CN115585854A - 组合波纹压电传声器和波纹压电振动传感器 - Google Patents

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CN115585854A CN202111005968.XA CN202111005968A CN115585854A CN 115585854 A CN115585854 A CN 115585854A CN 202111005968 A CN202111005968 A CN 202111005968A CN 115585854 A CN115585854 A CN 115585854A
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D·诺伊迈尔
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Abstract

本公开涉及组合波纹压电传声器和波纹压电振动传感器。例如，一种组合微机电结构(MEMS)，包括：第一压电隔膜，具有一个或多个第一电极，第一压电隔膜粘附在第一保持部和第二保持部之间；以及第二压电隔膜，具有惯性质量和一个或多个第二电极，第二压电隔膜粘附在第二保持部和第三保持部之间。

Description

组合波纹压电传声器和波纹压电振动传感器
本申请是2020年6月9日提交的美国专利申请第16/896,665号的部分延续，该申请通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及一种组合波纹压电传声器和波纹压电振动传感器。
背景技术
微机电换能器在现代电子技术中起着核心作用，既可以作为传感器，也可以作为致动器，并且用于多种不同的应用，例如传声器、扬声器、压力传感器或加速度传感器。
微机电换能器可具有隔膜，其根据换能器是形成为传感器还是致动器而以被动或主动方式进行位移。在微机电换能器形成为传感器的情况下，隔膜可以被动方式位移，例如通过待检测的声音或待检测的加速度。待检测变量的特性(例如，声频、声幅或时间加速度分布)可根据隔膜的位移来确定。在微机电换能器形成为致动器的情况下，隔膜可以主动方式位移，例如为了在扬声器中生成声音。
这种微机电换能器的隔膜可至少由压电材料分段形成，在隔膜被动位移的情况下，在压电材料中感应电压，该电压可被合适的读出电路读出，以确定待检测变量的特性。备选地，在致动器的情况下，可向隔膜施加电压以引起隔膜的有针对性的变形，例如为了生成声音。
发明内容
在一个实施例中，一种组合MEMS结构，包括：第一压电隔膜，包括一个或多个第一电极，第一压电隔膜粘附在第一保持部和第二保持部之间；以及第二压电隔膜，包括惯性质量和一个或多个第二电极，第二压电隔膜粘附在第二保持部和第三保持部之间。
在另一实施例中，一种封装MEMS结构，包括：衬底，包括声音端口和接触焊盘；第一压电隔膜，包括一个或多个第一电极，第一压电隔膜粘附在第一保持部和第二保持部之间；第二压电隔膜，包括惯性质量和一个或多个第二电极，第二压电隔膜粘附在第二保持部和第三保持部之间，其中第一、第二和第三保持部固定到衬底；放大器，具有耦合到一个或多个第一电极和一个或多个第二电极的第一和第二输入以及耦合到接触焊盘的输出；以及壳体，固定到衬底，包围第一压电隔膜、第二压电隔膜和放大器。
在另一实施例中，一种MEMS加速计包括：压电隔膜，包括至少一个电极和惯性质量，压电隔膜粘附到保持部；以及电路，被配置用于评估与至少一个电极相关联的信号的和与差，以确定三维加速度方向。
在另一实施例中，一种MEMS振动传感器包括：压电隔膜，包括粘附到MEMS振动传感器的保持部的至少一个电极；以及惯性质量，粘附到压电隔膜。
在另一实施例中，一种方法包括：将压电隔膜粘附到MEMS设备的保持部；将惯性质量粘附到压电隔膜；将多个分段电极粘附到压电隔膜；以及使用分段电极，响应于MEMS设备的加速度生成多个分段信号。
在另一实施例中，一种方法包括：提供具有压电隔膜的MEMS设备；将惯性质量附接到压电隔膜；将第一和第二电极段附接到压电隔膜；根据第一电极段生成第一信号；以及根据第二电极段生成第二信号。
附图说明
为了更全面地理解本发明及其优点，现结合附图参考以下描述，其中：
图1是微机电换能器的示例性压电隔膜的平面图；
图2是微机电换能器的示例性压电隔膜的截面图；
图3是微机械换能器的另一示例性压电隔膜的截面图；
图4是根据一个实施例的可与波纹压电振动传感器组合的波纹压电传声器的简化截面图；
图5是根据一个实施例的可与波纹压电传声器组合的波纹压电振动传感器的简化截面图；
图6是根据一个实施例的可与一个或多个波纹压电振动传感器组合的波纹压电传声器的简化截面图；
图7是根据一个实施例的封装组合波纹压电传声器和波纹压电振动传感器的简化截面图；
图8是根据另一实施例的封装组合波纹压电传声器和波纹压电振动传感器的简化截面图；
图9A是根据一个实施例的用于确定三维加速度方向的加速计的平面图和截面图；
图9B是根据一个实施例的具有椭圆形波纹隔膜的用于确定X轴或Y轴方向上的振动以及用于确定Z轴方向上的振动的振动传感器的平面图；
图9C是根据一个实施例的具有椭圆形波纹隔膜的用于确定三个方向上的振动的振动传感器的平面图；
图9D是包括图9B的振动传感器和用于处理由振动传感器生成的信号的ASIC的振动传感器系统的框图；
图9E是包括图9C的振动传感器和用于处理由振动传感器生成的信号的ASIC的振动传感器系统的框图；
图9F是根据一个实施例的与图9B的振动传感器相关联的方法的框图；
图9G是根据一个实施例的与图9C的振动传感器相关联的方法的框图；以及
图10是根据一个实施例的与具有单独谐振频率的多个波纹压电振动传感器组合的波纹压电传声器的简化截面图。
具体实施方式
