TW201632453A - Mems裝置與製程 - Google Patents
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Abstract
本申請案係關於具有一膜層(101)以及至少一個可變通風口結構(301)之MEMS轉換器。可變通風口結構具有:一通風孔,其用於使流體通風以便減小膜層上之一壓差;以及一可移動通風口蓋(302a、302b),其在一平衡位置處至少部分阻擋通風孔。通風口蓋可回應於通風口蓋上之一壓差自其平衡位置移動,以便變化穿過通風孔之一流道的大小。在各種實施例中,通風口蓋包含至少一第一掀板區段(302a)以及一第二掀板區段(302b),第一掀板區段鉸鏈耦接至通風孔之側,且第二掀板區段鉸鏈耦接至第一掀板區段,以便可相對於第一掀板區段移動。在一些實施例中,第二掀板區段(302b)可經組態以使得其偏轉遠離第一區段比第一區段(302a)偏轉遠離其平衡位置容易。
Description
本發明係關於微機電系統(MEMS)裝置與製程,且詳言之,係關於與轉換器(例如,電容式麥克風)有關的MEMS裝置與製程。
各種MEMS裝置愈來愈流行。MEMS轉換器(且尤其是MEMS電容式麥克風)在諸如行動電話、穿戴式裝置以及攜帶型計算裝置之攜帶型電子裝置中愈來愈常用。
使用MEMS製造製程形成之麥克風裝置通常包含一或多個膜,其中用於讀出/驅動之電極沈積於膜及/或基板上。在MEMS壓力感測器以及麥克風之狀況下,通常藉由量測電極之間的電容實現讀出。在輸出轉換器之狀況下,藉由靜電力移動膜,該等靜電力係藉由變化電極上所施加的電位差而產生。
圖1a以及圖1b分別展示已知電容式MEMS麥克風裝置100之示意圖以及透視圖。電容式麥克風裝置100包含一膜層101,該膜層形成一可撓性膜,該可撓性膜回應於聲波所產生的壓力差而自由移動。第一電極103以機械方式耦接至可撓性膜,且其一起形成電容式麥克風裝置之第一電容板。第二電極102以機械方式耦接至大體剛性的結構層或背板104,第二電極與大體剛性的結構層或背板一起形成電容式麥克風裝置之第二電容板。在圖1a中所示之實例中,第二電極102嵌入於背板結構104內,但熟習此項技術者應瞭解,第二電極可在背板之表面上。
電容式麥克風形成於基板105上,該基板例如其上可形成有上部氧化層106以及下部氧化層107之矽晶圓。基板中以及任何上覆層中之空腔108(下文中被稱作基板空腔)設置於膜的下方,且可使用「回蝕」穿過基板105而形成。基板空腔108連接至位於膜正下方的第一空腔109。此等空腔108與109可共同地提供聲體積,因此允許膜回應於聲刺激而移動。插入於第一電極102與第二電極103之間的為第二空腔110。
下文中被稱作放氣孔111之複數個孔連接第一空腔109與第二空腔110。
下文中被稱作聲孔112之其他複數個孔配置於背板104中,以便允許空氣分子自由移動穿過背板,以使得第二空腔110形成聲體積的一部分,其中在背板之另一側上具有空間。因此在兩個體積之間支撐膜101,一個體積包含空腔109以及基板空腔108,且另一體積包含空腔110以及在背板上方之任何空間。設定此等體積的大小,以使得膜可回應於聲波經由此等體積中的一者進入而移動。通常,入射聲波到達膜所穿過之體積被稱為「前體積」,而可實質上密封之者被稱作「後體積」。
在一些應用中,背板可配置於前體積中,以使得入射聲音經由背板104中之聲孔112到達膜。在此狀況下,可設定基板空腔108的大小,從而提供合適的後體積之至少相當大的部分。
在其他應用中,可配置麥克風以使得可經由在使用中之基板空腔108接收聲音,亦即,基板空腔形成至膜之聲道的部分以及前體積之部分。在此等應用中,背板104形成後體積之部分,其通常由諸如合適的封裝之某一其他結構圍封。
亦應注意,儘管圖1展示在膜之與基板105相對的側上支撐背板104,但配置係已知的,其中形成的背板104最靠近基板,其中在該基
板上方支撐膜層101。
在使用中,回應於對應於入射於麥克風上的壓力波之聲波,膜自其平衡位置有略微的變形。相對應地更改下部電極103與上部電極102之間的距離,從而引起隨後由電子電路(未圖示)偵測之在兩個電極之間的電容之改變。放氣孔允許第一以及第二空腔中之壓力在相對長的時間標度(以聲頻為單位)內保持均衡,此情形降低了低頻壓力變化(例如,由溫度變化以及類似者引起)之影響,但是不會顯著影響在所要聲頻下之敏感度。
為了適合在攜帶型電子裝置中使用,此等轉換器應能夠經受得住攜帶型裝置之預期處置以及使用,其可包括裝置經受大聲的雜訊以及意外掉落。
若諸如行動電話之裝置經受下落,則此可不僅導致歸因於撞擊之機械衝擊,並且還導致入射於MEMS轉換器上之高壓脈衝。舉例而言,行動電話可具有用於裝置之一個面上之MEMS麥克風的聲音埠。若裝置下落至彼面上,則可由下落的裝置壓縮一些空氣,且迫使空氣至聲音埠中。此壓縮可導致入射於轉換器上之高壓脈衝。已發現,在習知MEMS轉換器中,高壓脈衝可潛在地導致轉換器之損壞。
為了幫助防止可由此等高壓脈衝造成之任何損壞,已提議MEMS轉換器可具備至少一個可變通風口,該可變通風口可提供前體積與後體積之間的流道,該流道具有可在使用中變化之大小。在高壓情形中,可變通風口提供體積之間的相對大的流道,以便提供體積之間的相對快速的均衡化,從而減小膜上之高壓事件的程度及/或持續時間。然而,在較低壓力下,在轉換器之預期正常操作範圍內,流道(若存在)之大小較小。
可變通風口結構因此充當在相對高壓差下減小作用於膜上之壓差的類型之減壓閥。然而,不同於可存在於膜中之放氣孔(該等放氣孔
具有固定面積以及因此固定大小之流道),可變通風口具有回應於壓差而變化之流道大小。因此,可變通風口允許通風的程度取決於作用於通風口上之壓差,該壓差明顯取決於第一以及第二體積中的至少一者之壓力。可變通風口因此提供可變聲阻抗。
一個提議的可變通風口結構具有一可移動部分,該可移動部分可移動以便打開在膜之任一側上的在體積之間延伸的孔。圖2a以及圖2b說明此已知可變通風口結構。圖2a說明轉換器之可撓性膜101,諸如上文關於圖1a以及圖1b所描述(為了清楚起見,省略了轉換器結構之其餘部分)。在包括空腔109之第一體積與包括空腔110之第二體積之間支撐膜。如上文所描述,膜通常將具有複數個放氣孔111,該等放氣孔經設定尺寸以及經配置以產生轉換器上之調諧效應,且減小低頻壓力變化之影響。然而,此等放氣孔經設計以對在所關注的聲頻下之動壓力變化具有有限影響,且因此對突然高壓事件提供極有限的回應。
圖2a之轉換器結構因此亦包括(如圖2b所說明)由可移動部分202形成之可變通風口結構201,該等可移動部分可相對於孔(在此狀況下為穿過膜101之孔)移動。可移動部分202經配置以在平衡壓力下(亦即,在第一與第二體積處於實質上相同的壓力下時)佔據孔之至少一些以及可能大部分區域。可移動部分可回應於孔上(亦即,在前體積與後體積之間且因此在膜上)之局部壓差而移動,以便變化打開以提供流道之孔之大小,且因此變化通風口允許體積之間的壓力均衡之程度。換言之,可移動部分可在平衡時有效地閉合孔的至少部分,但可移動以便變化孔閉合之程度。
可移動部分202可藉由蝕刻穿過膜材料101之一或多個通道203而界定,以使得可移動部分藉由一或多個連接點204附著至膜101之其餘部分,以使得可移動部分可自膜之其餘部分偏轉。通風口可經組態以使
得可移動部分202實質上不偏轉,且因此在處於MEMS轉換器之正常預期操作範圍內的壓差下保持閉合孔,但在可潛在地造成膜損壞之較高壓差下,移動以增加流道之大小,例如,孔閉合得較少。
圖2a之頂部部分說明在正常操作中之可撓性膜101,其中第二體積110中之壓力大於第一體積中之壓力。膜101因此自膜平衡位置向下偏轉。然而,壓差處於裝置之正常預期操作範圍內,亦即,低於操作壓力臨限值,且因此可變通風口201之可移動部分202保持實質上閉合。圖2之下部部分說明可移動部分202已自膜之其餘部分偏轉,從而暴露膜中之孔,且因此提供穿過膜之流道。圖2a說明形成可變通風口結構201的膜之兩個可移動部分,但應瞭解,實務上可存在更多此等通風口。
此等可變通風口結構因此可非常有用於提供可更好地經受得住高壓事件之MEMS轉換器(尤其是麥克風)。然而,需要注意可變通風口之設計,尤其是在形成於轉換器之膜中時。在具有已知可變通風口之情況下,高壓釋放與在聲壓下的效能之間通常存在折衷,因為若通風口太容易打開,則轉換器之聲效能可能降級,但若通風口太難以打開,則其可能不提供在高壓事件期間的足夠多之流動。流動可藉由增加通風口之數目而增加,但此可使膜之效能降級,或在膜自身中形成太多通風口之情況下,導致膜之區域中的增大之應力集中。通風口可形成於替代流道(例如,穿過側壁結構)中,但此通常增大轉換器結構之大小以及成本,此可增大轉換器晶片所需要的面積。
熟習此項技術者將瞭解,MEMS轉換器通常在單體化之前形成於晶圓上。日益提議,例如用於轉換器之讀出及/或驅動的至少一些電子電路亦經提供為具有轉換器之積體電路的一部分。舉例而言,MEMS麥克風可經形成為具有至少某一放大器電路及/或用於對麥克風加偏壓之某一
電路的積體電路。轉換器以及任何電路所需要的區域之佔據面積將判定在給定晶圓上可形成多少裝置以及對MEMS裝置之成本的影響。因此,一般需要減小在晶圓上製造MEMS裝置所需要的佔據面積。
根據本發明,提供一種MEMS轉換器,其包含:一膜層;以及至少一個可變通風口結構,其包含:一通風孔,其用於使流體通風以便減小該膜層上之一壓差;以及一可移動通風口蓋,其在一平衡位置處至少部分阻擋該通風孔;其中該通風口蓋可回應於該通風口蓋上之一壓差自該平衡位置移動,以便變化穿過該通風孔之一流道的大小;且其中該通風口蓋包含至少一第一掀板區段以及一第二掀板區段,該第一掀板區段鉸鏈耦接至該通風孔之側,且該第二掀板區段鉸鏈耦接至該第一掀板區段,以便可相對於該第一掀板區段移動。
該第二掀板區段可僅經由該第一掀板區段耦接至該通風孔之該側。該第二掀板區段可鉸接至該第一掀板區段。
在一些實施例中,該通風口蓋可經組態以使得第一掀板區段在給定壓差下偏轉遠離平衡位置的程度不同於第二掀板區段在相同壓差下偏轉遠離第一掀板區段的程度。通風口蓋可經組態以使得第二掀板區段偏轉遠離第一掀板區段比第一掀板區段偏轉遠離平衡位置容易。通風口蓋可經組態以使得在使用中,在至少一個壓差下,第二掀板區段相對於第一掀板區段之偏轉量將大於第一掀板區段自平衡狀態之偏轉量。
