该反馈电压被施加到第一多个电极120的第二子集。反馈电压在振膜组件106上产生静电力，所述静电力抵消了压力。例如，通过利用35Hz的频率，可以通过由期望电路提供的力反馈来去除可能使振膜组件过载的频率为35Hz及以下的大的声学脉冲。
参考图11，在另一个实施方式中，与MEMS管芯100连接的力反馈系统500与关于图10描述的力反馈系统400有些不同。在图11所示的实施方式中，第一电压源505电连接到第二多个电极130的第一端部132以向第二多个电极130提供相对于地的电压偏置。第二电压源510电连接到第三多个电极140的第二端部144以向第三多个电极140提供相对于地的电压偏置。力反馈系统500包括接收来自振膜组件106的电极的输入的第一放大器520。特别地，在一个实施方式中，在第一多个电极120的至少第一子集和第一放大器520的输入端之间存在第一电连接530。
仍然参考图11，在一个实施方式中，力反馈系统500还包括频率滤波电路540(被标记为LPF，其表示低通滤波器)，其输入端连接到第一放大器520的输出端。该电路包括第二放大器550，其输入端连接到频率滤波电路540的输出端。第二放大器550的输出端连接到第一多个电极120的第二子集。
在操作中，关于图11描述的结合了MEMS管芯100和力反馈系统500的MEMS装置处理由振膜组件106的运动产生的电信号，同时还向振膜组件106提供反馈力。特别地，通过还对来自第一放大器520的电压信号进行滤波以选择信号的低于预定频率(该预定频率可以是任何频率，如上文关于图10所述的)的一部分，图11中的电路的实施方式像关于图10描述的力反馈系统400那样起作用。
再次，信号的选定部分被提供给第二放大器550以产生反馈电压，该反馈电压被施加到第一多个电极120的第二子集。反馈电压在振膜组件106上产生静电力，所述静电力抵消了引起振膜组件106运动的压力。
在关于图10和图11的电路中描述的组件仅作为示例，并且可以使用组件的其它组合来执行力反馈。例如，放大器可以是具有单位增益或其它增益的任何类型的放大器。
用于生产如上所述的MEMS管芯100的生产过程中的步骤包括在工件上执行的蚀刻、掩模、图案化、切割、钻孔和/或释放步骤。因此，本文不再详细描述所有步骤。然而，通常MEMS管芯100的最终终止作为空间112和后腔容积175的部分使用牺牲材料被分层放置到工件上，或者从固体材料块中钻孔或蚀刻出来。
关于此处使用的复数和/或单数术语，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翻译成单数和/或从单数翻译成复数。为了清楚起见，可以在本文中明确阐述各种单数/复数置换。
除非另有说明，否则“近似”、“大约”、“约”、“基本上”等词语的使用表示正负10％。
已经出于说明和描述的目的呈现了说明性实施方式的前述描述。对于所公开的精确形式，其不旨在是穷举的或是限制性的，并且修改和变化根据以上教导是可能的，或者可以从所公开的实施方式的实践中获得。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等同物来定义。

Claims (22)

1.一种微机电系统装置，所述微机电系统装置包括：
振膜组件，所述振膜组件包括：
第一振膜，所述第一振膜具有第一面和第二面；
第二振膜，所述第二振膜的第一面面向所述第一振膜的第一面，并且所述第二振膜的第二面背离所述第一振膜，在所述第一振膜的第一面和所述第二振膜的第一面之间限定了低压区域；
第一多个电极，所述第一多个电极中的每个电极具有连接到所述第一振膜的第一面的第一端部和连接到所述第二振膜的第一面的第二端部；以及
第二多个电极，所述第二多个电极中的每个电极具有连接到所述第一振膜的第一面的第一端部、以及第二自由端部；
第三多个电极，所述第三多个电极中的每个电极具有第一自由端部和连接到所述第二振膜的第一面的第二端部；以及
固体介电质，所述固体介电质间隔在所述第一振膜和所述第二振膜之间，并且所述固体介电质包括多个孔，
