CN115942209A - Mems管芯和基于mems的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及MEMS管芯和基于MEMS的传感器。MEMS传感器的各种实现包括IC管芯，该IC管芯具有形成传感器的后腔容积的至少部分的腔室。该布置帮助解决横向速度梯度和粘滞所引起的损失的问题。在这些实施方式中的一些实施方式中，对腔室进行特别配置(例如，具有支柱、通道和/或环)以减少空气的横向移动。其它解决方案(与这种腔室结合使用)包括使振膜移动得更像活塞的方式(例如，通过添加使“上下”运动更多而横向运动更少的突起)，或者使用活塞(举例来说，诸如集成电路管芯的刚性硅片)来代替振膜的方式。

Description

MEMS管芯和基于MEMS的传感器

技术领域

本公开涉及基于微机电系统MEMS的传感器。

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年10月6日提交的美国临时申请No.63/252,731的优先权权益，并且通过引用其全部内容并入本文。

背景技术

包括微机电系统(MEMS)管芯的传感器将压力波(例如，由声音产生的)转换成电信号。采用这种传感器的麦克风组件可以被用在移动通信装置、膝上型计算机、和电器，以及其它装置和机器中。麦克风组件的一个重要参数是声学信噪比(SNR)，它将希望的信号水平(例如，因由麦克风组件捕获的声学干扰而造成的信号幅度)与背景噪声水平进行比较。在包括MEMS声学管芯的麦克风组件中，SNR通常限制了可以实现的最小尺寸以及麦克风组件的总封装尺寸。

使用基于振膜的电容式MEMS传感器的一个潜在问题是振膜本身的动态移动导致横向速度梯度和粘滞所引起的损失。由于例如所施加的偏压与振膜附近的其它结构的紧密接近相结合而造成的任何初始振膜挠曲加重了粘滞损失。

发明内容

本发明的一方面涉及一种微机电系统(MEMS)传感器，MEMS传感器包括：集成电路IC管芯，所述IC管芯具有被限定在所述IC管芯中的腔室，其中，所述腔室形成所述MEMS传感器的后腔容积的至少一部分；振膜，所述振膜面对所述腔室，其中，在所述MEMS传感器的操作期间，所述振膜响应于压力的变化而移动，从而改变电容，并且所述IC管芯上的电路检测所述电容的变化并且处理表示所述变化的一个或更多个信号。

本发明的另一方面涉及一种MEMS传感器，MEMS传感器包括：集成电路IC管芯，所述IC管芯具有限定在所述IC管芯中的腔室，其中，所述腔室形成所述MEMS传感器的后腔容积的至少一部分；MEMS管芯；弹性结构，所述弹性结构设置在所述IC管芯与所述MEMS管芯之间，其中，所述弹性结构支承所述IC管芯，并且抵抗所述IC管芯朝着所述MEMS管芯的移动，其中，在所述MEMS传感器的操作期间，所述IC管芯与所述MEMS管芯之间的电容随着所述IC管芯与所述MEMS管芯之间的距离的改变而改变，并且所述IC管芯上的电路检测所述电容的变化并且处理表示所述变化的一个或更多个信号。

本发明的有一方面涉及一种MEMS传感器，所述MEMS传感器包括：活塞，所述活塞包括集成电路IC管芯；MEMS管芯，所述MEMS管芯面对所述活塞，所述IC管芯具有限定在所述IC管芯中的腔室，其中，所述腔室形成所述MEMS传感器的后腔容积的至少一部分；弹性结构，所述弹性结构设置在所述IC管芯与所述MEMS管芯之间，其中，所述弹性结构支承所述MEMS管芯，并且抵抗所述IC管芯朝着所述MEMS管芯的移动，其中，在所述MEMS传感器的操作期间，所述IC管芯与所述MEMS管芯之间的电容随着所述IC管芯与所述MEMS管芯之间的距离的改变而改变，并且所述IC管芯上的电路检测所述电容的变化并且处理表示所述变化的一个或更多个信号。

附图说明

本公开的前述和其它特征根据下面结合附图的描述和所附权利要求将完全变得更加显而易见。附图仅描绘了根据本公开的几个实施方式，并因此不应被视为对其范围的限制。

图1A是根据实施方式的其中使用支柱的腔室(在MEMS传感器的集成电路(IC)管芯或MEMS管芯中)的立体图和截面图。

图1B是根据实施方式的其中使用支柱的、具有较大的中央部分的腔室(在MEMS传感器的IC管芯或MEMS管芯中)的立体图和截面图。

图1C是根据实施方式的其中使用支柱的腔室(在MEMS传感器的IC管芯或MEMS管芯中)的立体图和截面图，并且其中电极是在腔室的开口处分布在支柱当中(沿着顶部)的。