一个或多个波纹压电隔膜用于具有波纹压电传声器和波纹压电振动传感器(换能器)的组合微机电系统(MEMS)设备。组合MEMS设备可与放大器或其他处理电路装置一起封装。下面描述的波纹压电隔膜技术用于提供稳健(robust)、稳定、可制造且经济的MEMS设备。在一个实施例中，波纹压电传声器和基于压电隔膜的具有中心质量的振动传感器的组合可以有利地以相同的技术制造，因此也可以在相同晶圆上制造。在一个实施例中，振动传感器的中心质量可由体硅、薄膜结构或二者形成。由于两个换能器的读出原理相同，因此在一个实施例中，两个设备可使用相同或类似的专用集成电路(ASIC)或模拟前端电路，或者甚至共享最先进的差分模拟传声器ASIC。在仅使用一个单模拟差分传声器ASIC的情况下，一个感测通道将传声器作为单端输入读取，并且另一通道将振动传感器也作为单端输入并行读取。因此，ASIC具有成本效益，并且可从现有产品中重复使用。下面进一步详细描述本发明实施例的这些和其他方面。
图1示出了一个示例性微机电换能器100。微机电换能器100可具有保持部102和固定到保持部102的可位移隔膜104。隔膜104的至少一部分可由压电材料形成。可通过适当读出电路测量的电压可通过隔膜104的位移在压电材料中感应。可根据测量的电压确定待检测变量(例如，待检测的声音或待检测的加速度)的特性。备选地，可以向隔膜104施加电压，以便使隔膜104位移，例如以便生成声音。
如果换能器100形成为加速度传感器或加速度传感器的一部分，则可在隔膜104(例如，在隔膜104的中心部分)上提供惯性质量103，以便增加待检测加速度施加在隔膜104上的力。惯性质量103可与隔膜104分开形成。例如，所述惯性质量可由半导体材料(诸如硅)形成。
如图1所示，隔膜104可在其边缘区域104R处以圆周方式固定到保持部102。隔膜104可形成为闭合部件，使得在隔膜104的边缘区域104R的两个任意点之间沿隔膜104存在无中断连接。隔膜104可由此以没有流体通道开口的方式形成，否则当流体(例如，气体)流过这种流体通道开口时其充当噪声源。与具有多个悬臂(它们可彼此独立偏转)的压电隔膜相比，隔膜104中缺少流体通道开口可构成相当大的优势。封闭隔膜104也特别稳健，因为任何悬臂对极端机械载荷都以特别敏感的方式做出反应，这会导致具有悬臂的隔膜受损，例如在发生碰撞的情况下。然而，这并不排除本文描述的隔膜104能够具有一个或多个开口来最小化阻力，该阻力可由在隔膜104一侧收集的气体(例如，空气)引起。这可确保隔膜104的高度弹性。
图1所示的隔膜104可形成为平面部件。术语“平面”本质上意味着隔膜104沿第一空间方向X和与第一空间方向X正交的第二空间方向Y的范围比沿与第一空间方向X和第二空间方向Y正交且限定隔膜104的轴向A的第三空间方向的范围大得多。
隔膜104可具有波状部分106，其包括至少一个波峰108和至少一个波谷110，或者包括多个波峰108和多个波谷110。波峰108和波谷110沿隔膜104的径向R以交替方式连续地布置。波峰108或/和波谷110可具有圆形或圆形分段形状的设计，并且例如围绕隔膜104的中心点M同心布置。例如，波峰108和波谷110的圆形分段形状配置(未示出)允许隔膜104上的馈线的径向设置。
由于波峰108或/和波谷110的圆形或圆形分段形状的形成，隔膜104主要用于检测圆周方向C上的偏转。
上面讨论的机械应力可通过提供波状部分106进行补偿，因为波状部分106可用作弹性元件，其可通过拉伸或压缩来吸收开始时讨论的机械应力，因此可限制由机械应力引起的隔膜104的变形。这可以确保隔膜104具有良好限定的设计，并由此以良好限定的方式偏转，因此可实现可再现行为。
此外，隔膜104的波状部分106可用于减少或消除开始讨论的感应电场的补偿。下面参考图2对此进行解释，图2示出了沿图1所示的线III-III截取的隔膜104的截面。
如图2所示，在不同情况下，可在多个波峰108或/和多个波谷110处或者甚至在每个波峰108或/和每个波谷110处设置压电单位单元112，压电单位单元具有压电层114和与压电层114电接触的至少一个电极116。在波状部分106中，隔膜104的中性纤维NF位于波峰108和波谷110之间的轴向A上。因此，通过中性纤维NF将隔膜104在轴向A上划分为两个区域，在隔膜104偏转的情况下，这两个区域承受拉伸载荷或压力载荷。因此，例如在隔膜104发生偏转的情况下，波峰108可以仅承受拉伸载荷，而波谷110可以仅承受压力载荷，反之亦然。这使得在波峰108或波谷110中感应具有一致符号的电场，从而与开始讨论的传统压电隔膜相比，压电层114内的电场不发生补偿，这将限制可被分接的净电压。因此，在隔膜104的规定偏转的情况下，与传统压电换能器相比更高的电压U可最终被分接，这使得与传统微机电换能器相比具有更高的灵敏度成为可能。此外，可通过向各电极116施加电压来实现隔膜104的限定偏转。
图2所示的压电单位单元112可以只有一个单电极116，其可设置在相应压电层114的同一侧。该配置可使微机电换能器100的生产尤其简单，因为电极116可同时气相沉积或/和构造。
基本上任何导电材料都可以用作电极116的材料，例如金属，诸如铝。例如，相应压电单位单元112的压电层114可由氮化铝(AIN)、氧化锌(ZnO)或锆钛酸铅(PZT)制造。
如图2所示，在波峰108处设置的压电单位单元112的电极116可通过线118相互并联电连接，而设置在波谷110中的压电单位单元112的电极116可通过线120彼此并联电连接。在一个实施例中，压电单位单元112的电极116可串联电连接。因此，可通过相应电极116来分接在波峰108或波谷110处在各压电单位单元112中感应的电位，并随后求和，从而可分接高净电压U。
各压电单位单元112的压电层114可彼此一体形成。如图1和图2所示，两个相邻的压电单位单元112的压电层114可通过基本沿轴向A延伸的连接部分122彼此整体连接。由于压电层114的整体形成，总体上可以简单的方式制造隔膜104，因为在制造波状部分106的同时，还可以制造压电单位单元112的压电层114。
