TWI571135B - 微機電系統設備與製程 - Google Patents

Description

微機電系統設備與製程

本發明涉及一種微機電系統(MEMS)設備與製程，更具體地，涉及一種與換能器有關的MEMS設備與製程，所述換能器例如為電容式麥克風。

各種MEMS設備變得越來越普及。MEMS換能器，尤其是MEMS電容式麥克風，越來越多地用在便携式電子設備(例如移動電話和便携式計算設備)中。

使用MEMS製造工藝所形成的麥克風設備通常包括一個或多個膜，用於讀出/驅動的電極沉積在所述膜和/或一個基底上。在MEMS壓力傳感器和麥克風的情形中，通常通過測量所述電極之間的電容來實現所述讀出。在輸出換能器的情形中，通過靜電力來移動膜，所述靜電力是通過改變跨所述電極施加的電位差來生成的。

圖1a和圖1b分別示出了一種已知的電容式MEMS麥克風設備100的示意圖和立體圖。電容式麥克風設備100包括一個膜層101，膜層101形成一個柔性膜，該柔性膜響應於由聲波所生成的壓力差而自由移動。第一電極102機械地聯接至所述柔性膜，它們共同形成電容式麥克風設備的第一電容板。第二電極103機械地聯接至大體剛性的結構層或背板 104，它們共同形成電容式麥克風設備的第二電容板。在圖1a示出的實施例中，第二電極103被嵌入在背板結構104中。

電容式麥克風被形成在基底105上，所述基底105例如為矽晶片，所述矽晶片可具有在其上形成的上部氧化物層106和下部氧化物層107。基底中和任何覆蓋層中的腔108(下文中稱作基底腔)被設置在膜下方，且可使用“背部蝕刻(back-etch)”穿過基底105來形成。基底腔108連接至位於膜正下方的第一腔109。這些腔108和109可共同提供聲學容積，從而允許膜響應於聲學激勵而移動。置於第一電極102和第二電極103之間的是第二腔110。

可在製造工藝期間使用第一犧牲層(即，使用一種隨後可被移除的材料來限定第一腔)且將膜層101沉積在第一犧牲材料上方來形成第一腔109。使用犧牲層來形成第一腔109意味著，對基底腔108的蝕刻對於限定膜的直徑不起任何作用。替代地，膜的直徑由第一腔109的直徑(這轉而由第一犧牲層的直徑來限定)結合第二腔110的直徑(這轉而可由第二犧牲層的直徑來限定)來限定。相比於使用濕蝕刻或幹蝕刻執行的背部蝕刻工藝所形成的第一腔109的直徑，使用第一犧牲層所形成的第一腔109的直徑可受到更加精確地控制。從而，對基底腔108的蝕刻將限定膜101下面的基底的表面中的開口。

多個孔(下文中稱作排出孔111)連接第一腔109和第二腔110。

如所提及的，可通過將至少一個膜層101沉積在第一犧牲材料上方來形成所述膜。這樣，(一個或多個)膜層的材料可延伸到支撑所述 膜的支撑結構(即側壁)中。膜和背板層可由彼此基本上相同的材料形成，例如膜和背板均可通過沉積氮化矽層來形成。膜層可被定尺寸為具有所要求的柔性，然而背板可被沉積為一種更厚從而更剛性的結構。另外，在形成背板104時可使用各種其他材料層，以控制背板104的性質。使用氮化矽材料體系在許多方面都是有利的，儘管可使用其他材料，例如使用多晶矽膜的MEMS換能器是已知的。

在一些應用中，麥克風可在使用中被布置為使得經由背板接收入射聲。在這種情况下，另外的多個孔(下文中稱作聲學孔112)被布置在背板104中，從而允許空氣分子的自由移動，使得聲波可進入第二腔110。與基底腔108相關聯的第一腔109和第二腔110允許膜101響應於經由背板104中的聲學孔112進入的聲波而移動。在這種情况下，基底腔108常規地稱作“後容積(back volume)”，且它可基本上被密封。

在另一些應用中，麥克風可被布置為使得在使用時可經由基底腔108接收聲音。在這樣的應用中，背板104通常仍設有多個孔，以允許空氣在第二腔和背板上方的另一容積之間自由移動。

還應當注意，儘管圖1示出了背板104被支撑在膜的與基底105相對一側上，但是如下這樣的布置是已知的，其中背板104被形成為距基底最近，且膜層101被支撑在背板104上方。

在使用時，響應於與入射在麥克風上的壓力波相應的聲波，所述膜從其平衡位置略微變形。相應地改變了下部電極102和上部電極103之間的距離，導致這兩個電極之間的電容的改變，所述電容的改變隨後被電子電路系統(未示出)檢測到。排出孔允許第一腔和第二腔中的壓力在 相對長的時段(就聲學頻率而言)內平衡，這减小了例如由溫度變化等所產生的低頻壓力變化的影響，而在期望的聲學頻率處未影響靈敏性。

圖1中示出的換能器被示為基本竪直的側壁以與背板104間隔開的關係支撑膜層101。考慮到沉積工藝的性質，這可在形成所述膜的材料層中所形成的拐角處導致高應力集中。斜向或傾斜的側壁可用於减小應力集中。附加地或替代地，已知的是包括若干支撑結構(例如，柱)以有助於以一種减小應力集中的方式來支撑膜，如圖2a和圖2b中所示出的。圖2a和圖2b以立體圖和橫截面圖分別示出了MEMS麥克風結構的周界，其中類似的部件由與圖1中所使用的相同的數字來標識。

在該實施例中，MEMS設備200被形成為具有布置在所述膜的周界周圍的多個支撑結構201，在該實施例中所述多個支撑結構201被形成為支撑柱。所述柱是通過如下方式形成的：對用於限定第一腔109的第一犧牲材料圖案化，使得在若干個區域中暴露基底105之後，沉積形成膜層101的材料(圖2b示出了直接沉積在基底上的一個膜層，但是應理解，在基底上可能存在各種中間層，並且可通過沉積多個膜層來形成所述膜)。同樣地，用於限定第二腔110的第二犧牲材料被圖案化，使得膜層101在相同的區域中被暴露之後，沉積背板層的材料。這導致多個柱圍繞所述膜的周界形成，提供了對所述膜的支撑，但是與圖1中所示出的布置相比，具有减小的應力集中。所述柱優選地被形成為具有階梯式輪廓和/或傾斜側壁，以使得應力最小化。該工藝可導致在所述柱的區域中、所述背板層的上表面中的微凹。

MEMS換能器，例如圖1和圖2中所示出的那些，可有利地 用在多種設備中，包括便携式設備。尤其是當用於便携式設備時，期望的是，MEMS換能器足够堅固，從而經受住對該設備的期望處置和使用。因而，總體期望提高MEMS設備的適應性。

因而，本發明涉及提高MEMS設備的耐久性和/或適應性。

因此，根據本發明的一個方面，提供了一種MEMS換能器，包括：一個柔性膜，以及至少一個可變通氣部結構，其中所述可變通氣部結構提供一個流動路徑，該流動路徑具有隨著所述膜兩側的壓力差而變化的尺寸。

所述可變通氣部結構可包括至少一個可移動部，所述至少一個可移動部響應於所述可移動部兩側的壓力差而可移動，從而改變穿過所述通氣部結構的流動路徑的尺寸。

所述至少一個可移動部的平衡位置可對應於流動路徑的最小尺寸。所述平衡位置可相應於所述流動路徑被基本上閉合。

所述柔性膜可被支撑在第一容積和第二容積之間，並且所述流動路徑可在所述第一容積和第二容積之間。至少一個可變通氣部結構可被形成在所述柔性膜中，並且所述流動路徑是一個穿過所述膜的路徑。所述至少一個可移動部可以是可移動的，以暴露所述膜中的一個孔，並且可包括所述膜的一部分，該部分能够被偏轉遠離所述膜的其餘部分的表面。所述膜的可移動部可由貫穿所述膜的一個或多個通道限定。至少一個所述可移動部可以是大體三角形形狀、圓形形狀或矩形形狀。在一些情形中，所述可移動部可經由一個梁結構被連接至所述膜的其餘部分。所述梁結構 可以能够扭曲，以允許所述可移動部被偏轉遠離所述膜的其餘部分的表面。