图1D是根据实施方式的其中使用支柱的腔室(在MEMS传感器的IC管芯或MEMS管芯中)的立体图和截面图，并且其中电极是在腔室的开口处分布在支柱当中的。

图1E是根据实施方式的其中使用支柱的、具有较大的中央部分的腔室(在MEMS传感器的IC管芯或MEMS管芯中)的立体图和截面图，其中该较大的中央部分具有电极。

图1F是根据实施方式的其中使用环的腔室(在MEMS传感器的IC管芯或MEMS管芯中)的俯视图。

图1G是根据实施方式的其中使用环的、具有较大的中央部分的腔室(在MEMS传感器的IC管芯或MEMS管芯中)的俯视图。

图1H是根据实施方式的其中使用环的腔室(在MEMS传感器的IC管芯或MEMS管芯中)的俯视图，并且其中电极是在腔室的开口处分布在环当中的。

图2A是根据实施方式的具有IC管芯和MEMS管芯的MEMS传感器的截面图，其中，MEMS管芯包括具有突出结构(例如，凸台)的振膜，其中，IC管芯上的IC面对振膜。

图2B是作为关于图2A所描绘的实施方式的变型例的MEMS传感器的截面图。

图3A是具有IC管芯和MEMS管芯的MEMS传感器的实施方式的截面图，其中，MEMS管芯包括具有突出结构(例如，凸台)的振膜，其中，IC管芯的基板具有腔室并且面对振膜。

图3B是作为关于图3A所描绘的实施方式的变型例的MEMS传感器的截面图。

图4A是具有通过弹性结构支承在MEMS管芯的表面上的IC管芯的MEMS传感器的实施方式的截面图。

图4B是作为关于图4A所描绘的实施方式的变型例的MEMS传感器的截面图。

图5A是MEMS传感器的实施方式的截面图，该MEMS传感器包括具有振膜和背板的MEMS管芯以及IC管芯，其中，IC管芯的基板面对MEMS管芯并且具有腔室。

图5B是包括具有振膜和背板的MEMS管芯和具有腔室的IC管芯的MEMS传感器的截面图，其中，IC面对MEMS管芯。

图5C是与图5B的MEMS传感器相同的MEMS传感器的截面图，不同之处在于其具有从IC延伸、贯穿IC管芯的基板、并到达MEMS传感器外部的硅通孔。

图6A是MEMS传感器的实施方式的截面图，该MEMS传感器包括具有两个振膜和背板的MEMS管芯以及IC管芯，其中，IC管芯的基板面对MEMS管芯并且具有腔室。

图6B是MEMS传感器的实施方式的截面图，该MEMS传感器包括具有两个振膜和背板的MEMS管芯以及IC管芯，其中，IC面对MEMS管芯并且具有腔室。

图6C是与图6B的MEMS传感器相同的MEMS传感器的截面图，不同之处在于其具有从IC延伸、贯穿IC管芯的基板、并到达MEMS传感器外部的硅通孔。

图7是根据实施方式的双振膜固体介电质组件的截面立体图。

图8A是包括具有图7的双振膜固体介电质组件的MEMS管芯以及IC管芯的MEMS传感器的实施方式的截面图，其中IC管芯的基板面对MEMS管芯并且具有腔室。

图8B是包括具有图7的双振膜固体介电质组件的MEMS管芯以及具有腔室的IC管芯的MEMS传感器的实施方式的截面图，其中，IC管芯上的IC面对MEMS管芯。

图8C是与图8B的MEMS传感器相同的MEMS传感器的截面图，不同之处在于其具有从IC延伸、贯穿IC管芯的基板、并到达MEMS传感器外部的硅通孔。

图9A是根据实施方式的具有可移动活塞的MEMS管芯的侧截面图。

图9B是图9A的MEMS管芯的可能实现的活塞、壁、以及外部导体的俯视图。

图9C是MEMS管芯的侧截面图，该MEMS管芯是图9A的MEMS管芯的变型例。

图9D是MEMS管芯的侧截面图，该MEMS管芯是图9A的MEMS管芯的另一变型例。

具体实施方式

在本公开中，描述了MEMS传感器的实施方式，其中，传感器中的IC管芯包括形成传感器的后腔容积的至少部分的腔室。该布置帮助解决横向速度梯度和粘滞所引起的损失的问题。在这些实施方式中的一些实施方式中，对腔室进行特别配置(例如，具有支柱、通道和/或环)以减少空气的横向移动。其它解决方案(与这种腔室结合使用)包括使振膜移动得更像活塞的方式(例如，通过添加使“上下”运动更多而横向运动更少的突起)，或者使用活塞(举例来说，诸如集成电路管芯的刚性硅片)来代替振膜的方式。

如本文所使用的，短语“封闭容积”或“封闭后腔容积”指的是基本上封闭但可不完全封闭的容积(诸如后腔容积)。例如，封闭容积可以指的是经由振膜、活塞、或弹性结构中的穿孔或开口与MEMS传感器周围的环境以流体方式连接的容积。

本文所描述的MEMS传感器的各种实施方式包括彼此联接的集成电路(IC)管芯和MEMS管芯。虽然这些管芯可以被称为截然不同的主体，但是要理解，整个MEMS传感器可以被制造为单个管芯(例如，由单个硅片制成)。在一些实施方式中，除了IC管芯中的腔室之外，还在MEMS管芯中设置腔室。将腔室(在任一管芯中)配置成，增加后腔容积中的空气的顺应性(例如，通过减小被包含在后腔容积内的空气的刚度)，这增加MEMS传感器的灵敏度。该腔室包括通道，在一些实施方式中，该通道的尺寸被设计成减小MEMS传感器内的热声噪声。