图3示出了图1和图2未具体示出的耦合到保持部1030的波纹压电隔膜1021的截面。波纹压电隔膜1021包括导电层1014、压电层1016、电极1022、接触焊盘1026、接触焊盘1028、保持部1030，和可选的惯性质量1032。
如图3所示，接触焊盘1026用于接触导电层1014。还可以在压电层1016上形成的电极1022处形成进一步的接触焊盘1028，以便与所述压电层电接触。在根据图3的示例性图解中，惯性质量1032设置在隔膜1021的波状部分上。所述惯性质量可设置在隔膜1021的中心区域中，该中心区域不是波状的。图3仅示出了隔膜1021的一部分，其具有波状部分以及连接到保持部1030的不是波状的区域。
可以在2018年7月10日提交的共同未决美国专利申请第2019/0016588号中找到波纹压电隔膜的进一步描述，其全文通过引用并入本文。
图4是根据一个实施例的可与波纹压电振动传感器组合的波纹压电传声器的简化截面图。在图4的简化截面图中，为了清楚，实际上未示出波纹压电隔膜208中的波纹。
波纹压电传声器200包括第一保持部或机械夹具202A、第二保持部或机械夹具202B、夹紧层204、体硅部分206、波纹压电隔膜208、通风孔210、隔膜限定层212和接触焊盘214。在一个实施例中，夹紧层204可包括硅或介电层。在一个实施例中，隔膜限定层212限定被暴露的隔膜的量，并且可以包括金属、硅或介电层。其他这种波纹压电传声器也可用于与图5所示的波纹压电振动传感器组合，并且下面进行描述。
波纹压电传声器200用于将波纹压电隔膜208上方或下方的气压变化转换为接触焊盘214处的相应输出电压。在实施例中，保持部202A和202B可包括体硅部分206和设置在体硅部分206上方的夹紧层204，夹紧层可包括用于固定波纹压电隔膜208的端部的一个或多个硅或介电薄隔膜层。通风孔210被设计用于最小化波纹压电隔膜208的流动阻力，并且在实施例中可包括多个通风孔210的图案。对于圆形的波纹压电隔膜208，可使用通风孔210的圆形图案。在实施例中，隔膜限定层212可定位在体硅部分206和夹紧层204之间，并且可包括硅、电介质或金属层、或者这些层的组合。隔膜限定层212的目的是限定波纹压电隔膜208的可接受暴露区域。在特定应用中，有利的是保护波纹压电隔膜208的边缘不直接暴露于来自下方的气压变化，从而保护隔膜208的结构完整性。隔膜限定层212的确切横向范围可根据波纹压电传声器200的应用而改变。在一些实施例中，隔膜限定层212是可选的，并且如果需要可被消除。如前所述，接触焊盘214可包括金属或金属合金接触焊盘，其形成在夹紧层的上部并与波纹压电隔膜208的上表面直接接触。
图5是根据一个实施例的可与波纹压电传声器组合的波纹压电振动传感器的简化截面图。在图5的简化截面图中，为了清楚，实际上未示出波纹压电隔膜308中的波纹。
波纹压电振动传感器300包括第一保持部或机械夹具302A、第二保持部或机械夹具302B、惯性质量302C、夹紧层304、体硅部分或体质量306、波纹压电隔膜308、通风孔310、隔膜限定层312、薄膜层316和薄膜质量318。在一个实施例中，夹紧层304可包括硅或介电层。在一个本实施例中，隔膜限定层312限定隔膜被暴露的量，并且可包括金属、硅或介电层。薄膜层可包括硅、氧化物、电介质或金属层。其他这种波纹振动传感器也可用于与图4所示和上文所述的波纹传声器进行组合。
如图5所示，不同的叠层可用于向波纹压电隔膜308提供惯性质量(检测质量)。惯性质量可包括体质量306、薄膜质量318或二者。体硅质量306提供最大质量，这有利于降低谐振频率并提高振动传感器300的灵敏度。薄膜质量318可包括隔膜限定层312、夹紧层304和薄膜层316中的一个或多个。薄膜质量318可包括一个或多个硅、氧化物、电介质层和/或金属层。这些层可直接从压电传声器的集成中获得数μm的厚度。然而，薄膜质量小于体硅质量。因此，在实施例中，组合设备可能需要更大以实现必要的振动灵敏度。然而，在一些实施例中，具有薄膜惯性质量的设备可比具有体硅惯性质量的设备更坚固。通过添加适当数量的通风孔310，可将用于压力耦合的低频衰减调整至kHz范围。如果需要进一步抑制振动传感器300的音频灵敏度，则可以如图7和图8所示并且如下面进一步详细描述的，使用盖来屏蔽振动传感器300的声音。
图6是根据一个实施例的波纹压电传声器200的简化截面图，波纹压电传声器200可与根据一个实施例的一个或多个波纹压电振动传感器300D组合以形成组合MEMS结构400。在图5的简化截面图中，为了清楚，实际上未示出波纹压电隔膜208和308中的波纹。因此，图6包括可与一系列波纹压电振动传感器300D组合的波纹压电传声器200，波纹压电振动传感器300D又包括：第一波纹压电振动传感器300A，具有体惯性质量306；第二波纹压电振动传感器300B，具有薄膜惯性质量318；或者第三波纹压电振动传感器300C，具有体惯性质量306和薄膜惯性质量318。组合MEMS结构400的更多细节将在下面参考图7和图8进行更详细的描述。
根据实施例，一系列波纹压电振动传感器300D中的一个或多个可与波纹压电传声器200组合以形成组合MEMS设备。可以使用任何振动传感器，并且应用可利用每个振动传感器的不同振动响应特性。第一波纹压电振动传感器300A包括耦合到波纹压电隔膜308的底面的体惯性质量306。由于体惯性质量306的相对较高质量，波纹压电振动传感器300A将具有稳健的振动响应。第二波纹压电振动传感器300B包括耦合到波纹压电隔膜308的顶面和底面的薄膜惯性质量318。由于薄膜惯性质量318相对较低的质量，波纹压电振动传感器300B可具有较小的振动响应幅度。然而，压电振动传感器300B可具有与波纹压电振动传感器300A不同的频率响应。最后，第三波纹压电振动传感器300C包括耦合到波纹压电隔膜308的底面的体惯性质量306以及耦合到波纹压电隔膜308的顶面和底面的薄膜惯性质量318。由于与薄膜惯性质量318组合的体惯性质量306相对较大的质量，波纹压电振动传感器300A将具有最大的振动响应幅度。