所述梁結構可具有一個非直綫性路徑，即曲折路徑，例如所述梁結構的至少一部分可具有一個蛇狀路徑，或者所述梁結構可包括所述梁的平面內的一個或多個彎曲部，例如成直角的彎曲部。所述梁結構可包括至少一個扭轉彈簧，所述至少一個扭轉彈簧位於所述可移動部和所述膜的其餘部分之間。因而，所述可移動部可經由一個彈簧(即阻尼)結構被連接至所述膜的其餘部分，並且所述彈簧結構可以能够扭曲，以允許所述可移動部被偏轉遠離所述膜的其餘部分的表面。

所述梁結構可附加地或替代地能够彎曲，以允許所述可移動部被偏轉遠離所述膜的其餘部分的表面，例如在基本上垂直於所述膜的方向上。所述梁結構可包括一個葉片彈簧和/或具有一個蛇狀路徑。

至少一個可變通氣部結構可包括至少兩個可移動部，所述至少兩個可移動部能够被偏轉遠離所述膜的其餘部分的表面，以暴露所述膜中的一個孔。

在一些實施方案中，所述可移動部可包括所述膜的、在所述膜中具有所述孔的部分，所述膜相對於一個固定的柱塞部可移動。所述固定的柱塞部可在其平衡位置位於所述膜的平面中，且可以相對於一個換能器結構被支撑。所述柱塞部可從所述基底被支撑，所述基底可在用於所述柱塞區段的支撑部的附近具有一個穿過所述基底的通道，或者所述柱塞部可從所述背板被支撑。所述柱塞部可由與所述膜相同的材料形成和/或可比所述膜更厚。

至少一個可變通氣部結構可形成有繞開所述膜的一個流動 路徑。所述流動路徑可貫穿所述換能器結構的一個側壁的至少一部分。

至少一個可變通氣部可具有從所述第一容積和/或第二容積中的一個至所述第一容積和/或第二容積外側的流動路徑。

所述可變通氣部可被配置為使得，在低於第一閾值的壓力差時，所述可移動部未被完全偏轉出膜的其餘部分的表面。在低於第一閾值的壓力差時，基本上不存在所述可移動部從平衡位置的任何移動。所述第一閾值可以大於150Pa，並且可以大於1kPa。對於範圍為0Pa-200Pa的壓力差，所述可變通氣部可以基本上不提供流動路徑尺寸中的任何顯著變化。

所述可變通氣部可提供與所述可移動部兩側的壓力差為非綫性關係的穿過所述通氣部的流動路徑的尺寸。

所述至少一個可移動部可被配置為使得，在壓力差大於第二閾值時，存在所述可移動部從平衡位置的顯著移動。所述第二閾值可低於100kPa。對於範圍為100kPa-200kPa的壓力差，與在平衡時的所述流動路徑尺寸相比，所述可變通氣部可基本上提供流動路徑尺寸的顯著增大。所述至少一個可移動部可響應於所述可移動部兩端的至少100kPa的壓力差而可移動。

所述換能器可包括一個背板結構，其中所述柔性膜層相對於所述背板結構被支撑。所述背板結構可包括穿過所述背板結構的多個孔。當至少一個可變通氣部結構被形成在柔性膜層中時，穿過所述背板結構的孔中的至少一個在相應於所述柔性膜層中的可變通氣部結構的位置的一個位置中可包括一個通氣孔。所述背板中的所述通氣孔的區域可在所述柔性膜中的所述可變通氣部首先打開的位置處，橫向遠離所述柔性膜中的所述 通氣部的開口區域而延伸。當至少一個可變通氣部結構被形成在所述柔性膜層中並且包括一個可移動部，所述可移動部經由一個梁結構被連接至所述膜的其餘部分，所述可移動部和梁結構由貫穿所述柔性膜的通道限定；接著，所述膜中的所述通道的位置可被布置為使得基本上不與所述背板結構中的所述多個孔中的任何一個的位置交叠，在使用時，所述膜中的所述通道不形成穿過所述膜的可變流動路徑的一部分。

所述換能器可以是電容式傳感器例如麥克風。所述換能器可包括讀出電路系統，即放大電路系統。所述換能器可位於一個封裝內，所述封裝具有一個聲音端口，即聲學端口。所述換能器可被實施在一個電子設備中，所述電子設備可以是下列中的至少一個：便携式設備；由電池供電的設備；音頻設備；計算設備；通信設備；個人媒體播放器；移動電話；平板設備；游戲設備；以及語音控制設備。

在另一方面中，本發明提供了一種製造MEMS換能器的製程，所述MEMS換能器具有一個柔性膜，所述製程包括：形成一個具有柔性膜的結構，所述柔性膜被支撑在第一容積和第二容積之間；以及形成至少一個可變通氣部結構，所述至少一個可變通氣部結構與所述第一容積和第二容積中的至少一個連通；所述可變通氣部結構包括至少一個可移動部，所述至少一個可移動部響應於所述可移動部兩側的壓力差而可移動，從而改變穿過所述通氣部結構的流動路徑的尺寸。

所述製程可用於形成根據上面所討論的任一實施方案的換 能器。具體地，所述製程可包括形成一個膜層以形成所述柔性膜的至少一部分，以及在所述膜層中形成至少一個可變通氣部結構。形成所述可變通氣部結構可包括形成穿過所述膜的一個或多個通道，使得所述膜的一部分可響應於一個壓力差而被偏轉遠離所述膜的其餘部分的表面。

在本發明的另一方面中，提供了一種MEMS換能器，包括：一個換能器結構，包括一個柔性膜，所述柔性膜被支撑在第一容積和第二容積之間；其中所述換能器結構包括至少一個可變通氣部結構；所述可變通氣部結構包括至少一個可移動部，所述至少一個可移動部響應於所述可移動部兩側的高壓力差而可移動，從而提供一個流動路徑，用於排放來自所述第一容積和第二容積中的至少一個的氣體。

在另一方面中，提供了一種MEMS換能器，包括：一個柔性膜；以及至少一個可變通氣部結構，在第一範圍的壓力差時，所述至少一個可變通氣部結構基本上被閉合，在第二更高範圍的壓力差時，所述至少一個可變通氣部結構打開，以减小所述膜兩側的壓力差。

在另一方面中，本發明提供了一種MEMS換能器，包括：一個柔性膜，所述柔性膜被支撑在第一容積和第二容積之間；一個通氣部結構，所述通氣部結構連接所述第一容積和第二容積；其中所述通氣部提供一個流動路徑，所述流動路徑具有隨所述膜兩側的壓力差而改變的尺寸。

在另一方面中，提供了一種MEMS換能器，包括： 一個柔性膜，所述柔性膜被支撑在第一容積和第二容積之間；以及一個通氣部，所述通氣部連接所述第一容積和第二容積，其中所述通氣部被配置為使得穿過所述通氣部的流動速率相對於壓力差是非綫性的。

在另一方面中，提供了一種MEMS換能器，所述換能器具有被支撑在第一容積和第二容積之間的膜，其中所述第一容積和第二容積之間的聲學阻抗隨所述容積之間的壓力差是可變的。

本發明的實施方案涉及一種MEMS換能器，包括：一種換能器結構，其包括一個柔性膜，所述柔性膜被支撑在第一容積和第二容積之間；其中所述換能器結構包括至少一個可變通氣部結構，用於改變所述第一容積和第二容積之間的流動路徑的尺寸；所述可變通氣部結構包括至少一個可移動部，所述至少一個可移動部相對於一個表面可移動，其中所述可移動部通過至少一個扭轉彈簧被連接至所述表面的其餘部分。所述可變通氣部可被形成在所述柔性膜中。