第一掀板區段可經由第一連接耦接至通風孔之側,且第二掀板區段可藉由第二連接耦接至第一掀板區段。第一連接以及第二連接之尺
寸及/或幾何形狀可彼此不同。在一些實施例中,第一連接以及第二連接可各自包含一頸部區,且頸部區之尺寸可彼此不同。在一些實施例中,第一以及第二連接中的至少一者可包含樑結構,及/或第一以及第二連接中的至少一者可包含沿著鉸鏈軸線間隔開之複數個連接區。
第一掀板區段可耦接至通風孔之側,以用於實質上圍繞第一鉸鏈軸線移動,且第二掀板區段可耦接至第一掀板區段,以用於實質上圍繞第二鉸鏈軸線相對於第一掀板區段移動,其中第一與第二鉸鏈軸線彼此平行。第一掀板區段可經耦接以用於在旋轉方向上圍繞第一鉸鏈軸線移動,且第二掀板區段可經耦接以用於在相同旋轉方向上圍繞第二鉸鏈軸線移動。替代地,第一掀板區段可經耦接以用於在旋轉方向上圍繞第一鉸鏈軸線移動,且第二掀板區段可經耦接以用於在相反旋轉方向上圍繞第二鉸鏈軸線移動。
第一掀板區段可在第一掀板區段之一側上耦接至側壁,且可在其相反側上耦接至第二掀板部分。
在一些實施例中,第二掀板區段可在第一掀板區段之周邊內。
在一些實施例中,第一掀板區段之面積可為通風口蓋之面積的至少20%。另外或替代地,第二掀板區段之面積可為通風口蓋之面積的至少20%。
通風口蓋可經組態以使得在使用中,至少第一掀板區段在低於第一壓力臨限值的壓差下實質上不會自平衡位置偏轉。第一壓力臨限值可處於或高於MEMS轉換器之預期正常操作壓力範圍。
通風口蓋可經組態以使得在使用中,第一掀板區段在高於第一區段之第二壓力臨限值的壓差下實質上自平衡位置偏轉。
通風口蓋可經組態以使得在使用中,第二掀板區段在高於第二區段之第二壓力臨限值的壓差下實質上自平衡位置偏轉。第二壓力臨限值可在MEMS轉換器之正常操作預期操作壓力範圍內。
在一些實施例中,通風口蓋可包含至少一個額外掀板區段,其中該或每一額外掀板區段鉸鏈耦接至第一掀板區段或第二掀板區段中之一者或中間額外掀板區段。通風口蓋可經組態以使得至少一個額外掀板部分在使用中在處於MEMS轉換器之預期正常操作範圍內的壓差下實質上自其平衡位置偏轉。
通風口蓋可經組態以提供流道大小,該流道大小在使用中隨著處於MEMS轉換器之正常預期操作範圍內的壓力而變化,以便提供可變敏感度。
通風孔可形成於第一材料層中,且通風口蓋由與該第一層相同的材料形成。通風口蓋可由穿過第一層之一或多個通道界定。通風口蓋可經組態以使得在平衡位置處,第一掀板區段以及第二掀板區段實質上位於第一層之平面。第一層可為膜層。在此狀況下,對於至少一個通風口,通風孔可位於膜層中膜電極之區域之外。另外或替代地,對於至少一個通風口,通風孔可位於膜層中在膜電極中之開口的區域中的膜電極之周邊區域內。
轉換器可包含電容式感測器。轉換器可包含麥克風。MEMS轉換器可進一步包含讀出電路,該讀出電路可例如整合於與轉換器結構相同的晶粒上。
在使用中,轉換器可位於具有聲音埠之封裝內。
實施例亦係關於包含如上文變體中之任一者中所描述的一MEMS轉換器之電子裝置。裝置可為以下各者中的至少一者:攜帶型裝置;
電池供電裝置;音訊裝置;計算裝置;通信裝置;個人媒體播放器;行動電話;遊戲裝置;穿戴式裝置;以及語音控制裝置。
在另一態樣中,提供一種製造具有一可撓性膜之一MEMS轉換器之方法,該方法包含:形成具有一可撓性膜之一結構;以及形成具有一通風孔之至少一個可變通風口結構,該通風孔用於使流體通風以便減小膜層上之壓差,該至少一個可變通風口結構包含一可移動通風口蓋,該可移動通風口蓋在一平衡位置處至少部分阻擋該通風孔;其中該通風口蓋可回應於該通風口蓋上之一壓差自該平衡位置移動,以便變化穿過該通風孔之一流道的大小;且其中該通風口蓋包含至少一第一掀板區段以及一第二掀板區段,該第一掀板區段鉸鏈耦接至該通風孔之側,且該第二掀板區段鉸鏈耦接至該第一掀板區段,以便可相對於該第一掀板區段移動。
在另一態樣中,提供一種MEMS轉換器,其包含:一可撓性膜;以及至少一個可變通風口結構,其中該可變通風口結構提供具有隨著膜上之壓差而變化的大小之流道;其中該可變通風口結構包含至少一個可移動部分,該可移動部分可回應於可移動部分上之壓差而移動以便變化穿過通風口結構之流道的大小;且其中該可移動部分包含:一第一掀板區段;一第一鉸鏈連接,其將第一掀板區段耦接至可變通風口結構之一側,
以使得第一區段可偏轉遠離平衡位置;一第二掀板區段;以及一第二鉸鏈連接,其將第二掀板區段耦接至第一掀板區段,以使得第二掀板區段可偏轉遠離第一掀板區段。
在另一態樣中,提供一種MEMS轉換器,其包含:一可撓性膜;以及至少一個可變通風口結構,其包含用於使流體通風以便減小可撓性膜上之壓差的通風孔以及在一平衡位置處至少部分阻擋該通風孔之可移動通風口蓋;其中該通風口蓋可回應於該通風口蓋上之一壓差自該平衡位置移動,以便變化穿過該通風孔之一流道的大小;其中通風口蓋包含耦接至通風孔之一側的第一掀板區段以及耦接至第一掀板部分之至少一個第二掀板區段,通風口蓋經組態以使得第一掀板區段可自平衡位置移動,且第二掀板區段可相對於第一掀板區段移動,以使得針對通風口蓋上之壓差的至少第一範圍,第二掀板區段自其平衡位置偏轉比第一掀板區段大的角度。
在另一態樣中,提供一種MEMS轉換器,其包含:一可撓性膜;以及至少一個可變通風口結構,其包含用於使流體通風以便減小可撓性膜上之壓差的通風孔以及在一平衡位置處至少部分阻擋該通風孔之可移動通風口蓋;其中該通風口蓋可回應於該通風口蓋上之一壓差自該平衡位置移動,以便變化穿過該通風孔之一流道的大小;其中通風口蓋包含耦接至通風孔之一側以便可自平衡位置移動之第一
掀板區段以及耦接至第一掀板區段以便可相對於第一掀板區段移動之至少一個第二掀板區段,其中第二掀板部分相對於第一掀板區段移動之阻力低於第一掀板區段自平衡位置移動之阻力。
在另一態樣中,提供一種MEMS轉換器,其包含:一膜層;以及至少一個可變通風口結構,其包含:一通風孔,其用於使流體通風以便減小該膜層上之一壓差;以及一動態通風口蓋,其在一平衡位置處至少部分阻擋該通風孔;其中該動態通風口蓋可回應於該通風口蓋上之一壓差自該平衡位置移動,以便變化穿過該通風孔之一流道的大小;以及其中該通風口蓋包含至少一第一掀板區段以及一第二掀板區段,該第一掀板區段鉸接至該通風孔之側,且該第二掀板區段鉸接至該第一掀板區段,以便可相對於該第一掀板區段移動。
在另一態樣中,提供一種MEMS轉換器結構,其包含:一可撓性膜;以及複數個可變通風口,每一可變通風口提供具有隨著膜上之壓差而變化的大小之流道;其中可變通風口中之至少一些具有彼此不同的聲導對壓差之量變曲線。
可變通風口中的至少一者可至少部分打開以提供在處於轉換器之預期正常操作壓力範圍內之壓差下的流道。可變通風口中的至少一者可包含一可變通風口,如上文變體中之任一者中所描述。因此,可變通風口可包含一通風孔以及一可移動蓋部分,該可移動蓋部分經組態以在平
衡時至少部分阻擋通風孔。可移動蓋部分可包含至少第一以及第二區段,如上文變體中之任一者中所描述。另外或替代地,通風口中之至少一些可包含一通風口蓋,該通風口蓋僅包含單一區段,但打開一個通風口之蓋部分的相對容易度可不同於打開另一通風口之蓋部分的相對容易度。在一些實施例中,轉換器可在使用中耦接至用於信號處理來自轉換器之量測信號的電路,其中電路經組態以對量測信號進行補償,從而補償可變聲導。因此,補償程度可隨著偵測到的信號振幅而變化。
上文所描述的實施例中之任一者可與其他實施例中之任一者組合實施,且在一實施例中可以任何組合實施所描述之各種特徵。
100‧‧‧電容式MEMS麥克風裝置
101‧‧‧膜層
102‧‧‧第二電極
103‧‧‧第一電極
104‧‧‧結構層或背板/背板結構
105‧‧‧基板
106‧‧‧上部氧化層
107‧‧‧下部氧化層
108‧‧‧基板空腔
109‧‧‧第一空腔
110‧‧‧第二空腔
111‧‧‧放氣孔
112‧‧‧聲孔
201‧‧‧可變通風口結構
202‧‧‧可移動部分
203‧‧‧通道
204‧‧‧連接點
301‧‧‧可變通風口結構
302‧‧‧可移動蓋部分
302a‧‧‧第一掀板區段/膜/第一區段
302b‧‧‧第二掀板區段/第二區段
302c‧‧‧第三區段
303‧‧‧通道
303a‧‧‧通道
303b‧‧‧通道
304a‧‧‧第一掀板區段連接區/第一連接區
304b‧‧‧第二掀板區段連接區/第二連接區
304c‧‧‧連接/連接區
601‧‧‧樑結構
602a‧‧‧端部
602b‧‧‧端部
603‧‧‧頸部區/頸部部分
701a‧‧‧連接/第二掀板區段連接區
701b‧‧‧連接第二掀板區段連接區
801‧‧‧可移動掀板部分
802‧‧‧可移動掀板部分
901‧‧‧邊緣
902‧‧‧孔
1001‧‧‧開口
1100‧‧‧轉換器
1101‧‧‧蓋
1102‧‧‧封裝基板
1103‧‧‧結合導線
1104‧‧‧觸點/焊墊
1105‧‧‧環
1106‧‧‧連接
1107‧‧‧外殼
D1d‧‧‧深度
D2d‧‧‧深度
D1w‧‧‧寬度
D2w‧‧‧寬度
為了更好地理解本發明,且為了展示本發明之實行方式,作為實例,現將參考隨附圖式,其中:圖1a以及圖1b說明已知MEMS麥克風結構之截面圖以及透視圖;圖2a以及圖2b說明已知可變通風口之一個實例;圖3說明根據本發明之一實施例之可變通風口;圖4a至圖4c說明根據本發明之一實施例之通風口的操作;圖5a、圖5b以及圖5c說明聲導以及通風口之位移可如何隨著壓力而變化;圖6說明可變通風口之另一實施例;圖7a至圖7e說明可變通風口之額外實施例;圖8說明經調諧以具有不同操作量變曲線之兩個單獨通風口;圖9說明根據本發明之實施例之通風口可如何位於轉換器之可撓性膜中;圖10說明根據本發明之實施例之通風口可如何位於轉換器之可撓性膜
中的另一實例;以及圖11a至圖11f說明各種MEMS轉換器封裝。
如上文所提及,已提議在MEMS轉換器結構中使用可變通風口(諸如關於圖2a以及圖2b所說明之可變通風口)充當在高壓情形下的一種類型之減壓閥,通風口打開以在高壓差下提供較大流道,但在處於MEMS轉換器之正常操作範圍內的壓差下具有較小(若存在)流道。通風口結構因此經設計以在對應於轉換器之正常操作壓差範圍的第一壓差範圍中實質上閉合,但在第二較高壓差範圍下打開,以允許相對顯著增加的流動。應注意,閉合位置不一定對應於不流動,且可對應於正常操作所要的經定義流道大小,例如,在第一壓差範圍中提供至少一定的低頻均衡。WO2014/045040描述可使用的許多不同可變通風口設計。