本文所描述的MEMS传感器中的任一者可以被并入紧凑型计算装置(例如，便携式通信装置、智能手机、智能音箱、或者物联网(IoT)装置)中，在该紧凑型计算装置中，可以集成一个、两个、三个或更多个传感器，以供拾取并处理诸如语音和音乐的各类声学信号。

根据一些实施方式，将各个腔室配置成，使得腔室的通道内的每一个点都不比单个热边界层的厚度更远离固体表面。例如，在一些实施方式中，在MEMS传感器的大部分音频频带上，所述多个通道中的各个通道的宽度(例如，直径)小于后腔容积内的热边界层厚度的两倍。热边界层厚度可以确定成约为

其中，ω是传感器(例如，麦克风)的工作角频率，并且其中，κ是热导率，ρ₀是密度，以及C_p是在传感器组件内部(例如，在传感器组件的后腔容积内)的气体的恒定压力下的比热。上述关系例示了热边界层厚度与传感器工作频率之间的相关性。

应意识到，在各种实施方式中，通道的几何形状可以不同。

在本文所描述的各种实施方式中，IC管芯中的腔室或MEMS管芯中(或者MEMS管芯的部分(诸如振膜上的突起)中)的腔室的通道可以由从腔的内表面起延伸的支柱或环来限定。转至图1A到图1H，示出了用于这种腔室的支柱和环布置的示例。应注意，为了清楚起见，仅标记了支柱、通道、以及环中的一些。然而，除非另有说明，否则本说明书适用于所示的所有支柱或环。而且，图1A到图1H所描绘的腔室的取向不应被视为限制性的。腔室可以沿任何方向定向(例如，面向上或面向下)，并且图1A到图1H所描绘的那些腔室仅意在作为示例。

图1A描绘了支柱配置的示例的局部截面图，其中，腔室包括从该腔室的内表面104起延伸的支柱102。在支柱102之间有通道106。通道106是由支柱和内表面104来限定的。在一些实施方式中，支柱102是从腔室的下表面起以相对于该下表面基本垂直的取向(下表面距腔室的开口最远)延伸的圆柱体。在其它的实施方式中，支柱102的形状可以不同。图1B示出了另选实施方式的局部截面图，其中，腔室回绕中央部分110(在该示例中被配置为较大的支柱)。

转至图1C和图1D，在一些实施方式中，电极112分布在腔室的支柱的顶部(图1C)当中或者腔室的支柱的顶部附近(图1D)。电极112包括导电层，该导电层被连接(例如，利用沿各个支柱的长轴向下的TSV)至单个公共导体。在腔室回绕中央部分110的的那些实施方式中(举例来说，如图1B所示)，中央部分110本身可以包括电极，在图1E的腔室中示出了该电极的示例，其中，电极114包括靠近中央部分110的表面的导电层。

参照图1F、图1G、以及图1H，示出了(根据本公开的各种实施方式的)具有环的(IC管芯或MEMS管芯的)腔的俯视图。图1F示出了其中通道106是由从腔室的内表面起延伸的同心环107来限定的腔室。图1G示出了其中通道106是由围绕中央部分111(被描绘为大的中心支柱)的同心环107来限定的腔室。图1H示出了其中通道106是由同心环107来限定的腔室，该同心环在其最靠近开口的表面上具有导电层(该导电层充任电极)。在该实施方式中，单个导电肋116电连接相应环上的导电层的部分。

在图2A和图2B中，示出了MEMS传感器的不同实施方式。在这些实施方式中，传感器包括具有腔室的IC管芯，以及面对IC管芯的表面的振膜，其中，IC管芯的腔室形成传感器的后腔容积的至少一部分。传感器包括从振膜中心起突出的凸台。而且，振膜具有第一电极，并且还具有被嵌入IC管芯的腔室中的第二电极。在传感器的操作期间，振膜响应于压力的变化而移动，从而改变第一电极与第二电极之间的电容。IC管芯上的电路检测电容的变化并且处理表示该变化的一个或更多个信号。

在图2A和图2B的实施方式中，将IC管芯定向成使得IC比IC管芯的基板更靠近振膜。转至图2A，MEMS传感器200包括MEMS管芯202和IC管芯204。MEMS管芯202包括振膜206，以及从振膜206的中心起延伸的突起(被描绘为凸台208)。在MEMS传感器200的操作期间，凸台208使振膜206的移动更像活塞。通常，使振膜206与IC管芯204之间的空气移动更多地处于“上下”方向降低了噪声。振膜206包括电极210(也被称为第一电极)。

IC管芯204包括IC 212(例如，半导体材料上的一组电子电路)和基板214(例如，硅基板)。IC管芯204具有腔室220。腔室220的可能结构包括图1D或图1H的结构。腔室220延伸贯穿IC 212的一部分以及基板214的一部分。在一些实施方式中，腔室220仅延伸到IC 212中。IC 212包括电极112，该电极在这个背景下也被称为第二电极。