另一方面提供了一種MEMS換能器，包括：一個換能器結構，其包括一個柔性膜，所述膜被支撑在第一容積和第二容積之間；其中所述換能器結構包括至少一個可變通氣部結構，所述至少一個可變通氣部結構與所述第一容積和第二容積中的至少一個連通；所述可變通氣部結構包括至少一個可移動部，所述至少一個可移動部響應於所述可移動部兩側的壓力差而可移動，從而改變穿過所述通氣部結構的流動路徑的尺寸。

所述可變通氣部可以是一個可變孔口，從而本發明的實施方案還提供了一種MEMS換能器，包括：一個柔性膜；以及，至少一個可變孔口，用於平衡所述柔性膜兩側的壓力差。

總之，提供了一種包括至少一個可變通氣部的MEMS換能器。所述MEMS換能器可以是一個電容式麥克風。所述換能器可具有一個柔性膜，且所述可變通氣部可被形成在所述柔性膜中。

100‧‧‧電容式麥克風設備

101‧‧‧模層

102‧‧‧第一電極

103‧‧‧第二電極

104‧‧‧背板

105‧‧‧基底

106‧‧‧上部氧化物層

107‧‧‧下部氧化物層

108‧‧‧腔

109‧‧‧第一腔

110‧‧‧第二腔

111‧‧‧排出孔

112‧‧‧聲學孔

201‧‧‧支撑結構

202‧‧‧點

203‧‧‧箭頭

301‧‧‧點

302‧‧‧點

303‧‧‧點

401‧‧‧可變通氣部結構

402‧‧‧可移動部

403‧‧‧通道

404‧‧‧連接部

601‧‧‧換能器結構

701‧‧‧可移動折翼部

702‧‧‧互連通道

703‧‧‧虛線

704‧‧‧可移動折翼部

705‧‧‧通道

706‧‧‧加强材料

707‧‧‧長方形可移動折翼部

708‧‧‧通道

709‧‧‧正方形折翼部

710‧‧‧通道

801‧‧‧可變通氣部結構

802‧‧‧可移動部

803‧‧‧通道

804‧‧‧通道

805‧‧‧梁

806‧‧‧可變通氣部結構

807a‧‧‧可移動部

807b‧‧‧可移動部

808a‧‧‧通道

808b‧‧‧通道

809‧‧‧通道

810a‧‧‧梁

810b‧‧‧梁

811‧‧‧可變通氣部結構

812a‧‧‧可移動部

812b‧‧‧可移動部

813a‧‧‧通道

813b‧‧‧通道

813c‧‧‧通道

814a‧‧‧通道

814b‧‧‧通道

815a‧‧‧梁

815b‧‧‧梁

816‧‧‧通氣孔

817‧‧‧區域

818‧‧‧虛綫區域

819a‧‧‧梁

819b‧‧‧梁

820‧‧‧區段

821‧‧‧區段

822‧‧‧蛇狀區段

901‧‧‧第一可變通氣部結構

902‧‧‧可移動部

903‧‧‧通道

905a‧‧‧梁

905b‧‧‧梁

906‧‧‧可變通氣部結構

907‧‧‧可移動部

908‧‧‧蛇狀梁

909‧‧‧可變通氣部結構

910‧‧‧可移動部

911‧‧‧梁

1001‧‧‧膜

1002‧‧‧可變通氣部結構

1003‧‧‧排出孔

1101‧‧‧可變通氣部

1102‧‧‧端口

1103‧‧‧材料層

1104‧‧‧端口

1201‧‧‧柱塞區段

1202‧‧‧支撑結構

1204‧‧‧孔口

1301‧‧‧柱塞區段

1302‧‧‧背板/支撑結構

1400‧‧‧換能器

1401‧‧‧蓋

1402‧‧‧封裝基底

1403‧‧‧接合線

1404‧‧‧焊料墊

1405‧‧‧環

1406‧‧‧連接部

1407‧‧‧殼體

現在將參考附圖，以僅為實例的方式來描述本發明。

圖1a和圖1b以截面圖和剖視立體圖示出了已知的電容式MEMS換能器；圖2a和圖2b示出了另一已知的電容式MEMS換能器的平面截面圖和立體圖；圖3a和圖3b示出了高壓力事件可以如何影響膜；圖4a-圖4c示出了根據本發明的一個實施方案的可變通氣部結構；圖5示出了聲導(acoustic conductance)相對於壓力差和通氣部結構開口程度的曲綫圖；圖6a和圖6b示出了具有可變通氣部的換能器的膜；圖7示出了合適的可變通氣部結構的另一些實施方案；圖8a-圖8f示出了另一些合適的通氣部結構；圖9a-圖9c示出了合適的通氣部結構的另一些實施例；圖10a和圖10b示出了具有多個可變通氣部結構的膜的平面圖；圖11示出了在繞開膜的流動路徑中具有可變通氣部的換能器； 圖12a-圖12c示出了根據本發明的一個實施方案的另一可變通氣部結構；圖13示出了可變通氣部結構的另一實施方案；以及圖14a-圖14h示出了包括MEMS換能器的封裝的多種布置。

如上面所描述的，MEMS換能器(例如，圖1和圖2中所示出的MEMS換能器)可有利地用在多種不同的設備中，並且越來越普遍地用於便携式電子設備(例如，移動電話、移動計算設備和/或個人媒體播放器等)中。

為了在便携式電子設備的使用中有用，所述換能器應當能够經受住對便携式設備的期望處置和使用，所述便携式設備的期望處置和使用可包括該設備意外掉落。

如果設備(例如移動電話)發生墜落，這不僅可導致由於撞擊而產生的機械衝擊，而且還會導致入射在MEMS換能器上的高壓脈衝。例如，移動電話可能在該設備的一個面上具有用於MEMS麥克風的聲音端口/聲學端口。如果該設備在該面上墜落，則一些空氣可被墜落中的設備壓縮，並且被迫進入聲音端口中。這可導致入射在換能器上的高壓力脈衝。已發現，在上面描述的常規形式的MEMS換能器中，高壓力脈衝可潜在地導致對換能器的損壞。

再次參考圖2a和圖2b，如前面所描述的，MEMS換能器200可具有一個膜層101和一個背板層104，所述膜層和背板層被形成為使得膜懸浮在基底105的表面上方以限定第一腔109，且使得背板104懸浮在所述 膜的上方以形成第二腔110。注意，如本文所使用的，術語基底將用於指一層或多層材料，其中膜懸浮在所述一層或多層材料上方。這通常可包括矽晶片，還可包括一個或多個沉積層，可能地包括與用於形成膜層的材料相同的多層材料。

如上面所提及的，犧牲材料可用於限定第一腔的尺度以及從而限定膜的尺度。如所討論的，可相對精確地使犧牲材料沉積和圖案化，以提供對膜的尺度的很好的控制。基底腔還通常借助於背部蝕刻而設置在基底105中。為了確保由第一腔109的尺度來確定膜的尺度，基底腔被布置為在基底腔和第一腔匯合(meet)的點202處具有比第一腔更小的直徑，換句話說，基底腔在基底的表面處的開口具有比第一腔更小的直徑。這意味著，在這樣的結構中，膜懸浮在由箭頭203所指示的基底的一個區段上方，之後到達基底腔的開口，即基底的表面中的基底腔108的開口在柔性膜的區域內。

用於限定第一腔和第二腔的犧牲材料被定尺度，從而提供膜層101和基底105之間的期望的平衡分離，以及膜層101和背板104之間的期望的平衡分離，從而在使用時提供很好的靈敏性和動態範圍。在正常運作時，膜可在由第一腔和第二腔所限定的容積內變形，而不接觸背板和/或基底105。

然而，響應於高壓力脈衝，膜層101可呈現比平常更大量的變形。圖3a示出了在高壓力事件之後膜朝下變形的情形，圖3b示出了膜朝上位移的情形。

考慮如下情形：麥克風被布置為接收來自布置於背板104 上方的聲音端口的入射聲，且聲音端口壓力突然增大，例如，因為在該設備墜落時受陷空氣被迫進入聲音端口。這可導致第二腔110中的壓力顯著大於第一腔109中的壓力，使得膜比平常更大程度地朝下位移。這可導致點301處相對大的應力，在點301處膜層101形成支撑結構201的側壁的一部分，且在一些情况下，可從而導致膜層與側壁結構的其餘部分的脫層。此外，如果壓力差足够大，則膜可在由基底腔108的開口的側壁202所限定的基底的邊緣處接觸基底105。通常，基底腔的開口的位置處的基底的邊緣具有相對尖銳的角度，從而膜可圍繞該邊緣變形，導致該點302處的大的應力集中。