然而,如所提及,可能難以在通風口在裝置之正常操作範圍內保持充分閉合以便對轉換器之操作(例如,MEMS麥克風之聲學敏感度)的影響極小與通風口在高壓情況下充分地打開以提供充分通風之間達成正確的平衡。
本發明之一些實施例因此提供具有改良操作特性及/或可提供對給定壓差之更調諧的回應之可變通風口。
本發明之一些實施例因此係關於MEMS轉換器,其包含一可撓性膜且具有一可變通風口結構,該可變通風口結構包含至少一個可移動部分,該可移動部分可移動以提供大小隨著膜上之壓差而變化的流道。然而,在本發明之實施例中,可移動部分具有至少第一以及第二區段或片段,且通風口之第一區段可相對於通風口之第二部分移動。換言之,可移動部分之第一以及第二區段兩者可偏轉遠離平衡位置,但另外,可移動部
分之第二區段可偏轉遠離可移動部分之第一區段。第一區段可經由由可移動部分之材料形成的活動鉸鏈耦接至第二區段,如下文將更詳細地描述。因此,本發明之實施例的可移動部分可具有至少兩個掀板區段,而非經配置為基本上單一掀板,如同關於圖2b所描述之可變通風口一樣。
可移動部分可相對於通風孔配置以至少部分充當通風口蓋,且在平衡位置處至少部分阻擋通風孔。通風孔為用於使例如諸如空氣之氣體的流體(儘管其在一些實施例中可為其他氣體或流體)通風以便降低可撓性膜層上之壓差的孔。在一些實施例中,通風孔可形成於轉換器之膜層中。可移動部分充當可移動或動態通風口蓋,且可因蓋上之足夠的局部壓差而偏轉遠離其平衡位置。可移動蓋之第一區段可耦接至通風孔之側壁(例如,環繞膜材料),以使得第一區段可自平衡位置偏轉,例如,以旋轉方式偏轉。第一區段因此可有效地鉸鏈耦接至通風孔之壁的側。第二區段可耦接(例如,鉸接)至第一區段,以使得第二區段可相對於第一區段以旋轉方式偏轉。第二區段可因此有效地鉸鏈耦接至第一區段。第二區段可僅經由第一區段連接至通風孔之側壁,且因此其可能移動可全部由與第一區段之連接界定。因此,第一掀板區段之任何偏轉將導致第二掀板區段之偏轉,但第二掀板區段將自由採用自經受作用於其上之壓差的第一掀板區段偏轉之位置以及至第一掀板區段的連接之特性。
提供可移動部分作為通風口蓋,其中可移動部分或蓋包含至少兩個區段,其中第二區段能夠相對於第一區段移動,且其中第二區段之移動可完全由其至第一區段之連接界定係有利的,因為其允許更容易將通風口之開口調諧至所要特性,且可提供聲導對施加的壓差之較佳量變曲線,如下文將更詳細解釋。
圖3以平面圖說明根據本發明之一實施例之可變通風口結
構301。在此實施例中,至少一個可變通風口結構形成於膜層101中,且流道因此為穿過膜之路徑,然而其他配置係可能的,如稍後將描述。可變通風口結構可因此包含穿過膜101之孔,且膜之一部分形成為可移動部分302(該可移動部分充當通風口蓋,且提供對孔之可變程度的阻擋),經受局部壓差。
可移動蓋部分302由至少一個通道303界定,該通道伸展穿過膜。可藉由蝕刻穿過膜而形成之通道303為薄通道,且使可移動蓋部分302與膜之其餘部分分離(而不是經由連接區304a)。蝕刻至少一個通道303以使可移動蓋部分302與膜101之其餘部分以此方式部分分離意謂可移動蓋部分302可偏轉遠離膜之其餘部分的表面。
在圖3之實施例中,通道303經組態以不僅允許蓋部分302可相對於膜101移動,而且允許蓋之區段可相對於蓋之另一區段移動。
因此,在圖3之實施例中,可移動部分或通風口蓋302包含第一掀板區段302a,且亦包含第二掀板區段302b。第一掀板區段302a經由由第一掀板區段連接區304a(由虛線區域304a說明)界定之第一連接而連接至膜101之其餘部分。第二掀板區段302b藉由由第二掀板區段連接區(經說明為虛線區域304b)界定之第二連接連接至第一掀板區段302a。在此實施例中,第一掀板區段302a因此為由通道303以及連接區304a以及304b界定且位於連接區之間的區域。第二掀板區段302b為由通道303以及第二掀板區段連接區304b界定之區域。
此第一掀板區段連接區304a由通道303界定以便具有允許可移動蓋之第一掀板區段302a回應於作用於膜上之足夠高的壓差而偏轉遠離膜之形狀以及大小。第一掀板區段連接區304a提供第一掀板區段302a與膜之其餘部分之間的有效鉸鏈連接,該其餘部分界定穿過膜之通風孔的
側壁。應瞭解,鉸鏈連接由與膜以及可移動蓋之第一區段302a相同的材料形成,其中藉由移除連接之任一側上的材料提供鉸接,以使得連接形成頸部部分。此連接通常被稱作「活動鉸鏈」。如本說明書中所使用,術語活動鉸鏈將被用於指代材料之部分之間的連接,其中至少某一材料自一個部分連續地延伸,穿過連接區至其他部分,且其經組態以允許藉由連續材料之變形進行的此等部分之類似鉸接的相對移動。由第一掀板區段連接區304a形成之第一連接因此實際上為形成於膜材料中之鉸鏈。
在此實施例中,不需要特殊處理連接區自身以形成活動鉸鏈,亦即,連接區無需變薄或以其他方式專門進行調整,例如,變弱。第一掀板連接區304a由通道303之位置簡單地界定。因此,應瞭解,圖3中說明的虛線區304a可包含呈相同的厚度相同的材料,作為任一側。虛線區域因此僅表示相對高的變形可回應於足夠壓差而出現之區域。
此第一掀板區段連接區304a因此允許蓋302之第一區段302a回應於足夠壓差而遠離膜之其餘部分的鉸鏈(亦即,旋轉)移動。應瞭解,在圖3之實施例中,可移動蓋之第一區段302a因此實際上鉸接至膜之其餘部分。如稍後將描述,第一掀板連接區提供彈性連接,亦即,形成彈性鉸鏈,且因此允許第一掀板區段302a在不存在此壓差之情況下返回至平衡位置。
如所提及,可移動蓋之第二掀板區段302b由第二掀板區段連接區304b連接至第一區段302a。此第二掀板區段連接區304b亦由通道303界定以便具有允許可移動蓋之第二區段302b回應於足夠高的壓差而偏轉遠離第一區段302a之形狀以及大小。第二掀板區段連接區304b同樣可在第一區段302a與第二區段302b之間提供活動鉸鏈連接,且同樣不需要特殊處理第二掀板區段連接區304b,該第二掀板區段連接區同樣可形成頸
部部分。此第二掀板區段連接區304b因此亦允許第二區段302b遠離第一區段302a之彈性旋轉或樞轉(亦即,鉸鏈)移動。由第二掀板區段連接區形成之第二連接因此實際上為形成於膜材料中之另一鉸鏈,且可移動蓋部分因此包含複數個鉸鏈。應瞭解,在圖3之實施例中,可移動蓋之第二區段302b因此實際上鉸接至第一區段302a,且僅經由第一區段302a連接至膜之其餘部分。
可移動蓋部分302之第一以及第二區段302a以及302b兩者皆經較佳地配置以使得其平衡位置(亦即,其在不存在作用於可變通風口結構上之大壓力差時所採用之位置)實質上在膜之平面內。換言之,在平衡處,蓋302之第一區段302a實質上不會偏轉遠離膜之其餘部分,且第二區段302b實質上不會偏轉遠離第一區段302a。因此,在平衡位置,蓋302實質上覆蓋或阻擋穿過膜之流道的至少部分。在此實施例中,流道在平衡位置處實質上完全閉合,但在一些實施例中,通風口可經設計以提供在平衡時的某一經界定流動大小。
當然,應瞭解,通道303的確表示空氣流動穿過膜之路徑,然而通道303可形成有極窄的寬度,且因此在可移動蓋302之區段302a以及302b兩者皆處於平衡位置時,可不存在或可存在極有限的穿過通道之氣流。通道303之寬度可由關於最小可蝕刻間隙之光微影製程約束或對可移動區段進行彎曲以及撓曲又清除結構之其餘部分的一定機械間隙之需求來限制。窄間隙亦將傾向於具有較大分數的製造容限,從而導致在閉合時聲阻抗之較寬變化,以及因此麥克風之例如低頻衰減的較寬變化。相對於範圍為20μm至50μm之典型通風口結構,典型寬度可為1μm。然而,取決於聲學規範或製造製程能力,寬度可例如小十倍或大十倍。
回應於膜上之增大壓差,蓋302之第一區段302a以及第二
區段302b可自平衡位置位移。圖4說明此可變通風口可如何在MEMS轉換器中進行操作。使用類似參考編號識別與先前關於圖1以及圖2所論述之組件類似的組件。圖4因此說明轉換器之可撓性膜101,其中為了清楚起見,省略了轉換器結構之其餘部分。在包括空腔109之第一體積與包括空腔110之第二體積之間支撐膜。
再次,膜可具有經設定尺寸以及經配置以在轉換器上產生調諧效應且減小低頻壓力變化之影響的複數個放氣孔111。膜101亦具備上文所描述的複數個可變通風口結構301。在一些應用中,有可能使用單一可變通風口結構,但如稍後將論述,提供具有複數個可變通風口結構之膜可為有益的。在此實施例中,可變通風口結構301與放氣孔111分離,且不同於該等放氣孔。
圖4展示在膜中位於膜電極103之區域之外的可變通風口結構301。此意謂通風口可僅由形成膜101之一或多個層之材料形成。然而,在一些實施例中,將有可能在電極之區域內(例如,在未沈積金屬電極之電極的總區域內的排除區域中)形成可變通風口結構。替代地,可變通風口結構可形成於電極之區域中,其中膜與電極層一起形成可變通風口結構。在一些應用中,由膜層以及至少部分由金屬電極層形成通風口之可移動區段可提供更強的可移動部分。
然而,應注意每當形成可變通風口結構時,可存在在彼位置處耦接至膜之一或多個額外材料以便裁剪可變通風口之性質,例如可撓性或應力處置能力。
圖4a說明在第二體積110中之壓力大於第一體積中之壓力但在預期安全操作或正常壓力範圍內的操作中之情形。因此,膜自膜平衡位置向下偏轉。然而,壓差在裝置之正常預期操作範圍內,亦即,低於操
作壓力臨限值,且因此可變通風口301保持實質上閉合。
圖4b說明壓差已增大至足以引起可移動蓋部分302之位移的級別之情形。圖4b展示第一區段302a可部分偏轉(亦即,旋轉)遠離膜101,且第二區段302b自身偏轉遠離第一區段302a。此提供通風孔之一定程度的打開,且因此增加流道,從而允許更快速的壓力均衡。
圖4c說明壓差進一步增大至足以引起第一區段302a自膜之顯著偏轉的級別之情形。此亦引起第二區段302b之進一步偏轉,且導致可變通風口結構301進一步打開。此顯著增大流道之大小,從而允許甚至更快速的壓力均衡化。