图7是根据一个实施例的封装组合MEMS结构500的简化截面图，其包括组合MEMS结构400，组合MEMS结构400包括波纹压电传声器200和波纹压电振动传感器300。在图5的简化截面图中，为了清楚，实际上未示出波纹压电隔膜208和308中的波纹。
在相关部分中，在一个实施例中，波纹压电传声器200和波纹压电振动传感器300共享一个共享保持部或机械夹具524，以形成组合MEMS结构400。虽然在图7中示出单独的波纹隔膜208和308(它们各自粘附于共享保持部524)，但在一个实施例中，单个组合波纹隔膜可包括波纹隔膜208和308，作为延伸穿过共享保持部524的单个组合波纹隔膜的一部分。虽然振动传感器300被示为具有薄膜惯性质量，但可以使用体惯性质量或两种惯性质量的组合。虽然在图7中仅组合一个波纹压电传声器200和一个波纹压电振动传感器300，但其他配置的传声器和振动传感器也是可以的。例如，在一个实施例中，一个波纹压电传声器200可与多个波纹压电振动传感器组合。
因此，图7示出了封装组合MEMS结构500，其包括具有声音端口508的衬底506。在实施例中，衬底506可包括电介质、塑料、玻璃纤维或任何其他合适的材料。封装组合MEMS结构还包括附接到衬底506的壳体502，壳体502包围包括组合MEMS结构400、ASIC528以及组合MEMS结构400和ASIC 528之间的内部布线的内部体积。壳体502可包括金属或分层金属结构、或者包括绝缘层或介电层和金属层的结构。在实施例中，还可以使用任何其他合适的材料。在一个实施例中，如果振动传感器灵敏度太高而导致由音频信号通过声音端口508进入并穿过传声器200而引起的串扰，则可以使用晶圆接合盖504或其他类型的盖。波纹压电振动传感器300的波纹隔膜308包括至少一个通风孔510。在一个实施例中，通过在振动传感器中引入通风孔，用于压力响应的低频衰减可上移到个位数kHz范围，使得如果需要的话，可以在没有盖504的情况下抑制低于该截止频率的不想要的音频灵敏度。在实施例中，通风孔和盖可以一起使用。
在一个实施例中，封装组合MEMS结构500还包括ASIC 528，其可以是差分输入和差分输出ASIC。在实施例中，可以使用其他定制或通用放大器集成电路。ASIC 528包括耦合到波纹压电传声器200的输出的第一输入Sens1输入512以及第二输入Sens2 514。在一个实施例中，输入512和514可包括差分输入对的单端输入。在一个实施例中，ASIC 528包括耦合到延伸穿过衬底506的传声器信号焊盘520的第一正输出OutP 516。在一个实施例中，传声器信号焊盘520提供模拟传声器输出信号。在一个实施例中，ASIC 528包括耦合到延伸穿过506的振动传感器信号焊盘522的第二负输出OutN 518。在一个实施例中，振动传感器信号焊盘522提供模拟振动传感器输出信号。
虽然图7中示出了封装组合MEMS结构500的实施例，但本领域技术人员应理解，可以设想组合MEMS结构、ASIC 528、信号焊盘520和522、盖504和壳体502的其他组合和放置。例如，ASIC 528可包括一个或多个集成电路。壳体502可用于包围附加部件，或者仅包围图7所示的部分部件。如果需要，可使用附加信号焊盘。
图8是根据另一实施例的封装组合MEMS结构600的简化截面图，封装组合MEMS结构600包括波纹压电传声器200和波纹压电振动传感器300。在图8的简化截面图中，为了清楚，并未实际示出组合MEMS结构400中的波纹。
封装组合MEMS结构600包括壳体602、ASIC 604、衬底606、声音端口608和通风孔610，基本上如图7所示的封装组合MEMS结构所示。ASIC 604包括耦合到波纹压电传声器200的输出的传声器信号输入612以及耦合到波纹压电振动传感器300的输出的振动传感器信号输入614。如前所述，波纹压电传声器200和波纹压电振动传感器使用共享保持部624合并在一起。ASIC 604包括耦合到组合MEMS输出焊盘618的单个输出信号616。在一个实施例中，组合MEMS输出焊盘618提供组合输入612和614上的放大信号的复用输出信号。在一个实施例中，组合MEMS结构400不包括如前所述的盖，但是使用ASIC 604的底面来代替盖。换句话说，ASIC 604提供放大功能和屏蔽功能，以帮助将波纹压电振动传感器300与通过声音端口608的音频信号和压电传声器200隔离。在图8中，ASIC 604被示为安装在波纹压电振动传感器300的顶表面上。
图9A是根据一个实施例的波纹压电振动传感器的平面图700A和截面图700B，该波纹压电振动传感器被配置为用于确定三维加速度方向的加速计700。尽管加速计700在图9A中被示为独立部件，但如有需要，加速计700可与波纹压电传声器200组合成为组合MEMS设备，如下面进一步详细解释的。
在各种应用中，可能需要独立于振动传感器设备的定向拾取振动。波纹隔膜(特别是与根据实施例的长体硅惯性质量组合)将不仅对垂直于其表面(Z轴)的加速度作出反应，而且由于作用于质量的扭矩，其还将感测面内加速度(X轴和Y轴)。如图9A所示，如果为加速计700选择多段电极设计，则这些加速度甚至可以分离。在加速计700的示例中，如下所述使用了四个隔膜段。虽然可以使用其他数量的隔膜段，但可能必须更新下面列出的相应加速度方程，以反映针对特定设计选择的隔膜段的数量。