如前面所提及的，膜層101將通常由一層或多層薄的半導體材料(例如，氮化矽)形成。儘管所述材料當經受均勻應力時可以是柔性的，但是如果存在一個顯著的局部平面外應力，例如可通過接觸基底腔108的開口的邊緣而在點302處被引入膜中，則膜材料可相對脆。因而，膜和基底腔的開口的邊緣之間的這種方式的接觸可導致膜的損壞，例如膜的破裂。

上面關於圖1所討論的排出孔(在圖2和圖3中未示出)將提供第一腔和第二腔之間的流動路徑，從而穿過排出孔的空氣的流動將隨時間的逝去而减小作用在膜上的壓力差。然而，通常排出孔被有意地布置為提供有限量的流動，從而提供期望的頻率響應。因而，可在膜兩側維持高的壓力差且持續相對長的時間段，之後穿過排出孔的流動用於平衡第一腔和第二腔中的壓力。可通過更改排出孔的尺寸和/或數目來改變經由排出孔進行平衡所花費的時間，但是這可能負面影響換能器的性能。

由於由受陷空氣所導致的高壓力可持續相對長的時間，所以第一腔和第二腔中的壓力可借助於所討論的排出孔來平衡。因而，第一腔和基底腔中的壓力可增大，直至壓力被平衡。然而，一旦空氣不再被迫進入聲音端口，則聲音端口中的壓力將極其快速地减小，並且通常由於背板具有低的聲學阻抗，所以第二腔中的壓力將快速地减小。此時，第一腔中的壓力可顯著大於第二腔中的壓力，從而與通常的情形中相比，膜可再次更大程度地朝上變形。再次，這可導致在膜層101與支撑結構的側壁匯合的區域301中的一個顯著應力。如果該壓力差足够大，該膜可被位移得足够遠，以接觸背板104。與圖3a中示出的情形相比，這可限制膜的行進的量，但是再次這可在膜層接觸背板104的點303處將應力引入膜層中。再次，可能會花費一段時間借助於流過排出孔將壓力差减小。

應理解，當經由基底腔108但是以相反順序接收聲音時，也可出現這兩種情形。儘管這兩種情形可導致對膜的損壞，但是相信，圖3a中示出的情形更可能導致損壞。

本發明的實施方案涉及包括一種換能器結構的MEMS換能器，該換能器結構包括一種柔性膜，該柔性膜被支撑在第一容積和第二容積之間。第一容積可例如包括膜和基底之間的第一腔(109)，和/或在基底中所形成的容積(108)。第二容積可包括膜和背板之間的第二腔(110)，和/或與第二腔流體連通的任何容積(例如，頂部端口實施方案中的聲音端口)。為了减小高壓力情形中損壞的可能性，該換能器結構包括至少一個可變通氣部結構，該至少一個可變通氣部結構與所述第一容積和第二容積中的至少一個連通。該可變通氣部結構包括至少一個可移動部，所述至少一 個可移動部響應於該可移動部兩側的壓力差而可移動，從而改變穿過該通氣部結構的流動路徑的尺寸。

該可變通氣部結構可包括一個可移動部，該可移動部是可移動的，從而打開從第一容積延伸至第二容積的孔。該可移動部可在不動時(quiescently)占據該孔的區域的至少一些，以及可能占據該孔的區域的大部分，但是響應於該孔兩側的局部壓力差而可移動，從而改變該孔的尺寸，所述孔被打開以提供一個流動路徑。換句話說，在平衡時，該可移動部可有效地閉合所述孔的至少一部分，但是是可移動的，從而改變該孔被閉合的程度。該可移動部優選地被布置為在正常運作壓力差時保持閉合所述孔(即，孔口)，但是在可能潜在地導致對膜的損壞的較高壓力差時，將流動路徑的尺寸增大為更大，例如較少地閉合該孔。因而，該通氣部可被視作可變的孔口。

因此，該可變通氣部結構用作一種壓力釋放閥，從而在相對高的壓力差時，降低作用在膜上的壓力差。然而，不同於膜中的具有固定區域從而具有固定尺寸的流動路徑的排出孔(如果存在)，該可變通氣部具有一個響應於壓力差而改變的流動路徑尺寸，即孔口。因而，該可變通氣部允許通氣的程度依賴於作用在通氣部上的壓力差，該壓力差明顯依賴於第一容積和第二容積中的至少一個的壓力。因而，該可變通氣部提供了一種可變的聲學阻抗。

方便地，該可變通氣部被布置為在更高的壓力時提供更大程度的通氣。因而，該可移動部的平衡位置，即當不存在顯著的壓力差時所述可移動部所采取的位置，相應於流動路徑的最小尺寸。可移動部的平衡 位置可相應於流動路徑被基本閉合。因而，在相對低的壓力差時，例如在換能器的期望正常運作範圍中可經歷的壓力差時，可變通氣部可被有效地閉合和/或僅允許有限量的通氣。然而，在高壓力情形中，可變通氣部的可移動部可移動至一個更加打開的位置，以提供更大尺寸的流動路徑，從而提供更大的通氣。這可减小作用於膜上的壓力差，從而减小對膜損壞的機會。

在一些實施方案中，至少一個可變通氣部結構的流動路徑在第一容積和第二容積之間。該可變通氣部可包括(至少在打開時)這樣一種結構的孔，該孔連接第一容積和第二容積。因而，在這兩個容積之間存在高壓力差的情形中，該可變通氣部可允許這兩個容積中的壓力平衡。該可變通氣部可在較高的壓力差時逐漸打開，從而與不具有可變通氣部的情形相比，允許更快速地平衡。在較低的壓力差時，所述可變通氣部可提供一個最小的流動路徑，從而不影響設備的性能。

圖4a至圖4c示出了本發明的一個實施方案。在該實施方案中，至少一個可變通氣部結構被形成在柔性膜101中，流動路徑是穿過所述膜的一個路徑。換句話說，該可變通氣部結構可包括穿過基底的一個孔，該可變通氣部結構的可移動部根據局部壓力差而提供對該孔的一個可變程度的堵塞。

圖4a示出了可變通氣部結構401的平面圖。該可變通氣部結構包括被形成為可移動部402的膜101的一部分。在該實施方案中，該可移動部402被形成為一個可移動的折翼(flap)部。該可移動折翼部402由通道403所限定，該通道403貫穿所述膜。通道403(可通過蝕刻穿過膜來 形成)是一個細的通道，且將可移動折翼部402與膜的其餘部分局部地分離。該可移動折翼部經由連接部404保持附接至該膜的其餘部分。

以這種方式對通道進行蝕刻從而將可移動部402與膜的其餘部分局部地分離意味著，該膜的可移動部可被偏轉遠離膜的其餘部分的表面。

該可移動部優選地被布置為使得其平衡位置(即，在基本上沒有作用於該可移動部上的壓力差時該可移動部所采取的位置)位於該膜的平面內。換句話說，在平衡時，該可移動部未被顯著偏轉遠離該膜的其餘部分。在該位置，可移動部402基本上覆蓋穿過該膜的流動路徑，即該流動路徑處於最小尺寸，並且在該實施方案中，基本上被閉合。

當然，將理解，通道403代表空氣流動穿過該膜的路徑，然而該通道403可被形成為具有非常窄的寬度，從而當該可移動折翼部處於閉合位置時，可能不存在流動穿過該通道的空氣，或者存在有限的流動穿過該通道的空氣。

可根據對最小可蝕刻間隙的光刻工藝約束條件，或者對用於可移動元件彎曲和撓曲但是不受該結構的其餘部分阻礙的某一機械空隙的需要，來限制通道403的寬度。此外，窄的間隙將趨於具有較大的片段製造容差，導致當被閉合時聲學阻抗中的較寬的變化，從而在例如低頻衰减(roll-off)麥克風時較寬的變化。