因為可移動部分包括鉸鏈耦接至第一區段302b且不以其他方式連接至膜之其餘部分的第二區段302b,所以第二區段302b可既位移遠離第一區段302a又可藉由第一區段302a之位移而位移遠離平衡狀態。此雙向偏轉意謂第二區段302b可有利地受益於第一區段302a之任何位移,以提供比在單一掀板部分的情況下將打開之程度大的程度之打開。
舉例而言,考慮到回應於膜上之給定壓差,第一區段302a將以角度α偏轉遠離膜之其餘部分。第一區段302a之近端將在第一連接304a處(亦即,在第一鉸鏈處)連接至膜,但第一區段之末端將位移,且取決於角度α之程度,可位移到膜之平面之外,因此暴露穿過膜之流道的至少部分。在圖3之實施例中,蓋302之第二區段302b藉由第二連接304b(亦即藉由第二鉸鏈)連接於第一區段302a之末端或該末端附近,且經連接以實際上圍繞一軸線鉸接,該軸線可為平行的或相對近似地平行於連接304a之鉸鏈軸線。因此,第二區段自第一區段偏轉角度β,且因此位於離開膜之平面的角度α+β處(其中β可與α相同或不同)。將顯然,此將導致比在第二區段302b不可單獨地相對於第一區段302a發生移動且因此整個蓋僅處於角
度α下的情況下通風口將打開之程度大的程度之通風口之打開。
另外,第一鉸鏈連接304a以及第二鉸鏈連接304b之性質可經設計以提供所要總回應。換言之,第一鉸鏈連接304a以及第二鉸鏈連接304b可經組態以使得第一區段302a在給定壓差下偏轉遠離膜101之程度不同於第二區段302b在相同壓差下偏轉遠離第一區段302a之程度。
圖3說明第一區段302a可藉由第一掀板區段連接區304a連接至膜101,該第一掀板區段連接區在此實施例中為第一頸部。如圖3中所說明,此頸部區可被看作具有第一寬度或側向範圍D1w,亦即跨越頸部之尺寸,其在此情況下實質上平行於區發生變形所圍繞之軸線,例如,鉸鏈軸線。在圖3中,頸部之寬度可被看作在圖之y軸上的頸部之尺寸,亦即,如所示之垂直尺寸。第一頸部亦具有深度D1d,亦即,其連接之兩個部分之間的頸部區之縱向範圍的尺寸,其可被看作圖3中之x軸(水平)尺寸。第二區段302b藉由第二連接區304b(亦即,第二頸部)連接至第一區段302a。此第二頸部具有寬度D2w以及深度D2d。第一連接區或頸部304a可具有不同於第二連接區或頸部304b之尺寸。舉例而言,第一區304a之寬度D1w可不同於第二連接區之寬度D2w。連接區304a以及304b之不同寬度可意謂相關區段可自其連接至之部分偏轉的容易度發生變化。舉例而言,寬度D2w可小於寬度D1w,以使得第二區段302b可比第一區段302a可偏轉遠離膜101之其餘部分容易地偏轉遠離第一區段302a。另外或替代地,對於第一連接區304a以及第二連接區304b,如由通道303所界定之連接區的深度可為不同的。
應注意,在一些實施例中,連接區可具有其他幾何形狀,且可例如包括扭轉樑結構或類似者,如稍後將更詳細地描述。此等結構具有不同及/或額外尺寸,該等尺寸確定偏轉之相對容易度。另外,在一些實施
例中,可藉由沿著鉸鏈軸線間隔開之一個以上連接區形成連接,且此等區之數目亦可確定打開之相對容易度。然而,一般而言,應理解,連接之尺寸及/或幾何形狀可經設計以確保一個掀板區段(例如,第二掀板區段304b)在給定壓差下相比另一掀板區段(例如,第一掀板區段304a)容易偏轉。
此配置(其中第二區段比第一區段容易偏轉)可提供可變通風口之特別有利的回應。
圖5a說明聲導對差壓之曲線圖。聲導表示空氣可在兩個體積之間流動的容易度,且因此參考壓差,與流道之打開程度(亦即,穿過膜之孔暴露的程度)有關。
圖5a亦說明可移動通風口蓋302之區段302a以及302b在指示為a、b、c以及d的四個特定壓差下相對於膜101(之橫截面)的相對位置之實例。
在平衡(條件a)處,亦即,在膜上無大壓差時,第一區段302a以及第二區段302b兩者通常皆和膜成一直線,且因此流道實質上閉合。在圖3之實施例中,此意謂實質上僅界定掀板部分之通道303提供穿過可變通風口之任何流道。因此,聲導低,或在界定掀板部分之通道足夠小的情況下,實質上為零。然而,如先前所提及,在一些實施例中,在平衡處可能需要具有某一界定為非零大小的流道。在膜上之低壓差下,可不存在可移動蓋302之任一區段的大偏轉。
隨著壓差增大,可移動蓋可開始偏轉。在此實例中,連接區304a以及304b經設計以使得第二區段302b比第一區段302a容易偏轉。第二區段302b因此可開始偏轉,但在相對低壓差下,可移動蓋之第一區段302a實質上不會自其平衡位置偏轉。因為可移動蓋之第二區段302b偏轉,所以流道的至少部分打開,且因此穿過通風口之聲導可增大。然而,打開的量
非常有限,直至第一區段302a亦開始偏轉(在壓差b下)為止。因此,低於壓差b之聲導仍低。
在較高壓差(高於壓差b)下,可移動部分之第一區段302a亦偏轉。此不僅開始打開先前由第一區段302a阻擋之流道的區段,而且第一區段之偏轉亦導致第一區段之進一步偏轉,從而導致流道之較大打開。因此在操作之此分區中(亦即,在壓差b與c之間),聲導隨著壓差的增大而相對快速地增大。
隨著可移動蓋之第一以及第二區段兩者的偏轉量增加,解除阻擋之流道的面積增加,直至在壓差d下,兩個可移動部分皆進一步移動到流道之區域之外且通風口以經定義之最大流動面積完全打開為止。即使壓差進一步增大,流道之大小仍不會更進一步增加。然而,實務上,在一些實施例中,可移動部分可能不會變形至關於壓差d所展示之完整程度。
具有複數個鉸鏈之一配置為有利的,其中通風口在轉換器之正常操作中所預期的壓差期間保持實質上閉合(例如,位置a與b之間的某處),且僅在壓差達到異常高的級別或開始接近可潛在造成轉換器之損壞的級別時開始顯著打開(亦即,延伸超出位置b)。應瞭解,具有穿過膜之流道可更改轉換器之操作特性。如上文關於圖1所論述,在MEMS麥克風中,可存在穿過膜之一或多個放氣孔,以減小低頻效應之影響。故意地選擇此等孔之數目以及尺寸以提供所要操作特性。因此,此等放氣孔已經提供用於使膜之任一側上的兩個體積中之壓力均衡化之路徑,但故意設計此等孔以使得此均衡化在聲學方面會花費長的時間。因此,有放氣孔單獨並不能防止大壓差對轉換器造成損壞。提供可變通風口,以實現更快速均衡化。然而,若打開可變通風口以提供在預期正常操作壓差下的大流道,則此等額外流道將更改轉換器之頻率特性,且可導致失真。
圖5a中說明的聲導對施加的差壓之量變曲線可比根據先前已知設計之單一掀板通風口容易地調諧至所要特性。因此,例如將第一區段302a連接至膜之連接304a可經配置以便實質上不會打開,亦即,使得第一區段302a實質上不會自其平衡位置位移,直至達到高於正常操作範圍但低於可發生損壞之壓力級別的壓力級別為止。然而,第一與第二區段之間的連接304b可經組態以使得第二區段更容易(亦即,在較低壓差下)偏轉。因此,圖5a中之a與b之間的操作之區可包括轉換器之某一正常預期操作範圍,然而,將看出,聲導在此區中保持為低,且因此對轉換器之敏感度的影響很低。圖5b說明類似於圖3中說明的設計之實例通風口結構的可移動蓋之位移對壓力(差)之對數曲線圖。舉例而言,在140dB SPL之聲壓級下的打開程度可約為0.03μm。因此,在至多為此極限之SPL下,通風口可被視為實質上閉合的。然而,一旦達到壓力級別b,通風口便快速打開,因為存在蓋之第一以及第二掀板區段兩者。
通風口之此設計因此可提供在壓力之正常操作範圍下的受限制之影響,但可在所關注的壓力下更快速地打開,其中需要通風以便防止信號失真及/或膜損壞。應瞭解,聲導對壓差之準確量變曲線將取決於各種因素,諸如,可移動蓋部分之不同區段的大小以及此等區段之打開的相對容易度。舉例而言,圖5c說明可由不同通風口設計提供之聲導對差壓的略有不同之量變曲線。通風口可經設計以提供聲導之所要量變曲線。各種通風口設計可經模擬以檢查其將在使用中提供所要量變曲線。
可變通風口之可移動蓋部分可經組態以使得在低於蓋之第一壓力臨限值的壓差下,實質上不存在可移動蓋部分(亦即,任一區段)自平衡位置之移動。詳言之,可移動蓋部分可偏轉小於膜之寬度,以使得可移動蓋之第二區段302b的後表面(亦即,與偏轉方向相對的側上之表面)實質
上不會延伸超出膜表面。因此,流道(亦即,穿過膜之孔)保持大部分由可移動蓋302阻擋。
可移動蓋302之第一掀板區段302a可經組態以使得在低於將被稱作第一區段之第一壓力臨限值的第一壓力臨限值下,不存在第一掀板區段遠離膜之大偏轉。換言之,在低於第一區段之第一壓力臨限值的壓差下,由第一掀板區段佔據之通風孔的一部分在平衡位置處保持實質上由第一掀板區段阻擋。第一區段之第一壓力臨限值可處於或高於MEMS轉換器之正常預期操作壓力範圍的上端。同樣,可移動蓋302之第二掀板區段302b可經組態以使得在低於將被稱作第二區段之第一壓力臨限值的壓力臨限值下,不存在第二掀板區段遠離第一區段之大偏轉。因此,在低於第二區段之第一壓力臨限值的壓差下,由第二掀板區段佔據之通風孔的一部分在平衡位置處可保持實質上由第二掀板區段阻擋(假定無第一掀板區段之顯著移動)。第一區段之第一壓力臨限值可與第二區段之第一壓力臨限值相同或不同。詳言之,第一區段之第一壓力臨限值可大於第二區段之第一壓力臨限值。
對於聲轉換器以及類似者,第一蓋臨限值及/或第一或第二區段之第一壓力臨限值中的至少一者可例如大於150Pa,且可大於200Pa或更高,且在一些應用中可大於1kPa。換言之,可變通風口可在高達約150至200Pa或更高的壓差下保持實質上閉合。因此,可變通風口可針對範圍為0至200Pa之壓差提供流道大小之實質上不顯著的變化。此意謂可變通風口對轉換器之操作具有極小效能影響。
可變通風口經配置以打開,以提供在接近可對轉換器造成損壞之壓差的壓差下之一流道。舉例而言,可變通風口可經配置以打開得足以提供用於在大約100kPa之壓差下通風的大流道。因此,可移動蓋部分
302可經組態以使得在高於將被稱作第二蓋壓力臨限值的壓力臨限值之壓差下,存在蓋部分自平衡位置之大移動。
可移動蓋302之第一區段302a可經組態以使得在高於將被稱作第一區段之第二壓力臨限值的壓力臨限值下,存在第一區段遠離膜之大偏轉。因此,通風口蓋可經組態以使得在使用中,由第一掀板區段佔據之通風孔的一部分在平衡位置處實質上藉由第一掀板區段在高於第一區段之第二壓力臨限值的壓差下之偏轉而解除阻擋。可移動蓋302之第二區段302b可經組態以使得在高於將被稱作第二區段之第二壓力臨限值的壓力臨限值下,存在第二區段遠離第一區段之大偏轉。第一區段之第二壓力臨限值可與第二區段之第二壓力臨限值相同或不同。詳言之,第一區段之第二壓力臨限值可大於第二區段之第二壓力臨限值。應瞭解,第一或第二區段之第二壓力臨限值將大於各別第一壓力臨限值。