其中，所述第一多个电极、所述第二多个电极和所述第三多个电极中的每个电极至少部分地设置在所述多个孔中的一个孔内，所述固体介电质围绕所述第二多个电极中的每个电极的第二端部和所述第三多个电极中的每个电极的第一端部；以及
力反馈系统，所述力反馈系统接收来自所述振膜组件的输出并产生反馈电压，所述反馈电压被施加到所述振膜组件，以在所述振膜组件上产生静电力，所述静电力抵消跨所述振膜组件的低频压力。
2.根据权利要求1所述的微机电系统装置，其中，所述力反馈系统接收来自所述第一多个电极的第一子集的输出，并且所述反馈电压被施加到所述第一多个电极的第二子集以产生所述静电力。
3.根据权利要求1所述的微机电系统装置，其中，所述力反馈系统接收来自所述第二多个电极的子集和所述第三多个电极的子集的输出，并且所述反馈电压被施加到所述第一多个电极的子集以产生所述静电力。
4.根据权利要求1所述的微机电系统装置，其中，所述第一多个电极、所述第二多个电极和所述第三多个电极能相对于所述固体介电质移动。
5.根据权利要求1所述的微机电系统装置，其中
至少所述第一多个电极的子集彼此电连接，
至少所述第二多个电极的子集彼此电连接，并且
至少所述第三多个电极的子集彼此电连接。
6.根据权利要求1所述的微机电系统装置，其中，所述第二多个电极中的一个或更多个电极与所述第三多个电极中的一个或更多个电极同轴设置。
7.根据权利要求6所述的微机电系统装置，其中，所述第二多个电极中的一个或更多个电极的第二端部通过介电支撑层连接到所述第三多个电极中的一个或更多个电极的第一端部。
8.根据权利要求1所述的微机电系统装置，所述微机电系统装置还包括穿过所述第一振膜和所述第二振膜设置的通道结构，其中，所述通道结构提供所述第一振膜的第二面和所述第二振膜的第二面之间的流体连通，并且其中，所述通道结构被配置为将设置在所述第一振膜的第一面和所述第二振膜的第一面之间的所述低压区域保持在所述通道结构的外部。
9.根据权利要求1所述的微机电系统装置，所述微机电系统装置还包括：
集成电路；
外壳，所述外壳包括：
基部，所述基部具有第一表面、相反的第二表面和端口；
盖，所述盖附接至所述基部的所述第一表面，其中，所述盖和所述基部限定所述外壳的内部，
其中，所述端口在所述第一表面和所述第二表面之间延伸，并且所述振膜组件设置在所述外壳的内部，使得所述第二振膜位于所述端口上方；以及
其中，所述集成电路设置在所述外壳的内部并且电连接到所述振膜组件。
10.根据权利要求9所述的微机电系统装置，所述微机电系统装置还包括从由穿过所述盖设置的通气孔、设置在所述盖和所述基部之间的一个或更多个开口、以及它们的组合组成的开孔组中选择的开孔。
11.根据权利要求1所述的微机电系统装置，所述微机电系统装置还包括设置在所述第一振膜的与第一面相反的第二面上的壳体，所述壳体限定后腔容积，其中，在所述后腔容积内的所有点距所述壳体的最近表面的距离小于单个热边界层厚度。
12.根据权利要求11所述的微机电系统装置，其中，所述壳体包括：后壁，所述后壁平行于所述振膜组件设置；以及多个细长柱，所述多个细长柱从所述后壁延伸，并且垂直于所述振膜组件定向。
13.根据权利要求11所述的微机电系统装置，其中，所述壳体包括设置在所述壳体中的多个细长通道，其中，所述多个细长通道垂直于所述振膜组件定向，在面向所述振膜组件的端部处是开口的，并且在背对所述振膜组件的端部处是封闭的。
14.根据权利要求11所述的微机电系统装置，其中，所述壳体包括多孔材料。
15.根据权利要求1所述的微机电系统装置，所述微机电系统装置还包括：
电压源，所述电压源至少电连接到所述第一多个电极的第一子集，以向所述第一多个电极的第一子集提供相对于地的电压偏置，
其中，所述力反馈系统包括：
差分放大器；
第一电连接，所述第一电连接在所述第二多个电极的至少第一子集的第一端部与所述差分放大器的第一输入端之间；以及
第二电连接，所述第二电连接在所述第三多个电极的至少第一子集的第二端部与所述差分放大器的第二输入端之间。
16.根据权利要求15所述的微机电系统装置，其中，所述力反馈系统还包括：
频率滤波电路，所述频率滤波电路的输入端连接到所述差分放大器的输出端；以及
反馈放大器，所述反馈放大器的输入端连接到所述频率滤波电路的输出端。