加速计700包括保持部710，保持部在一个实施例中包括耦合到波纹隔膜712的单个保持部。在其他实施例中，多个单独的保持部可用于支撑波纹隔膜712。波纹隔膜712在一个实施例中具有四段，用于生成四个对应的信号：Signal 1(s1)、Signal 2(s2)、Signal 3(s3)和Signal 4(s4)。每个隔膜段都包括一个或多个高电极702和一个或多个低电极704。根据一个实施例，波纹隔膜712的中心部分包括多个通风孔706，它们可用于调节加速计700的频率响应和其他特性。在特定实施例中，可以使用任意数量或图案的通风孔。也可以使用通风活门和其他类似的通风结构。波纹隔膜712耦合到包括体硅部分的惯性质量708。惯性质量越大，针对给定加速度在加速计中生成的扭矩713就越多。对于薄膜层质量，给定加速度的输出信号可能会小得多。图9A限定了X轴上的加速度方向714，其中Y轴方向在图9A平面内与X轴方向正交，并且其中Z轴方向从图9A平面向外延伸与X轴方向正交。
通过评估四个信号(Signal 1、Signal 2、Signal 3和Signal 4)的和与差，可以计算X、Y和Z方向上的加速度。
X轴方向上的加速度通过以下方程式确定。
Signal 1＝Signal 3
Signal 2＝Signal 4
Signal 1≈-Signal 2
Y轴方向上的加速度通过以下方程式确定。
Signal 1＝Signal 2
Signal 3＝Signal 4
Signal 1≈-Signal 3
Z轴方向上的加速度通过以下方程式确定。
Signal 1＝Signal 2＝Signal 3＝Signal 4
加速度信号比例阿尔法(α)和贝塔(β)是针对加速度条件和s1-s4(来自四个波纹隔膜段的信号)的设计特定敏感度，通过以下方程式描述。
ax∝α(s1+s3–s2–s4)
ay∝α(s1+s2–s3–s4)
az∝β(s1+s3+s2+s4)
如果使用单个保持部，通过将保持部710的一个边缘与波纹压电传声器200的一个保持部组合，可以根据需要将加速计700与波纹压电传声器200组合成为组合MEMS设备。如果使用多个保持部710，则加速计700可与波纹压电传声器200组合成为组合MEMS设备，该组合MEMS设备将多个保持部710中的一个与波纹压电传声器200中的一个保持部组合。
在一些实施例中，如图9B和图9C所示以及在下面进一步详细描述，波纹隔膜712可包括卵形、椭圆形或长方形。图9B和图9C(以及图9A)所示的实施例都可以检测加速度，但更一般地，也可以检测振动，包括音频频带下方或较低部分中的低频信号。图9B和图9C所示的实施例还包括压电型MEMS振动传感器。
图9B是根据一个实施例的具有波纹隔膜712的MEMS振动传感器700C的平面图，其用于确定X轴或Y轴方向上(图9B的平面内)的振动以及用于确定Z轴方向上(与图9B的平面正交)的振动。在一个实施例中，高电极702被分割成与指定为Signal 1的第一输出信号相关联的第一分割区。类似地，低电极704被分割成与指定为Signal1的第一输出信号相关联的第一分割区。在一个实施例中，高电极702被分割成与指定为Signal 2的第二输出信号相关联的第二分割区。类似地，低电极704被分割成与指定为Signal 2的第二输出信号相关联的第二分割区。在一个实施例中，第一和第二分割区对应于大小相等的波纹隔膜712的一半。在一个实施例中，波纹隔膜712包括以卵形图案布置的多个通风孔706，尽管也可以使用其他通风结构和图案。在图9B中，惯性质量708的卵形平面图被示为粘附或附接到波纹隔膜712。在一些实施例中，惯性质量708的形状可采用其他形状，诸如圆形。在图9B中，保持部710被示为具有卵形、椭圆形或长方形，用于附接到波纹隔膜712。
如上所述，加速度信号比例阿尔法(α)和贝塔(β)是针对加速度和振动条件以及s1-s4(来自由Signal 1和Signal 2限定的两个分割区的信号)的设计特定敏感度，并且通过以下方程式描述，其中ax/y表示X轴方向或Y轴方向上的加速度或振动，并且其中az表示Z轴方向上的加速度或振动。
ax/y∝α(s1–s2)
az∝β(s1+s2)
因此，给出传感器的适当定向或者如果可以确定传感器的定向，则MEMS振动传感器700C可提供响应于X轴和Y轴加速度和振动的输出信号。在图9B中，MEMS振动传感器700C被正确定向，用于接收Y轴方向上的振动，并且对接收X轴方向上的振动不太敏感。MEMS振动传感器700C的输出信号(Signal 1、Signal 2)在ASIC中被进一步处理，下面将参考图9D对其进行更详细的描述。
图9C是根据一个实施例的MEMS振动传感器700D的平面图，该传感器具有波纹隔膜712，用于确定三个方向上的振动。在一个实施例中，高电极702被分割成与指定为Signal 1的第一输出信号相关联的第一分割区。类似地，低电极704被分割成与指定为Signal 1的第一输出信号相关联的第一分割区。在一个实施例中，高电极702被分割成与指定为Signal 2的第二输出信号相关联的第二分割区。类似地，低电极704被分割成与指定为Signal 2的第二输出信号相关联的第二分割区。在一个实施例中，高电极702被分割为与指定为Signal 3的第三输出信号相关联的第三分割区。类似地，低电极704被分割成与指定为Signal 3的第三输出信号相关联的第三分割区。在一个实施例中，高电极702被分割成与指定为Signal 4的第四输出信号相关联的第四分割区。类似地，低电极704被分割成与指定为Signal 4的第四输出信号相关联的第四分割区。在一个实施例中，第一、第二、第三和第四分割区对应于具有卵形、椭圆形或长方形的波纹隔膜712的大小相等的象限。在一个实施例中，波纹隔膜712包括以卵形图案布置的多个通风孔706，尽管在实施例中还可以使用其他通风结构和图案。在图9C中，惯性质量708的卵形平面图被示为被粘附或附接到波纹隔膜712。在一些实施例中，惯性质量708的形状可采用其他形状，诸如圆形。在图9C中，保持部710被示为具有卵形、椭圆形或长方形，用于附接到波纹隔膜712。
如上所述，加速度信号比例阿尔法(α)和贝塔(β)是针对加速度和振动条件以及s1、s2、s3和s4(来自由Signal 1、Signal 2、Signal 3和Signal 4限定的四个分割区的信号)的设计特定敏感度，并且通过以下方程式描述，其中ax/y表示X轴方向或Y轴方向上的加速度或振动，并且其中az表示Z轴方向上的加速度或振动。