對於聲轉換器以及類似者,第二蓋壓力臨限值及/或第一或第二區段之第二壓力臨限值中的至少一者可等於或大於100kPa。因此,可變通風口在至少100kPa之範圍的壓差下實質上提供流道大小之顯著的增大(與在平衡處之流道大小相比較)。
可移動蓋302之區段302a以及302b中的每一者將開始顯著偏轉之壓差將取決於各種因素,諸如,形成每一區段(例如,膜)之材料的厚度以及組成,以及(對於掀板配置)各別區段之連接區的尺寸,例如,寬度D1w、Dw2及/或深度D1d、D2d。
返回參看圖4,應瞭解,膜101之材料相對彈性。因此,若第二空腔中之壓力停止增加,則在短時間之後,穿過可變通風口301之通風將使壓差降低至可變通風口返回至圖4a中所示的閉合位置所處之級別。換言之,掀板區段304a以及304b由彈性連接304a以及304b連接,以使得
在壓差降低時,掀板區段朝向其平衡位置向後移動。
若第二空腔中之壓力接著相對快速地下降,則在相反方向上的膜上之壓差可增大,以使得膜向上偏轉。壓差可增大至某種程度以使得通風口現在在向上方向上打開以將空氣自第一體積通風至第二體積中。因此將瞭解到,可變通風口可為雙向的,且允許自第一體積通風至第二體積,且反之亦然。
將自圖4b以及圖4c看到,在可變通風口打開時,可移動蓋部分302以及尤其是第二區段302b將在膜偏轉之相同方向上遠離膜之表面變形。因此,可移動蓋部分可比膜自身之任何部分延伸得多。在一些實施例中,膜可相對於轉換器結構之其餘部分(諸如,背板或基板之某一結構)配置,以使得膜可接觸轉換器結構。在一些情況下,此可有益於防止膜之過多行進。顯然,可變通風口需要能夠打開以提供上文所描述的優點,且因此可變通風口較佳地關於轉換器結構進行配置,以使得轉換器結構將不會防止通風口充分打開。又,可較佳地不存在在打開時緊接在通風口之出口路徑內的結構。在某一情況下,通風口可配置於膜之一部分上,以使得通風口將不會接觸轉換器結構。舉例而言,關於背板,通風口可經配置以使得通風口之可移動蓋部分通向背板聲孔中的一或多者之區域。然而在其他實施例中,通風口可經配置以使得其可充分打開以提供大流道,但由轉換器結構防止更進一步打開。因此,轉換器結構可充當通風口之可移動部分的硬停機,其可減小或限制可移動部分中之應力,且幫助防止損壞可移動部分。
本發明之實施例之可變通風口結構因此提供具有可移動部分的可變通風口結構之所有益處,如WO2014/045040中所描述,但有利地提供就聲導(亦即,氣流)而言之較佳效能(與所關注的壓差之範圍相比)。換
言之,根據本發明之通風口可更容易調諧以提供在壓差之第一較低範圍處的所要低聲導,但在壓差之較高範圍具有足夠高的聲導。可以先前在WO2014/045040中描述之方式中之任一者使用可變通風口結構,其內容在此以引用之方式併入。
舉例而言,以上描述已聚焦於通風口在膜中,且提供在轉換器之膜的任一側上之體積(例如,前體積與後體積)之間的流道。然而,應瞭解,通風口可配置於例如穿過側壁結構之某一側通道或埠中,且在一些實施例中可提供自一個體積但不至第二體積之通風,例如,經由通道至使用中之MEMS封裝之外的大氣。因此,通風口可形成於並未形成可撓性膜之一部分的材料層中。
應理解,通風口之可移動蓋部分以及此蓋部分之個別區段可呈各種形式。舉例而言,可更改通風口結構以便提供不同壓差回應,或避免應力積聚問題。
舉例而言,圖6展示可變通風口301,其類似於上文參看圖3所描述之可變通風口,但其中界定可移動蓋部分之通道303包括界定第一區段302a經由樑結構601連接至膜302a之其餘部分的通道303a。應瞭解,在經受足以使可移動蓋部分變形之壓差時,在連接部分上將存在顯著的應力。使用樑結構可幫助減小在變形期間出現之應力集中。
樑結構601在其端部602a以及602b處耦接至膜,且支撐可移動蓋部分302。在此實施例中,第一掀板區段302a經由頸部區603連接至樑601。樑601以及頸部區603共同地提供第一掀板連接。如同先前描述之實施例一樣,作用於膜上以及因此作用於可移動蓋部分302之第一區段302a上之足夠壓差可使可移動蓋部分302的第一區段302a偏轉至膜之平面之外。然而,在此實施例中,偏轉至少部分歸因於樑601之扭轉而發生,
而非僅僅因為頸部部分603之平面外彎曲。樑601因此充當扭轉樑。可移動部分之第一區段302a的應力以及偏轉因此可至少部分經由扭轉樑601之尺寸來控制。此可允許與先前論述的實施例相同程度之偏轉,但優勢在於應力較低,且因此損壞的可能性較低,或替代地允許在給定壓差下較大程度之打開。
如此實施例中所提及,第一掀板區段302a與膜之其餘部分之間的連接包括頸部部分603以及樑601。在此情況下,頸部部分可經組態以使得在頸部部分處不存在顯著的彎曲,且所有偏轉來自扭轉樑601之扭轉。然而在其他實施例中,扭轉樑可扭轉,且頸部部分603亦可提供一定的彎曲。
將顯然,此連接仍提供可移動蓋302之第一區段302a與膜之間的鉸鏈連接,因為第一區段通常以旋轉方式相對於鉸鏈軸線移動,該鉸鏈軸線在此狀況下沿著樑601之長度。扭轉樑因此形成活動鉸鏈結構的一部分。在此實施例中,樑之尺寸,例如,沿著鉸鏈軸線之長度(亦即,圖6中之y軸)及/或樑之寬度(例如圖6中之x軸尺寸)。
應理解,基於可移動部分之已知可變通風口結構(亦即,諸如WO2014/045040中所描述之可變通風口結構)可包括其中可移動部分藉由諸如扭轉樑之一或多個臂結構連接至膜的設計。然而,在此等狀況下,臂為允許可移動部分移動之連接的部分,且存在單一掀板部分。
在本發明之實施例中,存在例如經由活動鉸鏈而鉸鏈耦接至基板之至少一第一掀板區段。第一掀板區段為蓋之相對顯著的部分(亦即,就面積而言),其移動對穿過通風口之流道具有相對顯著的影響。舉例而言,第一掀板區段之面積可為可移動蓋之總面積的至少10%或至少20%或至少30%。第一掀板區段耦接至在區段之僅一側上的通風口之側壁(例如,環繞
膜)。因此,耦接第一掀板區段以進行大體圍繞第一軸線之旋轉運動。可移動蓋部分亦包括耦接至第一掀板區段之至少一第二掀板區段。第二掀板區段亦為蓋之相對顯著的部分,其移動對穿過通風口之流道具有相對顯著的影響。舉例而言,第二掀板區段之面積可為可移動蓋之總面積的至少10%或至少20%或至少30%。第二掀板區段經鉸鏈耦接,以可相對於第一掀板區段移動(例如,可旋轉移動)。在一些實施例中,第二掀板區段耦接至第一掀板區段,以使得給定壓差將引起第一掀板區段在第一旋轉方向上自膜之旋轉移動以及第二掀板區段在相同旋轉方向上自第一掀板區段之旋轉移動。因此,例如返回參看圖4,可看出圖4c中的所說明之壓差使第一區段相對於膜在順時針方向上偏轉,且亦使第二區段在順時針方向上自第一掀板區段偏轉。
當然亦將瞭解到,返回參看圖3,連接區304a以及304b以及第一掀板區段302a以及第二掀板區段302b皆可包含相同厚度的相同材料,且因此不同區段由通道303以及各種區段的表現方式界定。熟習此項技術者將瞭解到,第一以及第二掀板區段各為可為實質上連續區段且經設計以作為單一區段移動(亦即,類似板區段)之區段。
當然,因為掀板區段可由與膜相同的材料(該材料在所關注的壓力下部分可撓)形成,所以掀板區段接著可在使用中在經受壓差時經歷一定的彎曲或變形。然而,此彎曲之曲率半徑將相對較大,或等效地,在該等區段上,曲率將相對較低。
然而,設計掀板區段之間或掀板區段與膜之間的連接區以回應於所關注的壓差而提供相對高之曲率。換言之,連接可為一活動鉸鏈,該活動鉸鏈可為在使用中回應於足夠高的壓差而存在相對高程度的變形之區域。
圖7a至圖7e進一步展示不同的潛在可變通風口結構。
圖7a以平面圖展示可變通風口結構,其中第一掀板區段302a經由如上所描述之樑結構601連接至膜。然而,在此實施例中,第二掀板區段302b藉由鉸鏈連接連接至第一區段302a,該鉸鏈連接具有連接701a以及701b之單獨區。此可幫助加強可移動蓋302之兩個區段之間的連接,且可輔助避免鉸鏈之任何潛在扭轉。然而,應瞭解,第二區段302b仍僅在一側上連接(亦即,鉸接),且連接為鉸鏈連接。兩個第二掀板區段連接區701a以及710b沿著鉸鏈軸線彼此間隔開。如上文所提及,此等連接區之數目以及其尺寸將影響第二掀板區段遠離第一掀板區段之偏轉的相對容易度。
圖7b展示可變通風口結構,其中界定可移動部分以及鉸鏈部分之通道的端部為圓形,以避免應力集中。在此實施例中,第一掀板區段連接區304a具有與第一區段302a之其餘部分實質上相同的寬度W1w。然而,將理解,此連接區仍可形成活動鉸鏈,且在使用中具有足夠壓差之情況下,將展現出相對高的曲率。
上文所論述之實施例已經描述具有可移動蓋之兩個掀板區段,亦即,僅第一以及第二區段。然而,在一些實施例中,可存在超過僅兩個區段。因此,在一些實施例中,可存在鉸鏈耦接至可移動蓋之其餘部分的至少第三區段。第三區段可例如大體在與第一區段之連接相對的側上鉸鏈耦接至第二區段。圖7c說明此實施例的(閉合通風口之)平面圖以及通風口部分打開之側視圖兩者。可看出,除了可移動蓋部分之第一區段302a以及第二區段302b之外,第三區段302c藉由連接304c耦接至第二區段302b。如上文所提及,第三區段302c之偏轉的相對容易度可不同於第一區段302a及/或第二區段302b之偏轉的相對容易度。
然而,在一些實施例中,第三區段可鉸鏈耦接至第一區段,亦即,第二以及第三區段分別耦接至第一區段。應瞭解,可存在三個以上區段。
圖7d以及圖7e以閉合通風口之平面圖以及以通風口部分打開(沿著平面圖之水平中心線)之截面圖兩者說明另外實施例。在圖7d以及7e之實施例中,第二掀板區段302b經形成為第一掀板區段302a之周邊內的掀板區段。在此等實施例中,通道303界定藉由第一掀板連接區304a連接至膜之其餘部分的第一掀板區段303之外部區域。另外,通道303b形成於第一掀板區段302a之周邊內以形成由第二掀板區段連接區304b連接至第一掀板區段之第二掀板區段304b。以此方式,第二掀板區段302b巢套在第一掀板區段302a之周邊內。第二掀板連接區304b可形成彈性活動鉸鏈,如上文所描述。如同其他實施例,第二掀板區段302a可經組態以使得第二區段302b遠離第一區段之偏轉的容易度不同於第一區段302a自膜101之其餘部分偏轉的容易度。應瞭解,與其他實施例類似,第二掀板區段302b鉸接至第一掀板區段,且僅經由第一掀板區段302a連接至膜之其餘部分。