相對於20μm至50μm的典型的通氣部結構，一種典型的寬度可以是1μm。然而，依賴於聲學規格或製造工藝能力，該寬度可以小十倍或大十倍。如所提及的，限定可移動通氣部部分的通道的綫寬度可影 響一些因子例如低頻衰减。在選擇合適的綫寬度時，不同寬度的影響可被仿真，和/或不同的設計可被製造和測試。

在高壓力差時，該可移動部可被偏轉出膜的表面，從而有效地打開穿過該膜的流動路徑。圖4b以立體圖示出了該膜的一部分和該可變通氣部。在該實施例中，該膜下方的容積中的壓力充分大於該膜上方的容積中的壓力，使得可移動折翼部402被朝上偏轉遠離膜表面的其餘部分。這打開了穿過所述膜的流動通道，即有效地打開了基底中的孔。如果該壓力差增加得足够大，則該可移動部402可被進一步偏轉，從而提供更大量的打開，即更大的流動路徑。

因而，該可移動部可采取一系列的位置。這些位置依賴於作用在該可移動部(或者可變通氣部)上的壓力差。該可移動部被偏轉的程度還確定該可移動部堵塞/暴露穿過該膜的孔的程度，從而確定流動路徑的尺寸，如圖5中所示。圖5示出了聲導相對於壓力差的圖表。聲導代表空氣可在這兩個容積之間流動的容易程度，從而與流動路徑的打開程度(即，穿過所述膜的孔被暴露的程度)有關，相對於壓力差。

圖5還示出了在四個具體壓力差(指示為a、b、c和d)時的可移動部的相對位置。在低壓力差/平衡時，該可移動部位於該膜的表面中，從而該流動路徑基本上被閉合，如由位置a所指示的，僅僅限定該可移動部的通道的尺寸提供了一個流動路徑。因而，該聲導是低的，或者如果限定該可移動部的通道足够細則基本上為零。

在略微較高的壓力差時，該可移動部可被略微偏轉，但是仍至少局部位於由膜的上表面和下表面所限定的平面中。因而，該流動路徑 保持基本上閉合。位置b示出了該可移動部被朝上偏轉的位置，該可移動部的底部部分即將要延伸超出該膜的頂部表面。因而，聲導仍非常低。

在較高的壓力差時，該可移動部被偏轉為使得該可移動部的至少一部分完全延伸超出膜表面。這提供了某一尺寸的流動路徑，然而該孔仍被該可移動部局部堵塞。這由位置c來代表。

隨著偏轉量增大，未被堵塞的流動路徑的區域增大，直至在位置d處，該可移動部完全移動出流動路徑的區域，該通氣部完全打開為具有一個所限定的最大區域。即使壓力差進一步增大，流動路徑的尺寸將不再增大。然而，實際上，在一些實施方案中，該可移動部可能不會可變形至位置d中所示的完全程度。

將理解，聲導(或聲學阻抗)，即流動路徑的尺寸，並未呈現與壓力差的綫性關係。因而，流動速率將依賴於該可變通氣部打開的程度而改變。在該可移動部被變形至完全程度之前，流動速率增大得大於隨著所施加的壓力差的綫性變化。此外，由於在膜的另一側上施加壓力的輸入步驟所造成的任何接收容積中的壓力將示出一個上升時間，所述上升時間依賴於與接收容積的聲學電容有關的時間常數和該通氣部的聲導，所以該上升時間還將隨著增大壓力步驟而减小，趨向於减小該膜兩側的峰值壓力差，從而减小其變形或應力。

實際上，與甚至非常大的聲音有關的聲學壓力將低於在所描述的意外故障或過載情况中麥克風需要承受的壓力水平至少數個數量級。因而，對於正常的聲學壓力水平，通氣部結構將在遠低於壓力b的情况下運作，所以將對例如低頻衰减具有可忽略的影響。

方便地，該可變通氣部被布置為使得，在換能器的正常運作中期望的壓力差期間，該通氣部保持基本閉合(例如，對於示出為具有一個可移動的折翼的實施例，位於位置a和b之間的某一地方)，並且僅當該壓力差到達异常高水平或者開始逼近可潜在導致對換能器造成損壞的水平時，開始顯著打開(即，延伸超出位置b)。將理解，使流動路徑穿過所述膜可改變換能器的運作特性。如上面關於圖1所討論的，在MEMS麥克風中，可存在一個或多個穿過膜的排出孔，以减小低頻音效的影響。這些孔的數目和尺度被仔細選擇，以提供期望的運作特性。因而，這些排出孔已提供了一個路徑用於平衡膜的任一側上的兩個容積中的壓力，但是這些孔被有意地設計成在聲學方面所述平衡花費長的時間。因而，所述排出孔單獨地並不會阻止大的壓力差造成對換能器的損壞。所述可變通氣部被提供，以實現更加快速的平衡。然而，在所述可變通氣部被打開以在期望的正常運作壓力差時提供一個顯著的流動路徑的情况下，所述附加的流動路徑將改變該換能器的頻率特性，並且可導致失真。

因而，該可變通氣部的可移動部可被配置為使得，在壓力差低於第一閾值時，基本上不存在該可移動部從所述平衡位置的移動。具體地，該可移動部可被偏轉一個小於該膜的寬度的距離，使得該可移動部的尾部表面(即，與偏轉方向相對一側上的表面)不顯著延伸超出所述膜表面。因而，流動路徑(即，穿過該膜的孔)保持大部分被該可移動部堵塞。對於聲學換能器等，第一閾值可大於150Pa，並且可大於200Pa或者更高，並且在一些應用中，可大於1kPa。換句換說，該可變通氣部可在最高達約150Pa-200Pa或者更高的壓力差時，保持基本閉合。因而，對於範圍為0 Pa-200Pa的壓力差，該可變通氣部可基本上不提供流動路徑尺寸的顯著變化。這意味著，該可變通氣部對該換能器的運作具有最小的性能影響。

該可變通氣部被布置為在逼近可對換能器造成損壞的壓力差的壓力差時打開，以提供一個流動路徑。例如，該可變通氣部可被布置為在為約100kPa的壓力差時充分打開，以提供一個用於通氣的顯著的流動路徑。因而，該可移動部可被配置為使得，在第二閾值以上的壓力差時，存在該可移動部從所述平衡位置的顯著移動，該第二閾值可低於100kPa。因而，對於範圍為100kPa-200kPa的壓力差，與在平衡時的流動路徑尺寸相比，該可變通氣部基本上提供流動路徑尺寸的顯著增大。

該可變通氣部打開時的壓力差將依賴於多種因素，例如形成可移動部(例如，所述膜)的材料的厚度和成分，還有(對於折翼布置)與折翼部402的區域相比的連接部404的寬度。對於具有由氮化矽形成的膜的MEMS麥克風換能器，膜為大約0.4μm的厚度，可通過蝕刻如上面所描述的合適形狀和尺寸的可移動折翼部來形成合適的可變通氣部。例如，圖4a中所示的設計通過12μm的折翼部半徑和6μm的連接部寬度來仿真。該結果指示，可變通氣部將在最高達1kPa和5kPa之間的壓力差時保持基本上閉合。在20kPa-50kPa之間時，該通氣部局部打開，在100kPa時，該通氣部被充分打開(即，例如圖4b中所示出的)，以提供一個顯著的流動路徑。

這樣的一個通氣部當打開時提供了第一容積和第二容積之間的一個顯著的流動路徑，從而顯著增大了第一容積和第二容積之間出現壓力平衡時的速率。這减小了該膜可被暴露至高應力的時間。然而，此外， 該可變通氣部可减小由所述膜所經歷的最大壓力差或峰值壓力差。