在实施方式中，将第一电极210通过结构230(例如，共晶金属接触)和IC212内的导电路径232(适当时具有硅通孔(TSV))连接至IC 212的偏置电压源。将第二电极112电连接至IC 212上的电路(例如，连接至该IC的放大器输入端)。另选地，可以将第一电极210电连接至IC 212的电路，并且可以将第二电极112电连接至IC 212的偏置电压源。因此，在一些实施方式中，IC向第一电极提供偏置电压并且读取来自第二电极的信号，而在其它实施方式中，IC向第二电极提供偏置电压并且读取来自第一电极的信号。

MEMS传感器200的后腔容积236是由振膜206、结构230、以及腔室220内的壁和表面(例如，支柱或环)来定界的。当后腔容积236外面的空气压力改变时(例如，由于声压波的结果)，振膜206挠曲，使第一电极210朝着或者远离第二电极112移动，从而改变其间的电容。电容的这种变化是由被传输至IC 212的电路的电信号来表示的，该电路将信号转换成声音或振动的模拟或数字表示。

转至图2B，MEMS传感器250是图2A的MEMS传感器200的变型例。在该实施方式中，凸台208中限定有腔室236。凸台208的腔室236的可能构型包括图1C和图1H的构型。

而且，代替图2A的腔室220，图2B的MEMS传感器250的IC管芯204具有回绕IC管芯204中的中央部分110的腔室270。将第二电极114嵌入中央部分110中。腔室270的可能构型包括图1E的构型。

MEMS传感器250的后腔容积286是由振膜206、结构230、以及IC管芯204的腔室270和凸台208的腔室236内的壁和表面(例如，支柱或环)来定界的。当后腔容积286外面的空气压力改变时(例如，由于声压波的结果)，振膜206挠曲，使第一电极112朝着或者远离第二电极114移动，从而改变其间的电容。电容的这种变化是由被传输至IC 212的电路的电信号来表示的，该电路将信号转换成声音或振动的模拟或数字表示。

在图3A和图3B中，示出了MEMS传感器的另一些施方式。在这些实施方式中，传感器包括具有腔室的IC管芯，以及面对IC管芯的表面的振膜，其中，IC管芯的腔室形成传感器的后腔容积的至少一部分。传感器包括从振膜中心起突出的凸台。振膜具有电极。IC管芯的基板充当第二电极(例如，可以对其进行掺杂以使其具有电活性)。在传感器的操作期间，所述振膜响应于压力的变化而移动，从而改变电极与IC管芯之间的电容。IC管芯上的电路检测电容的变化并且处理表示该变化的一个或更多个信号。在图3A和图3B的实施方式中，将IC管芯定向成使得IC管芯的基板比IC本身更靠近振膜。

转至图3A，示出了根据另一实施方式的MEMS传感器。MEMS传感器300包括IC管芯302以及被联接至IC管芯302的MEMS管芯304。IC管芯302包括处于基板(例如，硅基板)308上的IC 306。MEMS管芯304包括振膜310和基板312。将IC管芯302的基板308经由结构314(例如，共晶金属接触)附接至MEMS管芯304。将制成振膜310的材料层(例如，氮化硅层)夹在结构314与MEMS管芯304的基板312之间。MEMS管芯304还包括从振膜310的中心起延伸的凸台316。在该实施方式中，凸台316起到与图2A和图2B的实施方式中的凸台208相同的作用。振膜310包括电极318。IC管芯302的基板308中具有腔室320。腔室320的可能构型包括图1A和图1F的构型。

在实施方式中，将电极318电连接至IC 306上的偏置电压源，并且将IC管芯302的基板308电连接至IC 306的电路。在其它的实施方式中，将电极318电连接至IC 306，并且将IC管芯302的基板308电连接至IC 302上的偏置电压源。因此，在一些实施方式中，IC向第一电极提供偏置电压并且读取来自第二电极的信号，而在其它实施方式中，IC向第二电极提供偏置电压并且读取来自第一电极的信号。

图3A所描绘的MEMS传感器的后腔容积330是由振膜310、结构314、以及腔室320内的壁和表面(例如，支柱或环)来定界的。当后腔容积330外面的空气压力改变时(例如，由于声压波的结果)，振膜310挠曲，使电极318朝着或者远离IC管芯基板308移动，从而改变其间的电容。电容的这种变化是由被传输至IC 306的电路的电信号来表示的，该电路将信号转换成声音或振动的模拟或数字表示。

转至图3B，MEMS传感器350是图3A的MEMS传感器300的变型例。在该实施方式中，凸台316中限定有腔室336。凸台316的腔室336的可能构型包括图1C和图1H的构型。

而且，代替图3A的腔室320，图3B的MEMS传感器350的IC管芯304具有回绕IC管芯304中的中央部分110的腔室370。腔室370的可能构型包括图1B的构型。