在圖7d中說明的實施例中,連接第二掀板區段302b以用於在與第一掀板區段302a實質上相同的旋轉方向上之旋轉。如自截面圖可看出,若第一掀板區段302a在順時針意義上向下偏轉,則第二掀板區段302b亦可在順時針意義上偏轉遠離第一區段。換言之,第二掀板區段302b在相同的相對側(亦即,圖中之左手側)上連接至第一掀板區段302a,因為第一掀板區段302a連接至膜101之其餘部分。
在圖7e中說明之實施例中,連接第二掀板區段302b以用於在與第一掀板區段302a實質上相反的旋轉方向上之旋轉。因此,如自截面圖可看出,若第一掀板區段302a在順時針意義上向下偏轉,則第二掀板區
段302b可實際上在逆時針意義上偏轉遠離第一區段。在此實施例中,第二掀板區段302b在相反的相對側上連接至第一掀板區段302a,因為第一掀板區段302a連接至膜之其餘部分,亦即,第一掀板區段302a在圖中其左手側上進行連接,而第二區段302b在其右手側上進行連接。應瞭解,在此實施例中,第二區段302b遠離其平衡之角偏轉將不會受益於第一區段302a之任何偏轉,且實際上第一區段302a之偏轉可減小第二區段302b之角偏轉,然而,此實施例可在一些應用中提供所要的調諧回應,且如自圖7e中可看出,允許經由打開的通風口之兩側進行通風,其在一些實施例中可為有益的。
應瞭解,上文所描述的實例中之任一者可以各種組合使用,例如,可存在一個以上巢套掀板區段,例如,可存在巢套在第二掀板區段之周邊內的第三掀板區段,及/或具有巢套配置之掀板區段可在一側上耦接至不同掀板區段,該不同掀板區段自身可或可不具有巢套掀板配置。另外,上文描述之實施例指示各種掀板區段圍繞實質上平行的鉸鏈軸線鉸接。然而,將有可能具有圍繞實質上不平行於另一掀板區段之鉸鏈軸線的軸之一個掀板區段鉸鏈。舉例而言,參看圖7e,若第二掀板區段302b在圖中其右側上不進行連接,而是改為在其頂面(如平面圖中所示)上進行連接,則第二區段之鉸鏈軸線將在平衡位置處實質上與第一掀板區段302a之鉸鏈軸線正文。
因此,一般而言,可自通風孔之側壁支撐可移動蓋。可移動蓋可具有至少一個端掀板部分,其僅在一側上鉸鏈耦接至可移動蓋之中間區段,該中間區段自身可移動。可移動蓋可包含一或多個中間區段。每一中間區段可具有第一以及第二鉸鏈連接,該等鉸鏈連接可為中間區段之一個大體相對的側。第一鉸鏈連接可為至側壁結構或前述中間掀板區段。第
二鉸鏈連接可為至端掀板區段或後續中間掀板區段。
如先前所提及,通風口結構可相對於轉換器之其他結構(諸如,背板104)配置,以使得通風口與背板中之間隙對準,以允許通風口以所要程度打開。因此,如所描述,通風口可與背板104中之聲孔對準。然而,在一些實施例中,通常設置於背板中的聲孔之大小可小於通風口之大小。因此,在一些實施例中,背板104之結構在通風口結構附近具備較大孔或間隙。
背板104通常經設計成相對透聲的,且因此在通風口附近提供額外孔係可接受的。然而,改變穿過背板之孔的大小及/或分佈可對裝置之聲學性質(例如,麥克風之低頻衰減)具有影響。因此,在背板中佈建孔以允許通風口打開可由聲孔112之大小及/或間距的減小補償,以維持所要性質,及/或背板中之孔可與通風口之形狀緊密地匹配。
如上文所描述,具有包含多個掀板區段之可移動部分的可變通風口之使用可提供就聲導對壓差而言的回應,該回應更易調諧至所要特性。上文所論述之實施例已聚焦於調諧在高壓下所要量變曲線之回應,以使得針對處於轉換器之正常操作範圍內的壓差,通風口保持實質上閉合,且接著隨著達到極高壓差而快速打開。
然而,在一些實施例中,可移動蓋之至少一些區段可經設計以便提供在處於轉換器之正常預期操作範圍內的壓差下的一定程度之打開,以便調諧轉換器之正常回應。
如引言中所描述,存在對轉換器能夠提供高動態範圍(例如,能夠正確地操作以偵測在大體安靜環境中但不會被嘈雜環境中之背景雜訊或風雜訊或可導致相對高壓差的類似者所掩蓋之相對安靜的聲音)之的需求增加。
MEMS麥克風可經歷在相對高的聲壓級下之振動膜牽引,其中膜之相對大的位移導致其靠近或觸碰背板,且靜電力傾向於朝向背板拉動膜,且使其抵靠著該背板。此可導致聲學信號之削波以及自麥克風輸出的音訊之低品質。
在本發明之一些實施例中,經調諧通風口結構因此可用以提供轉換器之敏感度的自動被動變化。換言之,轉換器具有隨著處於壓差之預期操作範圍內的壓差之增大而減小的敏感度量變曲線,亦即,經調諧通風口可經設計以向轉換器提供自動機械軟削波特徵。回應為自動且被動的,因為基於壓差,回應係固有的,且不會受到某種電子控制。此等通風口之操作亦可減小或避免振動膜牽引。
如上文所提及,迄今為止所描述之可變通風口結構可經配置以使得可移動蓋之至少一個區段可偏轉,以比可移動蓋之另一部分容易地暴露穿過通風口之流道的部分。此提供機械構件以提供針對增大聲壓之經調諧回應。
典型交談式話語可導致例如大約60至70dBSPL的聲壓級或大約0.02Pa至0.1Pa之壓力。可需要麥克風在嘈雜環境(比方說,高達120至130dBSPL,其可對應於約20至60Pa或甚至更大的壓力)中操作。為提供麥克風之動態範圍,可移動蓋可經設計以便提供針對處於此操作範圍內的壓差之打開程度。因此,可移動蓋之一或多個區段可在至少100dBSPL(或約2Pa)或至少130dBSPL(或約60Pa)之聲壓級下自平衡位置顯著偏轉,亦即,開始打開。然而,在一些實施例中,蓋可在較低聲壓級(例如,在70至100dBSPL之範圍內)開始打開。
舉例而言,返回參看圖7c,在此實施例中,可變通風口包含具有分別由具有不同寬度D1w、D2w以及D3w且因此提供不同的打開阻
力之連接區304a、304b以及304c連接之三個不同區段302a、302b以及302c的可移動部分,但如所提及,可另外或替代地調諧連接區之其他尺寸以提供所要回應。
此通風口可經配置以提供對增大壓差之所要經調諧回應。舉例而言,在壓差之第一範圍下,可不存在可移動蓋部分之區段中的任一者之顯著的偏轉。第一範圍可(例如)對應於處於或低於80dB或100dB之聲壓級。因此,通風口保持實質上閉合,且在此實例中,實質上不提供流道。通風口之聲導因此將為極低的,且通風口因此將對敏感度具有有限影響。
在較高壓差下,但在轉換器之預期操作範圍內,通風口蓋之第三區段302c可開始打開以提供增加的聲導,亦即,增加穿過通風孔之流道。通風口蓋之第三區段302c可經恰當地設定大小以提供所需要的聲導,且例如,連接區304c之寬度D3w可經組態以使得第三區段302c在所要壓力下開始打開。
增加的聲導將會降低轉換器之敏感度,但如上文所描述,起初影響可能相對較小。第一區段302a以及第二區段302b可經組態以使得其在此點不會自平衡狀態顯著偏轉。
若壓差進一步增加(例如轉換器在有風環境中操作),則第二區段302b可在壓力增大(比方說,聲壓級之範圍為100至150dBSPL)時開始偏轉遠離第一區段。此可提供顯著增加的流道,其可幫助降低敏感度,且因此避免來自轉換器之信號的過載或飽和,及/或避免振動膜牽引。然而,第一區段302a可保持自平衡位置僅進行有限的偏轉。在此操作狀態中,因此根據所施加的壓力而自動地且被動地調整轉換器(例如,麥克風)之敏感度。
應瞭解,此意謂來自轉換器之信號可因可變敏感度而失真。
然而,因為可變通風口結構之特性以及穿過通風口的聲導為已知的,所以可判定失真之程度。因此,在一些實施例中,可在後處理中對自轉換器接收之信號應用已知補償,以校正此已知失真特性。
可變通風口結構亦可經配置以回應於高壓事件提供通風,從而保護膜免受損壞。舉例而言,第一區段302a可經組態以使得其僅在較高壓差下自其平衡位置顯著偏轉,該等較高壓差可高於或朝向預期正常操作範圍之上端。在極高壓差之情況下,第一區段302a因此偏轉以甚至進一步打開可變通風口,從而實現快速壓力均衡化。然而,在一些實施例中,可提供用於在正常操作範圍中調諧聲效能以及用於在高壓情況下提供減壓閥之不同通風口結構。
因此,對於具有一具有彼此鉸鏈耦接之複數個掀板區段(其中一個掀板區段鉸鏈耦接至通風孔之側壁,例如,膜之其餘部分)的可移動蓋部分之通風口,至少一個掀板區段可經組態以在處於裝置之正常操作範圍中的壓差下顯著偏轉,以提供轉換器之高動態範圍。在一些實施例中,除了經配置以提供高動態範圍之此掀板區段之外,可存在經配置以便在較高壓差下提供額外通風(亦即,穿過通風口之流道的增加)以便減小或防止在極高壓情形中對轉換器之損壞的至少一個掀板區段。
在一些實施例中,可存在多個可變通風口結構,且至少一些通風口結構可經設計以具有彼此不同的回應。換言之,第一通風口結構可提供具有經調諧以提供聲導對壓差之第一量變曲線的區段之可移動蓋,且第二通風口結構可經調諧以提供不同量變曲線。
使用多個不同可變通風口(其中至少一些通風口在彼此不同的差壓下操作)可用以提供經調諧回應之益處,甚至在具有由單一可移動掀板部分組成之可移動蓋的通風口結構之情況下。
舉例而言,圖8說明經配置以具有彼此不同之回應的兩個可變通風口結構。因此,第一通風口結構包含具有第一大小且由具有第一寬度D1w(其在圖8中為y軸尺寸)之連接區連接至膜之其餘部分的一可移動掀板部分801。不同於上文所描述之實施例,此通風口之可移動蓋部分僅包含單一區段。然而,第二通風口結構包含一可移動掀板部分802,其獨立於可移動掀板部分801且具有與其不同的大小。在此實例中,第二通風口結構之掀板部分802由具有不同寬度D2w之連接區連接。兩個通風口結構在此實施例中經展示成並排且配置於同一通風孔中,但應瞭解,通風口結構可位於膜之分開部分中,該等分開部分各自具有自身的通風孔。掀板部分802因此可比掀板部分801容易偏轉遠離膜,從而提供流道。可裁剪掀板部分以及連接區之大小,以按如上文所描述之類似方式提供所要經調諧聲學回應。
應理解,此通風口之鉸鏈部分的有效強度可藉由改變形成連接區之材料的量以及形成連接之連接點的可能數目或使用扭轉樑或類似者而更改。在一些實施例中,鉸鏈連接之性質可藉由在連接區中沈積額外材料來判定。