ax/y∝α(s1+s4–s2–s3)
az∝β(s1+s2–s3–s4)
MEMS振动传感器700D提供四个信号s1、s2、s3和s4，它们可以被进一步处理，以提供指示X轴、Y轴和Z轴方向上的振动的输出信号。然而，当正确定向时，MEMS振动传感器700D仍然对平面方向振动响应更大。因此，给定传感器的正确定向或者如果可以确定传感器的定向，则MEMS振动传感器700D可提供响应于X轴和Y轴加速度和振动的输出信号。在图9C中，MEMS振动传感器700D被正确定向，用于接收Y轴方向上的振动，并且对接收X轴方向上的振动不太敏感。MEMS振动传感器700C的输出信号(Signal 1、Signal 2、Signal 3和Signal 4)在ASIC中被进一步处理，下面将参照图9E对其进行更详细的描述。
图9D是系统700E的框图，其包括MEMS设备724A(诸如图9B的MEMS振动传感器700C)，耦合到用于进一步处理Signal 1和Signal 2的ASIC 728A。在一些实施例中，MEMS设备724被示为具有用于访问低频压力波720的端口的封装设备。MEMS设备724A具有用于生成输出信号Signal 1和Signal 2的两个输出以及用于接收一个或多个偏置电压的输入726。ASIC 728A被配置用于以上述方式评估输出信号Signal 1和Signal 2的和和/或差，以确定X轴、Y轴或Z轴方向上的振动和/或加速度。ASIC 728A还包括用于接收控制信号和其他输入信号以及用于生成评估输出数据的总线730。MEMS设备724可与ASIC 728A一起集成在单个集成电路上，或者可以是在公共衬底上一起制造的独立部件。
图9E是系统700F的框图，其包括MEMS设备724B(诸如图9C的MEMS振动传感器700D)，耦合到用于进一步处理信号Signal 1、Signal 2、Signal 3和Signal 4的ASIC728B。在一些实施例中，MEMS设备724被示为封装设备，其具有用于访问低频压力波720的端口。MEMS设备724B具有用于生成输出信号Signal 1、Signal 2、Signal 3和Signal 4的四个输出以及用于接收一个或多个偏置电压的输入726。ASIC 728B被配置用于以上述方式评估输出信号Signal 1、Signal 2、Signal 3和Signal 4的和和/或差，以确定X轴、Y轴或Z轴方向上的振动和/或加速度。ASIC 728B还包括用于接收控制信号和其他输入信号以及用于生成评估输出数据的总线730。MEMS设备724B可与ASIC 728B集成在单个集成电路上，或者可以是在公共衬底上一起制造的独立部件。
图9F是根据一个实施例的与图9C的MEMS振动传感器700D相关联的方法700G的框图。方法700G包括：在步骤732中，将压电隔膜粘附到MEMS设备的保持部；在步骤734中，将惯性质量粘附到压电隔膜；在步骤736中，将多个分段电极粘附到压电隔膜；以及在步骤738中，使用分段电极，响应于MEMS设备的加速度生成多个分段信号。方法700G可进一步包括评估多个分段信号的和和/或差。方法700G可进一步包括：对来自第一和第二分段电极的第一分段信号和第二分段信号求和，以提供第一和；对来自第三和第四分段电极的第三分段信号和第四分段信号求和，以提供第二和；以及计算第一和第二和之间的差，以生成指示MEMS设备的X轴加速度或MEMS设备的Y轴加速度的信号。方法700G可进一步包括：计算第一分段信号和第二分段信号之间的差，以生成指示MEMS设备的X轴加速度或MEMS设备的Y轴加速度的信号。方法700G可进一步包括：计算第一分段信号和第二分段信号的和，以生成指示MEMS设备的Z轴加速度的信号。
图9G是根据一个实施例的与图9B的MEMS振动传感器700C相关联的方法700H的框图。方法700H包括：在步骤740中，提供具有压电隔膜的MEMS设备；在步骤742中，将惯性质量附接到压电隔膜；在步骤744中，将第一和第二电极段附接到压电隔膜；在步骤746中，根据第一电极段生成第一信号；以及在步骤748中，根据第二电极段生成第二信号。方法700H可进一步包括：计算第一和第二信号之间的差，以生成指示MEMS设备的加速度的信号。方法700H可进一步包括：将压电隔膜的长轴定向为基本正交于MEMS设备的平面加速度方向。方法700H可进一步包括：计算第一和第二信号的和，以生成指示MEMS设备的加速度的信号。
图10是根据一个实施例的与多个具有单独谐振频率的波纹压电振动传感器组合的波纹压电传声器的简化截面图。在图10的简化截面图中，为了清楚，并未实际示出组合MEMS结构800中的波纹。
在一个实施例中，具有不同谐振频率的多个波纹压电振动传感器设备可与波纹压电传声器组合。虽然可以使用单个设备，但传声器和振动传感器都可以耦合在一起以形成使用共享保持部的组合MEMS设备。在实施例中，可以使用单个波纹隔膜，或者可以使用延伸到所有设备的单个波纹隔膜。为了实现不同的谐振频率，可以使用不同重量的惯性质量，或者通过成形横向波纹隔膜和重量维数，或者二者兼而有之。