MEMS传感器350的后腔容积386是由振膜310、结构314、以及IC管芯302的腔室370和凸台318的腔室336内的壁和表面(例如，支柱或环)来定界的。当后腔容积386外面的空气压力改变时(例如，由于声压波的结果)，振膜310挠曲，使第一电极112朝着或者远离IC管芯基板308移动，从而改变其间的电容。电容的这种变化是由被传输至IC 306上的电路的电信号来表示的，该电路将信号转换成声音或振动的模拟或数字表示。

为了解决由振膜移动而造成的可能损失，MEMS传感器的实施方式具有通过弹性结构支承在MEMS管芯的表面上的IC管芯。在该实施方式中，IC管芯是在机械上充任活塞的刚性体，并且有效地取代了振膜。在IC管芯中限定了腔室，使得该腔室形成麦克风的后腔容积的至少一部分。另选地，可以在MEMS管芯中而不是在IC管芯中限定腔室。弹性结构抵抗IC管芯朝着MEMS管芯的移动。弹性结构还提供防止空气横向移动的密封，这降低了噪声。在MEMS传感器的操作期间，IC管芯与MEMS管芯之间的电容随着该IC管芯与MEMS管芯之间的距离的改变而改变。IC管芯上的IC检测电容的变化并且处理表示该变化的一个或更多个信号。

根据实施方式，弹性结构包括通气孔，该通气孔允许后腔容积中的压力与环境压力平衡(但仅在非声学频率下-该通气孔在声学频率下是被密封的)。

转至图4A，示出了根据这种实施方式配置的MEMS传感器。MEMS传感器400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402、基板404、以及将活塞402支承在基板404上的弹性结构406。本实施方式中的活塞402是包括IC 408和IC基板410的IC管芯402。IC基板410具有腔室420。腔室420的可能构型包括图1A和图1F的构型。

IC管芯402、基板404、以及弹性结构406包围后腔容积412。弹性结构406阻止空气离开后腔容积412，并且阻止空气在从后腔容积412的中央部分在沿径向向外的方向上行进。基板404包括设置在基板404的表面处或附近的电极414。

IC管芯402朝着和远离电极414(该电极面对IC基板410)的移动导致IC管芯402与电极414之间的电容的变化，并引发信号。将电极414经由导电路径连接至IC 408中的偏置电压源，并且将IC管芯402经由导电路径连接至IC 408中的电路(例如，连接至该IC的放大器输入端)。

另选地，可以将图4A的MEMS传感器400实现成，使得腔室(即，图4A的腔室420)不在活塞(IC管芯402)中而是在基板404中。图4B示出了这样的实施方式，其中，MEMS传感器450具有被限定在基板404中的腔室421。腔室421的可能构型包括图1C和图1H的构型。

图4B的活塞(IC管芯)402、腔室421的表面、以及弹性结构406包围后腔容积409。弹性结构406阻止空气离开后腔容积409，并且特别地，阻止空气在从后腔容积409的中央部分在沿径向向外的方向上行进。

图4B的MEMS传感器实施方式的操作在其它方面与图4A的MEMS传感器实施方式的操作相同。

根据本公开的MEMS传感器的一些实施方式包括振膜和背板。转至图5A，示出了一个这样的实施方式。MEMS传感器500包括IC管芯502以及被联接至IC管芯502的MEMS管芯504。IC管芯502包括IC506和基板508。MEMS管芯504包括：振膜510、面对振膜510的背板512、以及基板514。振膜510具有第一电极516，背板512具有第二电极518。将背板512经由第一间隔体520附接至IC管芯502。将振膜510经由第二间隔体522附接至背板512并且经由第三间隔体524附接至基板514。

在实施方式中，将第一电极516电连接至IC 506中的偏置电压源，并且将第二电极518电连接至IC 506的电路。在其它的实施方式中，将第一电极516电连接至IC 506的电路，并且将第二电极518电连接至IC 506中的偏置电压源。因此，在一些实施方式中，IC向第一电极提供偏置电压并且读取来自第二电极的信号，而在其它实施方式中，IC向第二电极提供偏置电压并且读取来自第一电极的信号。

IC基板508具有腔室530。腔室530的可能构型包括图1A和图1F的构型。

图5A所描绘的MEMS传感器的后腔容积532是由振膜510、间隔体520和522、以及腔室530内的壁和表面(例如，支柱或环)来定界的。当后腔容积532外面的空气压力改变时(例如，由于声压波进入MEMS管芯基板514的孔534的结果)，振膜510挠曲，使第一电极516朝着或者远离第二电极518移动，从而改变其间的电容。电容的这种变化是由被传输至IC 506的电信号来表示的，该IC将信号转换成声音或振动的模拟或数字表示。

在关于图5A的实施方式的变型例中，图5B的MEMS传感器550具有包括IC 554和基板556的IC管芯552。IC管芯552具有延伸贯穿IC 554以及贯穿基板556的腔室558。与图5A的实施方式形成对比，图5B的实施方式具有IC管芯552，该IC管芯被定向成使得其IC 554面朝MEMS管芯504。因此，MEMS管芯504在图5B中是以与图5A相反的取向来描绘的。腔室558的可能构型包括图1A和图1F的构型。后腔容积560是由振膜510、间隔体520和522、以及腔室558内的壁和表面(例如，支柱或环)来定界的。