因此,膜中之所有可變通風口結構的集體壓差回應可經設計以提供轉換器之總體所要回應。如所提及,若此集體回應為已知的(例如,在某種工廠校準步驟中預定或判定),則有可能藉由在信號之後處理中移除已知回應來移除轉換器之輸出信號中的任何失真。通風口可呈上文及/或在WO2014/045040中所描述的形式中之任一者。
如上文所提及,根據上述實施例中之任一者的可變通風口可形成於可撓性膜中以提供穿過膜之流道。為確保通風口可正確地打開及/或為在打開時提供充分流道,通風口可經定位以便至少部分上覆於基板中之
空腔,如圖9中所說明。
如上文所描述,膜層101與基板之間的空腔109可藉由使用恰當地圖案化之犧牲材料來準確地界定。基板空腔108經蝕刻以與此空腔109聯合,但為了避免形成基板空腔之較不準確的回蝕界定膜,基板空腔之開口的邊緣處於空腔109之區域內。圖9說明基板空腔108之開口的邊緣901。
方便地,可變通風口301經配置以便至少部分上覆於基板空腔108之開口,換言之,通風口經配置以使得穿過通風口之流道在打開時在基板空腔與膜之另一側上的空腔之間提供合理的直接路徑。圖9因此說明對於具有多個鉸鏈掀板部分之可變通風口結構,至少端掀板上覆於基板空腔之開口,亦即,向內延伸超出藉由基板層形成之支架或曲形架。此亦允許其在不碰撞基板之任何部分的情況下打開。在此實施例中,背板104中亦存在孔902,該孔定位於可變通風口301將打開之位置中。孔902可為背板中之常見聲孔中的一者,但在一些實施例中,可大於典型孔。孔902在通風口打開時再次允許在使用中前體積與後體積之間的直接流道,且可提供可變通風口通向背板而非不合需要地接觸背板之空間。
圖9亦說明至少一些放氣孔可定位在膜之上覆於基板層105的支架或折彎的區中,例如,在基板空腔之開口的區域之外。此意謂放氣孔不提供前體積與後體積之間的直接流道,且替代地,流道為曲折的。此減小在聲頻下放氣孔之影響,同時仍允許低頻回應。
如上文所提及,一或多個可變通風口可位於膜層101中膜電極103之區域之外。然而,在一些實施例中,膜電極自身可具有在膜中之複數個開口,亦即,孔或孔隙,該等開口可(例如)對應於背板中之聲孔112的位置,如圖10中所說明,圖10說明膜以及背板的部分之側視圖(為了清
楚起見,省略了側壁支撐件)。圖10說明具有一膜電極層103之膜層101。在此實施例中,膜電極在電極之周邊內具有至少一個開口1001或缺乏膜電極材料之區域。開口或孔隙可(例如)包含穿過膜電極層之孔,該等孔中之任一者可對應於聲孔112之位置(在平衡位置處)。
對於具有設置於可撓性膜層101(尤其為結晶材料之膜層)上的金屬膜電極103之MEMS感測器,已瞭解到,使用中的金屬之塑性變形可意謂膜之靜止位置及/或應力特性可在使用時隨時間而改變。此可導致非吾人所樂見的DC偏移及/或感測器之敏感度的改變,且複製的聲學信號之後續品質可顯著降級。通常,膜電極相對較薄,例如,約為大約60nm,且使用更薄的膜電極層對於習知MEMS製程而言可為不可能的或不實際的。在膜上使用較小直徑的電極將減少經歷塑性變形之金屬的量,但亦將導致敏感度之損失(在電容連結至電極區域時)。此為不合需要的,尤其在MEMS感測器之電容不論如何相對低時。
在圖10中說明之實施例中,在膜之周邊內存在開口1001之區域,亦即,缺乏膜電極103之任何金屬的區域。此減少用於給定周邊大小之電極的金屬之總量(與諸如關於圖1a所說明的周邊內的全部區域之上的連續電極相比較),且因此緩解了以上提及的問題。在圖10中說明的實施例中,膜電極中之開口對應於背板104中之聲孔,且因此位於在背板電極102中存在對應開口的區域。因此,背板電極102與膜電極103之間的重疊之區域藉由在將在任何情況下在背板電極中存在開口的區域中具有膜電極中之開口而實質上不減小。因此,轉換器之電容以及因此敏感度(諸如,關於圖10所說明)與具有類似周邊大小但為諸如圖1a中說明之整體連續膜電極的膜電極之轉換器相比較不會顯著降低,但緩解了導致dc偏移之電極的塑性變形之問題。
在此實施例中,至少一個可變通風口301可因此位於膜層101中,以對應於膜電極103中之開口1001的區域。如所提及,開口之此等區域可經定位以對應於背板中之聲孔。對應於通風口301之聲孔可為經設定大小以允許通風口之充分打開的習知聲孔112或孔902。
本發明之實施例因此係關於用於MEMS轉換器(尤其是MEMS電容式麥克風)之通風口結構。一些實施例係關於具有一可移動蓋部分之可變通風口,該可移動蓋部分連接至通風孔之側以便可相對於孔移動,該蓋部分包含至少兩個掀板區段,其中掀板區段經連接以便相對於彼此鉸接。通風孔可穿過轉換器之膜,且因此通風口蓋可耦接至膜之其餘部分,且可包含與膜相同的材料。可移動蓋因此可包含複數個鉸鏈連接,其中一個鉸鏈連接為至通風孔之側壁,例如,膜。
儘管已關於MEMS電容式麥克風描述了上文各種實施例,但本發明亦適用於不同於麥克風的任何形式之MEMS轉換器,例如,壓力感測器或超音波傳輸器/接收器。
本發明之實施例可在不同材料系統之範圍內有用地實施,然而對於具有包含氮化矽之膜層的MEMS轉換器,本文中所描述之實施例特別有利。
MEMS轉換器可形成於轉換器晶粒上,且可在一些情況下與用於操作轉換器之至少一些電子器件整合。
應注意,可在一系列裝置中使用上文所描述之實施例,該等裝置包括(但不限於):類比麥克風、數位麥克風、壓力感測器或超音波轉換器。本發明亦可用於許多應用中,包括(但不限於)消費者應用、醫療應用、工業應用以及汽車應用。舉例而言,典型消費者應用包括攜帶型音訊播放器、穿戴式裝置、膝上型電腦、行動電話、PDA以及個人電腦。實施例亦
可用於語音啟動或語音控制裝置中。典型醫療應用包括聽覺輔助裝置。典型工業應用包括主動雜訊消除。典型汽車應用包括免提電話機、聲學碰撞感測器以及主動雜訊消除。
根據上文所描述的實施例中之任一者之一或多個轉換器可併入於封裝中。圖11a至圖11g說明各種不同封裝配置。圖11a至圖11g各自展示位於封裝中之一個轉換器元件,但應瞭解,在一些實施例中,可存在一個以上轉換器,例如,轉換器陣列,且各種轉換器可形成於同一轉換器基板(亦即,單塊轉換器基板)上,或可形成為具有單獨轉換器基板之單獨轉換器,其中每一單獨轉換器基板結合至封裝基板。
圖11a展示第一配置,其中轉換器1100位於封裝基板1102上的蓋1101中,該蓋形成外殼之至少部分。在此實例中,蓋可為結合至基板之金屬外殼。封裝基板可包含至少一個絕緣層。封裝基板亦可包含至少一個導電層。封裝基板可為半導體材料,或可由諸如PCB、陶瓷或類似者之材料形成。在蓋1101為金屬或自身包含導電層之情況下,蓋可電耦接至基板之導電層,例如,使得外殼提供針對電磁干擾(EMI)之屏蔽。結合導線1103可將轉換器連接至封裝基板上之結合襯墊。在一些實施例中,讀出電路(例如,放大器電路)可位於形成於封裝基板中或連接至封裝基板之外殼內。穿過封裝基板之通孔(未說明)可連接至觸點(亦即,焊墊)1104,該等觸點用於將外部電路(未說明)電連接至封裝,以允許電信號至/自轉換器1100之傳輸。在圖11a中所示之實例中,蓋1101中存在聲音埠或聲埠,以允許聲音進入封裝,且轉換器配置於頂部埠配置中。
圖11b說明一替代配置,其中聲音埠設置於封裝基板1102中,且可在使用中被密封。可為密封環或焊墊環(用於在形成焊料環時使用)之環1105可設置在封裝之外側上的聲音埠之周圍,以允許在使用中在例如
封裝連接至另一PCB時,密封通向聲音埠之聲音路徑。在此實施例中,轉換器配置於底部埠配置中,其中由外殼1101界定之體積形成轉換器之後體積的部分。
圖11c說明一實例,其中轉換器結構經由連接1106倒轉以及覆晶結合至封裝基板,而非結合導線將轉換器連接至封裝基板。在此實例中,聲音埠處於封裝基板中,以使得封裝配置於底部埠配置中。
圖11d說明圖11b之實例的一替代實例,其中外殼1107由材料(例如,PCB或類似者)之各種面板形成。在此情況下,外殼1107可包含一或多個導電層及/或一或多個絕緣層。圖11d展示封裝基板中之聲音埠。圖11e展示圖11b之配置的一替代配置,其中外殼1107由材料(例如,PCB或類似者)之各種面板形成,如關於圖11d所描述。圖11f展示另一實施例,其中轉換器結構經由連接1106結合至外殼上層,該外殼上層可(例如)為PCB或分層導電/絕緣材料。然而,在此實例中,至封裝之電連接仍經由封裝基板上之觸點、焊墊1104,例如,在於外殼之內部上具有導電跡線的封裝基板中至轉換器之通孔(未說明)。圖11g說明圖11c之實例的一替代實例,其中轉換器覆晶結合至外殼1107中之封裝基板,該外殼由材料(例如,PCB或類似者)之面板形成,如關於圖11d所描述。
一般而言,如圖11h中所說明,一或多個轉換器可位於封裝中,封裝接著以操作方式互連至另一基板(諸如,主機板),如此項技術中已知。
應注意,上文所提及之實施例說明而非限制本發明,並且熟習此項技術者將能夠在不脫離所附申請專利範圍之範疇的情況下設計許多替代實施例。詞「包含」不排除除申請專利範圍中所列之元件或步驟以外的元件或步驟之存在,「一」(「a」或「an」)不排除複數個,且單一特徵或
其他單元可滿足申請專利範圍中所陳述之若干單元的功能。申請專利範圍中的任何參考記號均不應視為限制其範疇。
101‧‧‧膜層
103‧‧‧第一電極
109‧‧‧第一空腔
110‧‧‧第二空腔
111‧‧‧放氣孔
301‧‧‧可變通風口結構
302a‧‧‧第一掀板區段/膜/第一區段
302b‧‧‧第二掀板區段/第二區段
304a‧‧‧第一掀板區段連接區/第一連接區
304b‧‧‧第二掀板區段連接區/第二連接區
Claims (44)
- 一種MEMS轉換器,其包含:一膜層;以及至少一個可變通風口結構,其包含:一通風孔,其用於使流體通風以便減小該膜層上之一壓差;以及一可移動通風口蓋,其在一平衡位置處至少部分阻擋該通風孔;其中該通風口蓋可回應於該通風口蓋上之一壓差自該平衡位置移動,以便變化穿過該通風孔之一流道的大小;且其中該通風口蓋包含至少一第一掀板區段以及一第二掀板區段,該第一掀板區段鉸鏈耦接至該通風孔之側,且該第二掀板區段鉸鏈耦接至該第一掀板區段,以便可相對於該第一掀板區段移動。
- 如申請專利範圍第1項所述之MEMS轉換器,其中該第二掀板區段僅經由該第一掀板區段耦接至該通風孔之該側。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之MEMS轉換器,其中該第二掀板區段鉸接至該第一掀板區段。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之MEMS轉換器,其中該通風口蓋經組態以使得該第一掀板區段在一給定壓差下偏轉遠離平衡位置之程度不同於該第二掀板區段在相同壓差下偏轉遠離該第一掀板區段之程度。