17.根据权利要求16所述的微机电系统装置，其中：
所述反馈放大器的输出端连接到所述第一多个电极的未连接至所述电压源的第二子集；以及
所述振膜组件响应于压力的运动在所述差分放大器的输出端处产生电压信号，所述电压信号由所述频率滤波电路进行滤波，以选择所述电压信号的低于预定频率的一部分，并且所述电压信号的选定部分被提供给所述反馈放大器以产生反馈电压，所述反馈电压被施加到所述第一多个电极的第二子集，其中，所述反馈电压在所述振膜组件上产生静电力，所述静电力抵消了所述压力。
18.根据权利要求1所述的微机电系统装置，所述微机电系统装置还包括：
第一电压源，所述第一电压源电连接到所述第二多个电极的第一端部，以向所述第二多个电极提供相对于地的电压偏置；
第二电压源，所述第二电压源电连接到所述第三多个电极的第二端部，以向所述第三多个电极提供相对于地的电压偏置；
其中，所述力反馈系统包括：
第一放大器；以及
第一电连接，所述第一电连接在所述第一多个电极的至少第一子集和所述第一放大器的输入端之间。
19.根据权利要求18所述的微机电系统装置，其中：
所述力反馈系统还包括：频率滤波电路，所述频率滤波电路的输入端连接到所述第一放大器的输出端；以及第二放大器，所述第二放大器的输入端连接到所述频率滤波电路的输出端；以及
所述第二放大器的输出端连接到所述第一多个电极的第二子集。
20.一种微机电系统装置，所述微机电系统装置包括：
振膜组件，所述振膜组件包括：
第一振膜，所述第一振膜具有第一面和第二面；
第二振膜，所述第二振膜的第一面面向所述第一振膜的第一面，所述第二振膜的第二面背离所述第一振膜，在所述第一振膜的第一面和所述第二振膜的第一面之间限定了低压区域；
第一多个电极，所述第一多个电极中的每个电极具有连接到所述第一振膜的第一面的第一端部和连接到所述第二振膜的第一面的第二端部；
第二多个电极，所述第二多个电极中的每个电极具有连接到所述第一振膜的第一面的第一端部、以及第二自由端部；
第三多个电极，所述第三多个电极中的每个电极具有第一自由端部和连接到所述第二振膜的第一面的第二端部；以及
固体介电质，所述固体介电质间隔在所述第一振膜和所述第二振膜之间并且包括多个孔，
其中，所述第一多个电极、所述第二多个电极和所述第三多个电极中的每个电极至少部分地设置在所述多个孔中的一个孔内，所述固体介电质围绕所述第二多个电极中的每个电极的第二端部和所述第三多个电极中的每个电极的第一端部；
通道结构，所述通道结构穿过所述第一振膜和所述第二振膜设置，其中，所述通道结构提供所述第一振膜的第二面和所述第二振膜的第二面之间的流体连通，并且其中，所述通道结构被配置为将设置在所述第一振膜的第一面和所述第二振膜的第一面之间的所述低压区域保持在所述通道结构的外部。
21.根据权利要求20所述的微机电系统装置，所述微机电系统装置还包括：
电压源，所述电压源至少电连接到所述第一多个电极的第一子集，以向所述第一多个电极的第一子集提供相对于地的电压偏置；
力反馈系统，所述力反馈系统包括：
差分放大器；
第一电连接，所述第一电连接在所述第二多个电极的至少第一子集的第一端部与所述差分放大器的第一输入端之间；
第二电连接，所述第二电连接在所述第三多个电极的至少第一子集的第二端部与所述差分放大器的第二输入端之间；
频率滤波电路，所述频率滤波电路的输入端连接到所述差分放大器的输出端；以及
反馈放大器，所述反馈放大器的输入端连接到所述频率滤波电路的输出端，并且所述反馈放大器的输出端连接到所述第一多个电极的未连接至所述电压源的第二子集；其中
所述振膜组件响应于压力的运动在所述差分放大器的输出端处产生电压信号，所述电压信号由所述频率滤波电路进行滤波，以选择所述电压信号的低于预定频率的一部分，所述电压信号的选定部分被提供给所述反馈放大器以产生反馈电压，所述反馈电压被施加到所述第一多个电极的所述第二子集，其中，所述反馈电压在所述振膜组件上产生静电力，所述静电力抵消了所述压力。
22.根据权利要求21所述的微机电系统装置，其中，所述预定频率为35Hz。
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