与图5A的实施方式形成对比，将图5B的IC 554经由结构562(例如，共晶金属接触)电连接至MEMS管芯504。图5B的MEMS传感器550的操作在其它方面与图5A的MEMS传感器500的操作相同。当后腔容积560外面的空气压力改变时，振膜510挠曲，使第一电极516朝着或者远离第二电极518移动，从而改变其间的电容。电容的这种变化是由被传输至IC 554的电信号来表示的，该IC将信号转换成声音或振动的模拟或数字表示。

在关于图5B的实施方式的变型例中，在图5C(MEMS传感器570)中，将IC 554经由TSV 580电连接至MEMS传感器外部的其它组件。MEMS传感器570的操作在其它方面与图5A的MEMS传感器500以及图5B的MEMS传感器550的操作相同。

图6A、图6B、以及图6C示出了图5A、图5B、以及图5C的实施方式的其它变型例。在这些实施方式中，将相应的IC管芯(图5A的IC管芯502以及图5B和图5C的IC管芯552)联接至具有双振膜组件604的MEMS管芯602。双振膜组件604包括：包含第一电极608的第一振膜606、包含第二电极612的第二振膜610、以及包含第三电极616的背板614。将第一振膜606和第二振膜610定向成使得它们彼此面对，并且将背板614设置在第一振膜606与第二振膜610之间并且面对第一振膜606和第二振膜610两者。将第一振膜606和第二振膜610通过支柱618彼此连接，该支柱延伸贯穿背板614中的孔。

在图6A的实施方式中，将双振膜组件604(以及因此作为整体的MEMS管芯602)经由间隔体620联接至IC管芯502。将双振膜组件604经由间隔体621联接至MEMS管芯602的基板605。后腔容积622是由第一振膜606、间隔体620、以及腔室530的表面(例如，支柱、环、后腔内表面)来定界的。

与图6A的实施方式形成对比，在图6B和图6C的实施方式(MEMS传感器650和670)中，将双振膜组件604(以及因此作为整体的MEMS管芯602)经由结构654(例如，共晶金属接触)联接至IC管芯552。后腔容积672是由第一振膜606、结构654、以及腔室558的壁和表面(例如，支柱或环)来定界的。

在图6B和图6C的MEMS传感器650和670中，将IC 554经由结构654电连接至MEMS管芯602。图6C的MEMS传感器670与图6B的MEMS传感器650的不同之处在于，IC 554是经由TSV580电连接至MEMS传感器外部的其它组件的。MEMS传感器670的操作在其它方面与图6A的MEMS传感器600以及图6B的MEMS传感器650的操作相同。

图6A、图6B、以及图6C的实施方式中的各个实施方式的操作如下。当后腔容积外面的空气压力改变时(例如，由于声压波进入MEMS管芯基板的孔的结果)，第一振膜或第二振膜移动，使振膜上的电极朝着或者远离背板上的电极(第三电极)移动，这也使相对的振膜及其电极相对于背板电极沿相反的方向移动，从而改变所述振膜电极中的各个振膜电极与背板电极之间的电容。电容的这种双重变化是由被传输至IC 554的电信号来表示的，该IC将信号转换成声音或振动的模拟或数字表示。

转到图7，示出了可用于代替双振膜组件604(图6A、图6B、以及图6C)的另一类型的双振膜组件。图7的双振膜固体介电质组件700包括被联接至第一组电极710-x和第三组电极730-x的第一振膜770。第一振膜770具有垂直于轴线760的表面772。表面772是基本平面的(例如，平面的但在表面772上具有缺陷或者略微弯曲或不平坦，同时仍允许表面772以对振膜有用的方式操作)。振膜770可以由夹层制成。双振膜组件700还包括位于介电质750的与第一振膜770相反一侧上的第二振膜774。将第二振膜774联接至第一组电极710-x和第二组电极720-x。第二振膜774具有基本平坦的表面776，并且是垂直于轴线760定向的。将第一振膜770和第二振膜774与介电质750间隔开，以准许被连接至第一振膜和第二振膜的电极与介电质750之间的相对移动。

在实施方式中，将密封的低压区域限定在振膜770与774之间。该低压区域用于减小组件700的噪声和阻尼。第一组电极710-x(其被连接至第一振膜770和第二振膜774两者)帮助防止振膜坍塌到介电质750上。该低压区可以是基本真空的(例如，具有小于1Torr、小于300mTorr、或者小于100mTorr的压力)。根据实施方式，介电质750与振膜770和774相比相对厚且硬，并且当振膜770和774发生挠曲时仍保持相对不动。振膜770和774的挠曲相对于介电质750移动电极710-x、720-x、以及730-x。

振膜770和774可以由诸如氮化硅的介电材料制成。然而，可以使用其它材料。例如，振膜770、振膜774、以及介电质750中的一个或更多个可以是聚酰亚胺。

图8A、图8B、以及图8C示出了图6A、图6B、以及图6C的实施方式的变型例，其中，使用双振膜固体介电质组件700来代替双振膜组件604。在这些实施方式中，将相应的IC管芯(IC管芯502和IC管芯552)联接至使用双振膜固体介电质组件700的MEMS管芯802。