為了解釋，設想由於主機設備墜落到一個表面上，由受陷空氣被迫進入聲音端口而導致高壓力脈衝。聲音端口中的壓力將在某一上升時間中增大，即該聲音端口中的壓力曲綫將具有某一上升時間。現在考慮兩個實例。在第一實例中，所述脈衝由常規MEMS麥克風經歷，在第二實例中，所述壓力脈衝入射在根據本發明的一個實施方案上。

在具有常規麥克風的第一實例中，在聲音端口中，從而在所述容積中的一個(例如，第一容積)中，增大的空氣壓力將增大穿過所述膜中的排出孔的流動速率，但是所述排出孔的尺寸被固定。因而，將達到某一峰值壓力差，該峰值壓力差可潜在地為大約800kPa或者更大。在具有根據本發明的MEMS麥克風的一個實施方案的第二實例中，隨著該壓力差增大至高水平，例如50kPa左右，該可變通氣部可開始打開，從而提供來自第一容積的某一附加的通氣(除了排出孔之外)，進而使第二容積的壓力向著同一水平上升(且可能地，减小第一容積中的壓力，與它之前的壓力相比)。隨著聲音端口中的壓力進一步增大，例如增大至100kPa，該可變通氣部將被打開，提供一個顯著的流動路徑，從而提供更快的平衡。依賴於壓力脈衝的性質，相比於第一實例，所述通氣可减小第一容積中所經歷的峰值壓力，但是在任何情形中，第二容積中的壓力將具有更快的上升時間，從而减小所經歷的峰值壓力差。

圖6示出了該可變通氣部的運作。圖6a示出了換能器的柔性膜101(為清楚起見，省略了換能器結構的其餘部分)。該膜被支撑在第一容積和第二容積之間。在該實施例中，該第一容積包括位於膜和基底之 間的腔109。第一容積可附加地或替代地包括基底中的腔。第二容積可包括位於膜和背板之間的第二腔110。第二容積還可包括背板外側的區域，該區域有效地經歷與第二腔相同的壓力變化。

所述膜具有多個排出孔111，所述排出孔111被定尺度且被布置為在換能器上產生調諧效應，並且减小低頻壓力變化的影響。所述膜還設有多個可變通氣部結構401，如上面所描述的。在一些應用中，還可能的是使用單個可變通氣部結構，但是在一些應用中，可能有利的是提供具有多個可變通氣部結構的膜。當存在多個可變通氣部結構時，它們可被相對均勻地分布在膜周圍。

圖6a示出了膜上的、位於膜電極103的區域外側的可變通氣部結構。這意味著，該通氣部正好由形成該膜101的所述一層或多層材料形成。然而，在一些實施方案中，將可能的是，在該電極的區域內形成可變通氣部結構，例如在電極的總體區域內的未沉積金屬電極的排除區域中。替代地，該可變通氣部結構可被形成在電極的區域中，膜層和電極層共同形成可變通氣部結構。在一些應用中，由膜層和金屬層形成通氣部的可移動部能提供更强的可移動部。應當注意到，無論所述可變通氣部結構在何處形成，在該位置處可存在聯接至所述膜的一個或多個附加的材料，從而定制所述可變通氣部的性質，例如柔性或應力處置能力。

圖6a示出了正常操作時的情形，其中第二容積110中的壓力大於第一容積中的壓力。因而，所述膜從所述膜平衡位置朝下偏轉。然而，該壓力差在該設備的正常期望運作範圍內，即低於運作閾值，從而可變通氣部401保持基本上閉合。

圖6b示出了壓力差已增大超出一個閾值至足以導致該可變通氣部打開的水平時的情形。因而，所述膜的可移動部(在該實施例中為可移動折翼部)被朝下偏轉，從而打開穿過膜的流動路徑(即，孔)，這更加允許具有上面所討論的好處的更加快速的平衡。

膜101的材料是相對彈性的。因而，如果第二腔中的壓力停止增大，則在短時間之後，穿過可變通氣部401的通氣會將壓力差减小至可變通氣部返回至如圖6a所示的閉合位置的水平。如果第二腔中的壓力之後减小得相對快，則所述膜兩側的相反方向上的壓力差可增大，使得膜朝上偏轉。壓力差可增大至這樣一種程度，使得通氣部現在在朝上方向上打開，從而將來自第一容積的空氣通氣至第二容積中。因而，將理解，所述可變通氣部可以是雙向的，且允許從第一容積至第二容積的通氣，反之亦然。

從圖6b中將看到，當該可變通氣部打開時，該可移動折翼部將被變形為在與膜被偏轉的相同的方向上遠離膜的表面。因而，該可移動折翼部可潜在地比膜自身延伸得更遠。在一些實施方案中，所述膜可相對於換能器結構的其餘部分(例如，背板或基底的某一結構)布置，使得膜可與換能器結構接觸(在圖6b中示出為601)。在一些情形中，這在阻止膜的過度行進時可以是有益的。很明顯，所述可變通氣部需要能够打開，以提供上面所描述的優勢，從而所述可變通氣部優選地相對於換能器結構布置為使得換能器結構將不阻止所述通氣部打開。此外，還可優選的是，當打開時，沒有結構正好在用於通氣部的出口路徑內。在一些情形中，所述通氣部可被布置在所述膜的一部分上，使得所述通氣部將不與所述換能 器結構接觸。例如，相對於所述背板，所述通氣部可被布置為使得所述可移動部打開到一個或多個所述背板聲學孔的區域中。然而，在其他實施方案中，所述通氣部可被布置為使得它們可充分打開以提供一個顯著的流動路徑，但是被換能器結構阻止進一步打開。因而，所述換能器結構可用作一個用於所述通氣部的可移動部的堅固的止擋件，所述止擋件可减小或限制所述可移動部中的應力，並且有助於防止對所述可移動部的損壞。

所述可變通氣部的可移動部可采取許多形式。圖7示出了合適的可變通氣部結構的多種不同配置。在左上方，若干互連通道702被蝕刻，以留下若干可移動折翼部701。在該實施例中，所述通道被蝕刻成“十”字形，以限定四個三角形可移動折翼部。與折翼部的表面區域相比，該配置提供了一個相對寬的連接部，由虛綫703指示。這樣的配置可以是相對强壯的。

應理解，當經受足以造成所述可移動折翼部變形的壓力差時，在連接部上將存在一個顯著的應力。對於可變通氣部，可期望的是，能够經受住高壓力差而沒有損壞，因此在一些應用中，一個寬的連接部可以是優選的。然而，注意到，所述通氣部打開的動作將導致所述可移動折翼部的暴露至較高壓力區域的有效區域减小。因而，對於一個固定的壓力差，所述可移動折翼部上的力將隨通氣部打開而减小，這有助於防止所述可移動折翼部過度變形。

然而，在一些情形中，所述可變通氣部結構可包括被特別提供以確保所述通氣部結構的可期望性質的材料。例如，圖7還示出了由通道705形成的一個大體彎曲的(例如，半圓形的)可移動折翼部704，且一 層加强材料706被設置在該連接區的附近。加强材料可例如包括金屬，並且可例如由與用於形成膜電極的材料相同的材料形成，儘管當然可使用其他材料。

圖7還示出了由僅圍繞三側的通道708形成的長方形可移動折翼部707，以及由通道710形成且具有相對窄的連接部的大體正方形的折翼部709。通常，所述膜的可移動折翼部由貫穿所述膜的一個或多個通道限定，所述折翼部可以例如是三角形、圓形、橢圓形或長方形形狀中的一個，或者大體具有任何合適的規則多邊形或不規則多邊形的形狀。

圖8a和圖8b示出了合適的可移動部的一些另外的實施例。圖8a示出了一個可變通氣部結構801，該可變通氣部結構801包括一個可移動部802，該可移動部802包括一個由通道803所限定的不規則多邊形形狀。然而，在該實施方案中，通道803連同附加的通道804意味著，可移動部802借助於梁結構805而被連接至所述膜的其餘部分。梁805在兩個端部處連接至所述膜的其餘部分，並且支撑可移動部802。與前面所描述的實施方案相同，作用於膜從而作用於可移動部802上的壓力差趨於將可移動部802偏轉遠離所述膜的平面。然而，在該實施方案中，由於梁805的扭曲而非由於連接部離開平面的彎曲而出現偏轉。因而，梁805用作扭轉梁。可實現的可移動部的應力和偏轉可經由扭轉梁805的尺度控制。這可允許與前面所討論的實施方案相同程度的偏轉，但是具有較低的應力從而較小的損壞可能性，或者替代地允許對於給定壓力差的更大程度的打開。