- 如申請專利範圍第4項所述之MEMS轉換器,其中該通風口蓋經組態以使得該第二掀板區段比該第一掀板區段偏轉遠離平衡位置更容易地偏轉遠離該第一掀板區段。
- 如申請專利範圍第4項所述之MEMS轉換器,其中該通風口蓋經組態以使得在使用中,在至少一個壓差下,該第二掀板區段相對於該第一 掀板區段之偏轉量將大於該第一掀板區段自平衡狀態之偏轉量。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之MEMS轉換器,其中該第一掀板區段經由一第一連接耦接至該通風孔之該側,且該第二掀板區段由一第二連接耦接至該第一掀板區段。
- 如申請專利範圍第7項所述之MEMS轉換器,其中該第一連接以及該第二連接之尺寸及/或幾何形狀彼此不同。
- 如申請專利範圍第8項所述之MEMS轉換器,其中該第一連接以及該第二連接各自包含一頸部區,且該等頸部區之尺寸彼此不同。
- 如申請專利範圍第7項至第9項中任一項所述之MEMS轉換器,其中該等第一以及第二連接中之至少一者包含一樑結構。
- 如申請專利範圍第7項至第10項中任一項所述之MEMS轉換器,其中該等第一以及第二連接中之至少一者包含沿著一鉸鏈軸線間隔開之複數個連接區。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之MEMS轉換器,其中該第一掀板區段耦接至該通風孔之該側,以用於實質上圍繞一第一鉸鏈軸線移動,且該第二掀板區段耦接至該第一掀板區段,以用於實質上圍繞一第二鉸鏈軸線相對於該第一掀板區段移動,其中該等第一以及第二鉸鏈軸線彼此平行。
- 如申請專利範圍第12項所述之MEMS轉換器,其中該第一掀板區段經耦接以用於在一旋轉方向上圍繞該第一鉸鏈軸線移動,且該第二掀板區段經耦接以用於在相同旋轉方向上圍繞該第二鉸鏈軸線移動。
- 如申請專利範圍第12項所述之MEMS轉換器,其中該第一掀板區段經耦接以用於在一旋轉方向上圍繞該第一鉸鏈軸線移動,且該第二掀板區段經耦接以用於在相反旋轉方向上圍繞該第二鉸鏈軸線移動。
- 如申請專利範圍第1項至第13項中任一項所述之MEMS轉換器,其中該第一掀板區段在該第一掀板區段之一側上耦接至側壁,且在其相反側上耦接至該第二掀板部分。
- 如申請專利範圍第1項至第13項中任一項所述之MEMS轉換器,其中該第二掀板區段在該第一掀板區段之周邊內。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之MEMS轉換器,其中該第一掀板區段之面積為該通風口蓋之面積的至少20%。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之MEMS轉換器,其中該第二掀板區段之面積為該通風口蓋之面積的至少20%。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之MEMS轉換器,其中該通風口蓋經組態以使得在使用中,至少該第一掀板區段在低於一第一壓力臨限值之壓差下實質上不自平衡位置偏轉。
- 如申請專利範圍第20項所述之MEMS轉換器,其中該第一壓力臨限值處於或高於該MEMS轉換器之預期正常操作壓力範圍。
- 如申請專利範圍第19項或第20項所述之MEMS轉換器,其中該通風口蓋經組態以使得在使用中,該第一掀板區段在高於該第一區段之一第二壓力臨限值的壓差下實質上自平衡位置偏轉。
- 如申請專利範圍第19項至第21項中任一項所述之MEMS轉換器,其中該通風口蓋經組態以使得在使用中,該第二掀板區段在高於該第二區段之一第二壓力臨限值的壓差下實質上自平衡位置偏轉。
- 如申請專利範圍第22項所述之MEMS轉換器,其中該第二壓力臨限值在該MEMS轉換器之正常操作預期操作壓力範圍內。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之MEMS轉換器,其中該通風口蓋包含至少一個額外掀板區段,其中該或每一額外掀板區段鉸鏈耦接至 該第一掀板區段或該第二掀板區段中之一者或一中間額外掀板區段。
- 如申請專利範圍第24項所述之MEMS轉換器,其中該通風口蓋經組態以使得至少一個額外掀板部分在使用中在處於該MEMS轉換器之預期正常操作範圍內的壓差下實質上自其平衡位置偏轉。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之MEMS轉換器,其中該通風口蓋經組態以提供一流道大小,該流道大小在使用中隨著處於該MEMS轉換器之正常預期操作範圍內的壓力而變化,以便提供一可變敏感度。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之MEMS轉換器,其中該通風孔形成於一第一材料層中,且該通風口蓋由與該第一層相同之材料形成。
- 如申請專利範圍第27項所述之MEMS轉換器,其中該通風口蓋由穿過該第一層之一或多個通道界定。
- 如申請專利範圍第27項或第28項中任一項所述之MEMS轉換器,其中該通風口蓋經組態以使得在平衡位置處,該第一掀板區段以及該第二掀板區段實質上位於該第一層之平面。
- 如申請專利範圍第27項至第29項中任一項所述之MEMS轉換器,其中該第一層為該膜層。
- 如申請專利範圍第30項所述之MEMS轉換器,其中該通風孔位於該膜層中一膜電極之區域之外。
- 如申請專利範圍第30項所述之MEMS轉換器,其中該通風孔位於該膜層中在該膜電極中之開口的一區域中的一膜電極之周邊區域內。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之MEMS轉換器,其中該轉換器包含一電容式感測器。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之MEMS轉換器,其中該轉換器包含一麥克風。
- 如申請專利範圍第33項或第34項所述之MEMS轉換器,其進一步包含讀出電路。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之MEMS轉換器,其中該轉換器位於具有一聲音埠之一封裝內。
- 一種電子裝置,其包含如前述申請專利範圍中任一項所述之一MEMS轉換器。
- 如申請專利範圍第37項所述之電子裝置,其中該裝置為以下各者中之至少一者:一攜帶型裝置;一電池供電裝置;一音訊裝置;一計算裝置;一通信裝置;一個人媒體播放器;一行動電話;一遊戲裝置;一穿戴式裝置;以及一語音控制裝置。
- 一種製造具有一可撓性膜之一MEMS轉換器之方法,該方法包含:形成具有一可撓性膜之一結構;以及形成具有一通風孔之至少一個可變通風口結構,該通風孔用於使流體通風以便減小膜層上之一壓差,該至少一個可變通風口結構包含一可移動通風口蓋,該可移動通風口蓋在一平衡位置處至少部分阻擋該通風孔;其中該通風口蓋可回應於該通風口蓋上之一壓差自該平衡位置移動,以便變化穿過該通風孔之一流道的大小;且其中該通風口蓋包含至少一第一掀板區段以及一第二掀板區段,該第一掀板區段鉸鏈耦接至該通風孔之側,且該第二掀板區段鉸鏈耦接至該第一掀板區段,以便可相對於該第一掀板區段移動。
- 一種MEMS轉換器,其包含:一可撓性膜;以及至少一個可變通風口結構,其中該可變通風口結構提供具有隨著該 膜上之壓差而變化的一大小之一流道;其中該可變通風口結構包含至少一個可移動部分,該至少一個可移動部分可回應於該可移動部分上之一壓差而移動以便變化穿過該通風口結構之一流道的該大小;且其中該可移動部分包含:一第一掀板區段;一第一鉸鏈連接將該第一掀板區段耦接至該可變通風口結構之一側,以使得該第一區段可偏轉遠離一平衡位置;一第二掀板區段;以及一第二鉸鏈連接,其將該第二掀板區段耦接至該第一掀板區段,以使得該第二掀板區段可偏轉遠離該第一掀板區段。
- 一種MEMS轉換器,其包含:一可撓性膜;以及至少一個可變通風口結構,其包含用於使流體通風以便減小該可撓性膜上之一壓差的一通風孔以及在一平衡位置處至少部分阻擋該通風孔之一可移動通風口蓋;其中該通風口蓋可回應於該通風口蓋上之一壓差自該平衡位置移動,以便變化穿過該通風孔之一流道的大小;其中該通風口蓋包含耦接至該通風孔之一側的一第一掀板區段以及耦接至該第一掀板部分之至少一個第二掀板區段,該通風口蓋經組態以使得該第一掀板區段可自該平衡位置移動,且該第二掀板區段可相對於該第一掀板區段移動,以使得在該通風口蓋上之壓差的至少一第一範圍內,該第二掀板區段自其平衡位置偏轉比該第一掀板區段大的一角度。
- 一種MEMS轉換器,其包含:一可撓性膜;以及至少一個可變通風口結構,其包含用於使流體通風以便減小該可撓性膜上之一壓差的一通風孔以及在一平衡位置處至少部分阻擋該通風孔之一可移動通風口蓋;其中該通風口蓋可回應於該通風口蓋上之一壓差自該平衡位置移動,以便變化穿過該通風孔之一流道的大小;其中該通風口蓋包含耦接至該通風孔之一側以便可自該平衡位置移動之一第一掀板區段以及耦接至該第一掀板區段以便可相對於該第一掀板區段移動之至少一個第二掀板區段,其中該第二掀板部分相對於該第一掀板區段移動的阻力低於該第一掀板區段自平衡位置移動的阻力。
- 一種MEMS轉換器,其包含:一膜層;以及至少一個可變通風口結構,其包含:一通風孔,其用於使流體通風以便減小該膜層上之一壓差;以及一動態通風口蓋,其在一平衡位置處至少部分阻擋該通風孔;其中該動態通風口蓋可回應於該通風口蓋上之一壓差自該平衡位置移動,以便變化穿過該通風孔之一流道的大小;且其中該通風口蓋包含至少一第一掀板區段以及一第二掀板區段,該第一掀板區段鉸接至該通風孔之側,且該第二掀板區段鉸接至該第一掀板區段,以便可相對於該第一掀板區段移動。
- 一種MEMS轉換器結構,其包含:一可撓性膜;以及 複數個可變通風口,每一可變通風口提供具有隨著該膜上之壓差而變化的一大小之一流道;其中該等可變通風口中之至少一些具有彼此不同的聲導對壓差之一量變曲線。
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