在图8A的实施方式(MEMS传感器800)中，将双振膜固体介电质组件700(以及因此作为整体的MEMS管芯802)经由间隔体620联接至IC管芯502，经由间隔体821联接至MEMS管芯802的基板805。后腔容积822是由第一振膜770、间隔体620、以及腔室530的表面(例如，支柱、环、后腔内表面)来定界的。

与图8A的实施方式形成对比，在图8B和图8C的实施方式(MEMS传感器850和870)中，将双振膜固体介电质组件700(以及因此作为整体的MEMS管芯802)经由结构654(例如，共晶金属接触)联接至IC管芯552。后腔容积872是由第一振膜770、结构654、以及腔室558的壁和表面(例如，支柱或环)来定界的。

在MEMS传感器850和870中，将IC 554经由结构654电连接至MEMS管芯802。图8C的MEMS传感器870与图8B的MEMS传感器850的不同之处在于，IC554是经由TSV 580电连接至MEMS传感器外部的其它组件的。MEMS传感器870的操作在其它方面与图8A的MEMS传感器800以及图8B的MEMS传感器850的操作相同。

图8A、图8B、以及图8C的MEMS传感器800、850、以及870中的每一者操作如下。压力(例如，来自声波)经由MEMS管芯基板805中的孔834到达所述振膜中的至少一个振膜，使该振膜挠曲并且相对于介电质移动被附接至其的电极，从而使各个元件之间的相应电容改变。电容的这种变化表现为正在从双振膜固体介电质组件700输出的一个或更多个信号的变化。所述一个或更多个信号通过IC 554经由所附接的焊接线534(图8A)或者经由结构654(图8B和图8C)读出，并且通过IC(例如，经由图8C的TSV 580)传递到其它外部组件。

转至图9A，示出了根据又一实施方式配置的MEMS传感器。MEMS传感器900包括具有活塞902的MEMS管芯901，该活塞是刚性的(例如，由相对厚的硅制成)和导电的(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)。MEMS传感器900还包括IC管芯904，以及将活塞902支承在IC管芯904上的弹性结构906。活塞902和弹性结构906的可能实现包括结合图4A和图4B的活塞和弹性结构所讨论的那些。后腔容积908在顶部由活塞902定界、在底部由IC管芯904定界、并且在所有侧面由弹性结构906定界。换句话说，活塞902、IC管芯904、以及弹性结构906包围后腔容积908。弹性结构906防止空气离开后腔容积908，并且特别地，阻止空气在从后腔容积908的中央部分在沿径向向外的方向上行进。IC管芯904包括IC 910和基板911。在IC管芯904中形成腔室912。腔室912延伸到IC 910中，并且在例示实施方式中延伸到基板911中。腔室912的可能构型包括参照图1D和图1H所描绘和描述的那些。

电极112面对活塞902，使得在活塞902与电极112之间存在电容(其中活塞902充当电容器的第一电极，电极112充当电容器的第二电极，并且后腔容积908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902包括绝缘材料以及导电部分或层两者，其中，导电部分或层充当电容器的第一电极。

在实施方式中，将活塞902电连接至IC 910中的偏置电压源，并且将电极112电连接至IC 910的电路(例如，连接至该IC的放大器输入端)。另选地，可以将活塞902电连接至IC 910的电路，并且可以将电极112电连接至IC 910的偏置电压源。因此，在一些实施方式中，IC向活塞提供偏置电压并且读取来自电极的信号，而在其它实施方式中，IC向电极提供偏置电压并且读取来自活塞的信号。

根据实施方式，MEMS管芯901包括壁920以及一个或更多个外部导体922。将各个外部导体922在一端电连接至活塞902(或者如果活塞包括绝缘材料，则电连接至活塞902上的电极)并且在另一端电连接至壁920。在实施方式中，所述一个或更多个外部导体922中的各个外部导体皆是弹性构件，诸如金属弹簧。将壁920通过结构924(例如，共晶金属接触)和IC管芯904内的导电路径926(适当时具有硅通孔(TSV))连接至IC 910的偏置电压源。图9B描绘了从活塞902上方看到的壁920和外部导体922。

在关于结合图9A描述的实施方式的变型例中，电极112的功能可以由图9C的MEMS传感器950中所示的两个电极来执行。在该实施方式中，电极112的功能是由电极112a和电极112b来执行的，这两个电极都被描绘为嵌入IC 910中。在该实施方式中，将电极112a经由导电路径926a电连接至IC 910中的偏置电压源，并且将电极112b经由导电路径926b电连接至IC 910的电路(例如，连接至该IC的放大器输入端)。