图10示出了组合MEMS结构800，其包括波纹压电传声器802以及多个调谐波纹压电振动传感器，包括波纹压电振动传感器804A、波纹压电振动传感器804B和波纹压电振动传感器804C。虽然示出了三个振动传感器，但在实施例中可以使用任意数量的传感器。虽然波纹传声器802和对应的压电振动传感器被示为单个MEMS设备，但是可使用合并保持部824合并其中两个或更多个设备，合并保持部824可制成单个保持部，诸如图7所示的共享保持部524或者图8所示的共享保持部624。图10还示出了从组合MEMS结构800与外部压力信号的压力耦合的高频音频信号到组合MEMS结构与外部环境的结构耦合的低频振动信号延伸的音频频谱。图10还示出了组合MEMS结构800中的每个设备的频率响应，包括波纹压电传声器802频率响应806、波纹振动传感器804A频率响应808A、波纹振动传感器804B频率响应808B、和波纹振动传感器804C频率响应808C。ASIC 814用于放大与组合MEMS结构800相关联的信号。ASIC 814的选择器电路816包括耦合到波纹压电传声器802的波纹压电传声器输入810、耦合到波纹压电振动传感器804A的波纹振动传感器输入812A、耦合到波纹压电振动传感器804B的波纹振动传感器输入812B、和耦合到波纹压电振动传感器804C的波纹振动传感器输入812C。在一个实施例中，混频器电路818可用于在混频器输出822处组合选择器输出。选择器电路816还包括用于控制选择器电路816的信道选择的选择器输入820。
综上所述，已经示出并描述了波纹压电隔膜传声器的实施例，其与使用相同波纹压电技术的一个或多个基于波纹压电隔膜的振动传感器组合在一起，适合用于各种应用，包括耳机或头戴耳机应用。
这里总结了本发明的示例实施例。还可以从本文提交的说明书和权利要求的整体理解其他实施例。
示例1.根据一个实施例，一种组合MEMS结构包括：第一压电隔膜，包括一个或多个第一电极，第一压电隔膜粘附在第一保持部和第二保持部之间；以及第二压电隔膜，包括惯性质量和一个或多个第二电极，第二压电隔膜粘附在第二保持部和第三保持部之间。
示例2.根据示例1的组合MEMS结构，其中第一压电隔膜被配置为在一个或多个第一电极处提供传声器信号输出，并且其中第二压电隔膜被配置为在一个或多个第二电极处提供惯性传感器信号输出。
示例3.根据前述任何示例的组合MEMS结构，其中第一压电隔膜和第二压电隔膜包括单个隔膜。
示例4.根据前述任何示例的组合MEMS结构，其中第一压电隔膜和第二压电隔膜中的至少一个包括波纹隔膜。
示例5.根据前述任何示例的组合MEMS结构，其中惯性质量包括体质量。
实例6.根据前述任何示例的组合MEMS结构，其中惯性质量包括薄膜质量。
示例7.根据前述任何示例的组合MEMS结构，其中惯性质量包括体质量和薄膜质量。
示例8.根据前述任何示例的组合MEMS结构，进一步包括被配置为提供附加惯性传感器信号输出的多个附加压电隔膜。
示例9.根据前述任何示例的组合MEMS结构，其中多个附加压电隔膜包括每个均具有不同谐振频率的单独调谐隔膜。
示例10.根据前述任何示例的组合MEMS结构，其中多个附加压电隔膜中的至少一个包括波纹隔膜。
示例11.根据一个实施例，一种封装MEMS结构包括：衬底，包括声音端口和接触焊盘；第一压电隔膜，包括一个或多个第一电极，第一压电隔膜粘附在第一保持部和第二保持部之间；第二压电隔膜，包括惯性质量和一个或多个第二电极，第二压电隔膜粘附在第二保持部和第三保持部之间，其中第一、第二和第三保持部被固定到衬底；放大器，具有耦合到一个或多个第一电极和一个或多个第二电极的第一和第二输入以及耦合到接触焊盘的输出；以及壳体，固定到衬底，包围第一压电隔膜、第二压电隔膜和放大器。
示例12.根据示例11的封装MEMS结构，其中第一压电隔膜被配置为在一个或多个第一电极处提供传声器信号输出，并且其中第二压电隔膜被配置为在一个或多个第二电极处提供惯性传感器信号输出。
示例13.根据前述任何示例的封装MEMS结构，其中第一压电隔膜和第二压电隔膜包括单个压电隔膜。
示例14.根据前述任何示例的封装MEMS结构，其中第一压电隔膜和第二压电隔膜中的至少一个包括波纹隔膜。
示例15.根据前述任何示例的封装MEMS结构，进一步包括位于第二压电隔膜上方的盖，盖粘附到第二和第三保持部。
示例16.根据前述任何示例的封装MEMS结构，其中放大器被配置为位于第二压电隔膜上方，放大器粘附到第二和第三保持部。
示例17.根据前述任何示例的封装MEMS结构，其中放大器包括差分输入。
示例18.根据前述任何示例的封装MEMS结构，其中放大器包括耦合到接触焊盘和附加接触焊盘的差分输出。
示例19.根据前述任何示例的封装MEMS结构，其中惯性质量包括体质量。
示例20.根据前述任何示例的封装MEMS结构，其中惯性质量包括薄膜质量。
示例21.根据前述任何示例的封装MEMS结构，其中惯性质量包括体质量和薄膜质量。
示例22.根据一个实施例，一种MEMS加速计包括：压电隔膜，包括至少一个电极和惯性质量，压电隔膜粘附到保持部；以及电路，被配置用于评估与至少一个电极相关联的信号的和与差，以确定三维加速度方向。
示例23.根据示例22的MEMS加速计，其中压电隔膜包括圆形隔膜。
示例24.根据前述任何示例的MEMS加速计，其中压电隔膜包括波纹隔膜。
示例25.根据前述任何示例的MEMS加速计，其中至少一个电极包括分段电极。
示例26.根据前述任何示例的MEMS加速计，其中分段电极包括四个分割区。
示例27.根据前述任何示例的MEMS加速计，其中分段电极包括多个高电极段和多个低电极段。
示例28.根据前述任何示例的MEMS加速计，其中压电隔膜包括多个通风孔。
示例29.根据一个实施例，一种MEMS振动传感器包括：压电隔膜，包括粘附到MEMS振动传感器的保持部的至少一个电极；以及惯性质量，粘附到压电隔膜。
示例30.根据示例29的MEMS振动传感器，还包括被配置用于评估与至少一个电极相关联的信号的和与差的电路。
示例31.根据前述任何示例的MEMS振动传感器，其中电路被配置用于提供指示MEMS振动传感器的X轴加速度的第一评估结果、指示MEMS振动传感器的Y轴加速度的第二评估结果、或者指示MEMS振动传感器的Z轴加速度的第三评估结果。
示例32.根据前述任何示例的MEMS振动传感器，其中压电隔膜包括卵形隔膜。
示例33.根据前述任何示例的MEMS振动传感器，其中压电隔膜包括波纹隔膜。
示例34.根据前述任何示例的MEMS振动传感器，其中至少一个电极包括分段电极。
示例35.根据前述任何示例的MEMS振动传感器，其中分段电极包括两个分割区。