圖8a還示出了另一可變通氣部結構806，該可變通氣部結構806包括由通道808a和808b還有通道809所限定的兩個半圓形的可移動 部807a和807b，可移動部807a和807b通過扭轉梁810a和810b而連接至所述膜。同樣，可移動部807a和807b的移動涉及梁810a和810b的扭曲。

圖8b以平面圖示出了另一可變通氣部結構811，並且還以截面圖示出了當至少局部打開時的另一可變通氣部結構811。該可變通氣部結構811包括兩個可移動部812a和812b，在該實施例中，所述兩個可移動部812a和812b具有由通道813a和813b(包括共同的中央通道813c)所限定的大體梯形形狀，其中通道814a和814b限定支撑所述可移動部的扭轉梁815a和815b。

同樣，所述通氣部的性質(關於所述通氣部打開時的壓力差以及所述通氣部結構上的應力)可通過合適地選擇尺度來控制，通氣部的開閉比率也同樣可以被控制。在一個實施例中，當通氣部以大約0.4μm的厚度的氮化矽膜形成時，限定通氣部結構的通道的寬度(即，在圖8b中尺度“a”)可以是大約1μm。所述梁結構的寬度(尺度“b”)可以是大約3μm的b。所述可移動部812a和812b中的每個可以是約15μm寬，即所述可移動部的、從中央通道813c至梁結構的寬度的尺度“c”。所述梁的長度(尺度“d”)可以為大約30μm。

將注意到，圖8b中所示出的通氣部結構的流動路徑的總體形狀由兩個可移動部812a和812b限定，且是大體六邊形的。對於通氣部，這是一種尤其有利的形狀。

如前面所提及的，所述通氣部結構可相對於所述換能器的另一結構(例如，背板104)來布置，使得所述通氣部與背板中的間隙對準，以允許所述通氣部打開至期望程度。因而，如所描述的，在背板104中， 所述通氣部可與聲學孔對準。然而，在一些實施方案中，設置在背板中的所述聲學孔的尺寸通常可能比所述通氣部的尺寸更小。因而，在一些實施方案中，背板104的結構在所述通氣部結構附近設有更大的孔816或者間隙。

背板104通常被設計成相對透聲的，從而在通氣部附近提供附加的孔是可接受的。然而，改變穿過所述背板的孔的尺寸和/或分布可能對該設備的聲學性質(例如，麥克風的低頻衰减)具有影響。因而，將孔設置在背板中以允許所述通氣部打開可通過聲學孔112的尺寸和/或間距的减小來補償，以維持期望的性質，和/或所述背板中的孔可緊密匹配所述通氣部的形狀。

圖8c和圖8d示出了在用於圖8b所示形式的可變通氣部的兩個實施方案中布置穿過背板的孔的布置。圖8c和圖8d示出了背板的一部分的平面圖，且示出了聲學孔112的規則陣列，在該實施例中，所述聲學孔112被布置成規則的多邊形圖案。還示出的是所述膜中的下面可變通氣部和所述可移動部812a和812b的結構。可見，所述可移動部的尺寸大於所述聲學孔112的尺寸。例如，所述聲學孔的直徑可為大約10μm的數量級，每一聲學孔與其最近鄰分離開約5μm。在上面所描述的實施例中，這兩個可移動部中的每一個的寬度為大約15μm的數量級。

因此，在該實施方案中，在背板104中在通氣部的附近存在較大的通氣孔816，以允許用於可移動部812a和812b打開的空間。設置在所述背板中的通氣孔816可被定尺寸和定形狀，以匹配所述通氣部的形狀。圖8c示出了這樣一種布置，其中通氣孔816相應地交叠所述通氣部附近的、具有相應於所述通氣部的圖案的聲學孔圖案。圖8d示出了一種替代布置， 其中在所述通氣部的附近省去了所述聲學孔圖案，且替代地，提供了相應於所述通氣部結構的形狀的通氣孔816。

如所示出的，背板中的通氣孔可以至少是所述可變通氣部的尺寸，且可以大體是相同的形狀，儘管將理解，在一些實施方案中可使用不同的形狀，且所述通氣部的可移動部可僅要求背板中的較小的打開，以容納所述可移動部的必要範圍的移動。

還將看到，在該實施方案中，所述通氣部結構的大體形狀匹配所述聲學孔的布置，以至於較大的通氣孔816可很容易地容納在所述聲學孔的正常圖案中。

在圖8c所示出的實施方案中，背板中的通氣孔816包括這樣一個區域817，該區域被定位在所述可變通氣部將首先打開的位置附近，但是與所述通氣部的區域橫向偏置，即當該通氣部打開時，該區域不交叠所述膜中的被打開的區域。這種布置在以下方面是有利的：在可移動部812a或812b未被完全偏轉的位置處，最大化穿過所述可變通氣部的通氣的量。換句話說，提供這樣一種背板孔的區域(該區域鄰近通氣部打開的位置，但是與通氣部的位置略微偏置)可在所述通氣部被打開時，幫助最大化通氣的量，從而確保當存在足以導致所述通氣孔打開的壓力差時，盡可能快地出現顯著的通氣。

再回來參考圖8b，可以看到，隨著可移動折翼部812a和812b偏轉從而提供穿過所述膜的流動路徑，在垂直於所述膜的方向上的所述流動路徑的尺寸有效地被可移動部812a和812b之間所打開的間隙限定。因而，經過所述通氣部的空氣通過可移動折翼部812a和812b可被有效地彙集 穿過該間隙。然而，將理解，所述間隙的尺寸將保持相對小，直至可移動部812a和812b已被偏轉至一個相當顯著的程度。例如，考慮所述可移動部中的每一個都具有相同的寬度(即，圖8b中的尺度“c”)，以使得如果這兩個可移動部被偏轉為垂直於所述膜(假設這將是可能的)，則所述間隙將具有最大值G。如果所述可移動部中的每一個都被偏轉成與所述膜成約45℃的角度，則所述間隙將為約0.3G(忽略所述可移動部的形狀的任何形變)。

隨著所述可移動部偏轉遠離所述膜，還可能的是空氣經過穿過所述膜的暴露路徑，然後橫向偏轉，即在圖8b的截面圖所示出的實施例中，可移動部812a和所述膜的平面之間(即，在可移動部812a及其所示出的靜止位置之間)的區域中的空氣可在如所示出的進入紙面或者離開紙面的方向上通氣。

儘管實際中將出現側部通氣，但是在所述可移動部被偏轉進所述膜和背板之間的腔內的情形中，已發現，使得所述背板中的通氣孔(相應於所述可變通氣部)延伸至可出現所述側部通氣的區域可以是有利的，以增加所述通氣的量。

圖8e示出了當膜101已被偏轉朝向背板104時，具有圖8b中總體示出的結構的通氣部被局部打開的情形。將理解，背板104可具有大約幾微米或者更大的厚度。圖8e示出了觀看側部的視圖，與圖8b中所示的視圖進行比較，並示出了可移動折翼部812a處於遠離膜101、朝向背板104的局部偏轉位置。如所提及的，背板中的通氣孔816可被定尺度為至少相應於所述可變通氣部的尺寸，以允許所述通氣部在通氣孔816的區域中打開。在圖8e所示出的實施方案中，背板中的通氣孔816具有這樣一個區 域817，該區域817在通氣部首先打開的位置處橫向遠離所述通氣部的區域延伸。這允許由所述實箭頭示出的穿過所述通氣部的流動路徑，該流動路徑經過所述膜的平面，但是之後通氣離開所述局部打開的通氣部的一側。虛綫區域818示出了在缺少背板孔的橫向區域817的情况下將發生的狀態。如果所述膜101未與所述背板104接觸，一些空氣仍可能地從所述局部打開的通氣孔的一側通氣進入膜和背板之間的腔，如由虛箭頭所示出的。然而，在沒有橫向區域817的情况下，側部通氣可發生的程度可大大减小。