在实施方式中，将活塞通过非常大的电阻器连接至电位(例如，电接地)。电阻器的电阻应当足够大以将电转角频率设定成低于希望的低声转角频率(例如，20Hz)。在实施方式中，电阻可以是10^12欧姆。在其它的实施方式中，电阻可以小于或大于10^12欧姆。在实施方式中，电阻器是由弹性结构906和IC 910的漏电电导形成的。在工作中，活塞在DC意义上是连接至电位的，但在AC意义上是电隔离的。在这样的实施方式中，活塞朝着和远离面对该活塞的电极的移动导致活塞与电极之间的电容的变化，并且在所述电极中的一个电极中引发信号(另一个电极被提供有DC电压)。其示例在图9D中示出(其是关于结合图9C描述的实施方式的变型例)。在图9D中，MEMS传感器960具有被配置为电浮动的活塞902。在该实施方式中，将电极112a经由导电路径926a连接至IC 910的偏置电压源，并且将电极112b经由导电路径926b连接至IC 910的电路(例如，连接至该IC的放大器输入端)。

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针对情况和/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。

除非另外加以指明，否则使用词语“近似”、“大约”、“大概”、“大致”等意指加或减百分之十。

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及其等同物来限定。

Claims (16)

1.一种微机电系统MEMS传感器，所述MEMS传感器包括：

集成电路IC管芯，所述IC管芯具有被限定在所述IC管芯中的腔室，其中，所述腔室形成所述MEMS传感器的后腔容积的至少一部分；

振膜，所述振膜面对所述腔室，

其中，在所述MEMS传感器的操作期间，所述振膜响应于压力的变化而移动，从而改变电容，并且所述IC管芯上的电路检测电容的变化并且处理表示所述变化的一个或更多个信号。

2.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，面对所述IC的表面的所述振膜是振膜组件中的第一振膜，所述振膜组件还包括面对所述第一振膜的第二振膜，其中，所述第一振膜与所述第二振膜之间的区域处于比环境压力低的压力下。

3.根据权利要求2所述的MEMS传感器，其中，所述IC管芯包括IC和基板，所述电路处于所述IC上，并且所述腔室被限定在所述基板中。

4.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，所述IC管芯包括多个支柱，所述多个支柱从所述腔室的内表面起延伸。

5.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，所述IC管芯包括多个同心环，所述多个同心环从所述腔室的内表面起延伸。

6.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，

所述振膜包括电极，

由所述电路检测到的所述电容的变化是所述IC管芯与所述电极之间的电容的变化。

7.根据权利要求1所述的MEMS传感器，所述MEMS传感器还包括凸台，所述凸台从所述振膜的中心起延伸。

8.根据权利要求7所述的MEMS传感器，其中，

在所述凸台中限定了第二腔室，

所述第二腔室形成所述MEMS传感器的后腔容积的至少一部分。

9.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，所述振膜包括第一电极，所述MEMS传感器还包括第二电极，所述第二电极固定在所述振膜与所述IC管芯之间，

其中，由所述电路检测到的所述电容的变化是所述第一电极与所述第二电极之间的电容的变化。

10.一种微机电系统MEMS传感器，所述MEMS传感器包括：

集成电路IC管芯，所述IC管芯具有限定在所述IC管芯中的腔室，其中，所述腔室形成所述MEMS传感器的后腔容积的至少一部分；

MEMS管芯；

弹性结构，所述弹性结构设置在所述IC管芯与所述MEMS管芯之间，其中，所述弹性结构支承所述IC管芯，并且抵抗所述IC管芯朝着所述MEMS管芯的移动，

其中，在所述MEMS传感器的操作期间，所述IC管芯与所述MEMS管芯之间的电容随着所述IC管芯与所述MEMS管芯之间的距离的改变而改变，并且所述IC管芯上的电路检测电容的变化并且处理表示所述变化的一个或更多个信号。

11.根据权利要求10所述的MEMS传感器，其中，

所述IC管芯包括支承所述电路的基板，并且

所述腔室被限定在基板中。

12.根据权利要求10所述的MEMS传感器，其中，所述IC管芯包括多个支柱，所述多个支柱从所述腔室的内表面起延伸。

13.根据权利要求10所述的MEMS传感器，其中，所述IC管芯包括多个同心环，所述多个同心环从所述腔室的内表面起延伸。

14.一种微机电系统MEMS传感器，所述MEMS传感器包括：

活塞，所述活塞包括集成电路IC管芯；

MEMS管芯，所述MEMS管芯面对所述活塞，所述MEMS管芯具有限定在所述MEMS管芯中的腔室，其中，所述腔室形成所述MEMS传感器的后腔容积的至少一部分；

弹性结构，所述弹性结构设置在所述IC管芯与所述MEMS管芯之间，其中，所述弹性结构支承所述MEMS管芯，并且抵抗所述IC管芯朝着所述MEMS管芯的移动，

其中，在所述MEMS传感器的操作期间，所述IC管芯与所述MEMS管芯之间的电容随着所述IC管芯与所述MEMS管芯之间的距离的改变而改变，并且所述IC管芯上的电路检测电容的变化并且处理表示所述变化的一个或更多个信号。

15.根据权利要求14所述的MEMS传感器，其中，所述MEMS管芯包括多个支柱，所述多个支柱从所述腔室的内表面起延伸。

16.根据权利要求14所述的MEMS传感器，其中，所述MEMS管芯包括多个同心环，所述多个同心环从所述腔室的内表面起延伸。

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