示例36.根据前述任何示例的MEMS振动传感器，其中两个分割区包括两个大小相等的分割区。
示例37.根据前述任何示例的MEMS振动传感器，其中分段电极包括四个分割区。
示例38.根据前述任何示例的MEMS振动传感器，其中四个分割区包括四个大小相等的分割区。
示例39.根据前述任何示例的MEMS振动传感器，其中分段电极包括多个高电极段和多个低电极段。
示例40.根据一个实施例，一种方法包括：将压电隔膜粘附到MEMS设备的保持部；将惯性质量粘附到压电隔膜；将多个分段电极粘附到压电隔膜；以及使用分段电极，响应于MEMS设备的加速度生成多个分段信号。
示例41.根据示例40的方法，还包括：评估多个分段信号的和和/或差。
示例42.根据前述任何示例的方法，还包括：将来自第一和第二分段电极的第一分段信号和第二分段信号相加，以提供第一和；将来自第三和第四分段电极的第三分段信号和第四分段信号相加，以提供第二和；以及计算第一和与第二和之间的差，以生成指示MEMS设备的X轴加速度或MEMS设备的Y轴加速度的信号。
示例43.根据前述任何示例的方法，还包括：计算第一分段信号和第二分段信号之间的差，以生成指示MEMS设备的X轴加速度或MEMS设备的Y轴加速度的信号。
示例44.根据前述任何示例的方法，还包括：计算第一分段信号和第二分段信号的和，以生成指示MEMS设备的Z轴加速度的信号。
示例45.根据一个实施例，一种方法包括：提供具有压电隔膜的MEMS设备；将惯性质量附接到压电隔膜；将第一和第二电极段附接到压电隔膜；根据第一电极段生成第一信号；以及根据第二电极段生成第二信号。
示例46.根据示例45的方法，还包括：计算第一和第二信号之间的差，以生成指示MEMS设备的加速度的信号。
示例47.根据前述任何示例的方法，还包括：将压电隔膜的长轴定向为与MEMS设备的平面加速度方向基本正交。
示例48.根据前述任何示例的方法，还包括：计算第一和第二信号的和，以生成指示MEMS设备的加速度的信号。
虽然已参考示例性实施例描述了本发明，但该描述不用于在限制性意义上进行解释。参考说明书，本领域技术人员将清楚说明性实施例以及本发明其他实施例的各种修改和组合。因此，期望所附权利要求包括任何这种修改或实施例。

Claims (20)

1.一种MEMS振动传感器，包括：
压电隔膜，包括粘附到所述MEMS振动传感器的保持部的至少一个电极；以及
惯性质量，粘附到所述压电隔膜。
2.根据权利要求1所述的MEMS振动传感器，还包括被配置用于评估与所述至少一个电极相关联的信号的和与差的电路。
3.根据权利要求2所述的MEMS振动传感器，其中所述电路被配置用于提供指示所述MEMS振动传感器的X轴加速度的第一评估结果、指示所述MEMS振动传感器的Y轴加速度的第二评估结果、或者指示所述MEMS振动传感器的Z轴加速度的第三评估结果。
4.根据权利要求1所述的MEMS振动传感器，其中所述压电隔膜包括卵形隔膜。
5.根据权利要求1所述的MEMS振动传感器，其中所述压电隔膜包括波纹隔膜。
6.根据权利要求1所述的MEMS振动传感器，其中所述至少一个电极包括分段电极。
7.根据权利要求6所述的MEMS振动传感器，其中所述分段电极包括两个分割区。
8.根据权利要求7所述的MEMS振动传感器，其中所述两个分割区包括两个大小相等的分割区。
9.根据权利要求6所述的MEMS振动传感器，其中所述分段电极包括四个分割区。
10.根据权利要求9所述的MEMS振动传感器，其中所述四个分割区包括四个大小相等的分割区。
11.根据权利要求6所述的MEMS振动传感器，其中所述分段电极包括多个高电极段和多个低电极段。
12.一种方法，包括：
将压电隔膜粘附到MEMS设备的保持部；
将惯性质量粘附到所述压电隔膜；
将多个分段电极粘附到所述压电隔膜；以及
使用所述分段电极，响应于所述MEMS设备的加速度生成多个分段信号。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：评估所述多个分段信号的和和/或差。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
将来自第一分段电极和第二分段电极的第一分段信号和第二分段信号相加，以提供第一和；
将来自第三分段电极和第四分段电极的第三分段信号和第四分段信号相加，以提供第二和；以及
计算所述第一和与所述第二和之间的差，以生成指示所述MEMS设备的X轴加速度或所述MEMS设备的Y轴加速度的信号。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：计算第一分段信号与第二分段信号之间的差，以生成指示所述MEMS设备的X轴加速度或所述MEMS设备的Y轴加速度的信号。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括：计算第一分段信号与第二分段信号的和，以生成指示所述MEMS设备的Z轴加速度的信号。
17.一种方法，包括：
提供具有压电隔膜的MEMS设备；
将惯性质量附接到所述压电隔膜；
将第一电极段和第二电极段附接到所述压电隔膜；
根据所述第一电极段生成第一信号；以及
根据所述第二电极段生成第二信号。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：计算所述第一信号与所述第二信号之间的差，以生成指示所述MEMS设备的加速度的信号。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括：将所述压电隔膜的长轴定向为与所述MEMS设备的平面加速度方向基本正交。
20.根据权利要求17所述的方法，还包括：计算所述第一信号与所述第二信号的和，以生成指示所述MEMS设备的加速度的信号。
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