因而，在多種實施方案中，對於設置在可變通氣部的位置中的、背板中的至少一些通氣孔，例如以允許可變通氣部打開進入所述背板中的通氣孔的區域中的空間，所述背板通氣孔的區域可在所述通氣孔首先打開的位置處或附近橫向延伸遠離所述通氣部的打開的區域，從而允許或改進側部通氣。

如上面所提及的，扭轉梁(例如，上面的圖8a和圖8b的實施方案中所示出的扭轉梁)的使用可以是有利的，以允許所述可變通氣部的可移動折翼部移動以打開所述通氣部，同時限制所述結構中的應力。影響所述可變通氣部的可移動部的移動程度及其有關應力的一個因素是所述扭轉梁的長度，即圖8b中的尺度d。較長的梁長度允許對於給定應力水平的較大程度的移動，或者對於給定移動程度，减小總體應力。因而，可能期望的是，在一些實施方案中，提供相對長的長度的梁。

然而，將注意到，所述膜中使用包括扭轉梁的可變通氣部結構涉及在所述膜中形成通道以限定扭轉梁。例如，在圖8b中，通道814a和814b被要求用於局部限定扭轉梁815a和815b。這些通道並未形成所述通 氣部的可變流動路徑部分的一部分，即所述通道並未形成通過所述通氣部的可移動部的移動而被打開的所述可變流動路徑的一部分。為了在通氣部被閉合時，最小化所述通氣部結構的影響，有益的是，限制所述通道位於與所述背板中的聲學孔相同位置的程度。如果穿過所述膜的通道位於與所述背板中的孔相同的位置處，則這可提供一個小的流動路徑，甚至當所述通氣部被閉合時。對於所述膜中的、被用於限定所述通氣部結構的可移動部的通道，例如通道813c，可能不可避免的是，所述通道將相應於所述背板中的孔。當打開時，所述通道將有效地形成所述通氣部流動路徑的一部分，從而可設置在相應於較大的背板孔816的位置中。然而，可能有利的是，配置不相應於所述通氣部結構的可變流動路徑的任何通道，從而最小化它們與任何背板孔交叠--即在背板中的任何聲學孔的下面(或者，依賴於換能器的結構，在背板中的任何聲學孔的上面)--的程度。

因而，在一些實施方案中，背板孔(即，聲學孔112)的圖案可被布置為使得，所述背板的、相應於所述膜中的通道位置的一個或多個區域基本上不存在任何背板孔，所述膜中的通道位置限定所述可變通氣部結構的一部分。

換句話說，在所述背板中可存在至少一個通氣孔(即，大孔816)，所述至少一個通氣孔相應於所述可變通氣部的流動路徑，且可被定尺寸以允許所述通氣部在所述孔中至少局部打開。所述背板中的所述通氣孔可被定尺寸和定形狀為大體相應於當所述可變通氣部打開時由所述可變通氣部所實現的流動路徑，且在通氣部首先打開以允許早期側部通氣的位置處具有可能的橫向區域。然而，所述通氣孔可被布置，從而基本上不在 所述膜中的任何通道上方延伸，所述通道用於限定所述膜中的可變通氣部結構的一部分但是在使用時並未形成所述可變流動路徑的一部分。參考圖8d，孔816被布置為使得它並未延伸到用於限定所述扭轉梁的外部邊緣的上部通道和下部通道。然後，背板中的其他孔(即，聲學孔112)的圖案可被布置，也使得基本上不與所述通氣部結構的任何通道交叠，即，以限定可設置所述膜中的通道的區域。

然而，在一些實施方案中，可能期望的是具有規則圖案的聲學孔，而在背板中沒有顯著不存在聲學孔的任何區域。因而，所述聲學孔的圖案可限制所述通道的最大長度，所述通道可被建立以限定所述扭轉梁結構且不與聲學孔顯著交叠。例如，考慮圖8d中所示出的布置，其中背板中的聲學孔112被布置為六邊形堆積的陣列，且所述可變通氣部具有大體六邊形形狀。如果聲學孔112的直徑例如為大約10μm，且彼此分離開5μm，則相鄰“行”的聲學孔之間的最大間隙小於3μm。如上面所討論的，在一個實施例中，所述梁的寬度可為大約3μm，且限定所述梁的通道為1μm寬。因而，之後可以看到，在這樣一種布置中，不可能的是，所述扭轉梁的長度延伸超出某一長度(在該實施例中，為約30μm)，且限定扭轉梁的通道中的至少一個不與背板中的聲學孔交叠，或者不需要從陣列中省去聲學孔112中的一些(對性能具有可能的影響)。

因而，在一些實施方案中，將可移動部連接至所述膜的其餘部分的梁結構可具有非直綫路徑。換句話說，由將所述可移動部連接至所述膜的其餘部分的梁所建立的路徑可在所述梁的平面內、在其中具有一個或多個彎曲部。這可增大可設置在一個給定距離內梁的有效路徑長度。例 如，所述梁可具有如圖8f所示的蛇狀或曲折結構。在圖8f所示出的實施例中，通道被形成在所述膜中，以形成兩個可移動部812a和812b，如上面關於圖8b所描述的。這些可移動部經由梁結構819a和819b被連接至所述膜的其餘部分。然而，在該實施方案中，限定梁結構819a和819b的通道具有相對於總體梁長度橫向延伸的區段820和821，以限定所述梁結構的蛇狀區段822。這些蛇狀區段822用作彈簧區段，且增大所述梁結構的有效長度。所述梁結構的有效長度等於所述梁結構的總體長度L加上用於每個彎曲部的彈簧結構的寬度W。因而，圖8f中示出的梁819a和819b具有L+6W的有效長度。使用所述彈簧結構來增大梁結構的有效長度具有上面所描述的優勢：允許針對給定應力水平的更大程度的移動/針對給定移動程度减小總體應力，但是不要求增大所述梁結構的總體長度。

在圖8f的實施方案中，在將可移動部連接至基底的梁結構的兩個臂的每一個中形成了相同的彈簧結構。在一些材料體系中，這樣的布置可以是有益的，以確保由所述可移動部的偏轉引發的應力均勻分布，然而並不需要都是這種情形，在另一實施方案中，在所述梁結構中的一個臂中比另一臂中可存在更多的彎曲部。

圖8f示出了所述梁路徑中的成直角的彎曲部和大體正方形的拐角部。然而，應理解，一系列其他形狀是可能的。例如，所述梁路徑中的彎曲部可低於90度(或者在一些應用中更大)和/或更圓化，例如用於减小應力。

如所提及的，蛇狀類型形狀(即，曲折路徑)提供了一個扭轉彈簧結構，從而通常所述可移動部經由一個或多個扭轉彈簧被連接至所 述膜的其餘部分。以這樣一種方式使用扭轉彈簧可减小可變通氣部打開時的壓力差，同時保持所述通氣部結構的低占用區域(使得形成彈簧結構的通道不需要與任何背板孔顯著交叠)和低應力性質。

具有例如圖8b中示出的直綫性扭轉梁的通氣部設計被生產，且與包括例如圖8f所示的蛇狀彈簧結構的通氣部設計進行比較。在這兩種情形中，所述梁結構的總體長度L相同，且所述可移動部的尺寸和形狀相同。與具有直的扭轉梁的通氣部相比，針對給定的壓力差，包括扭轉彈簧的通氣部的可移動部的偏轉被顯著增大。在一個測試中，50kPa的壓力差導致具有扭轉彈簧的可變通氣部中的12.3μm的偏轉，相比於具有直的扭轉梁的通氣部中的4.5μm的偏轉。這導致在該壓力時，所述通氣部的空氣阻力的18倍的减小。

因而，通常在一些實施方案中，所述可變通氣部可包括一個可移動部，該可移動部可移動以暴露穿過一個表面的流動路徑，其中所述可移動部通過至少一個扭轉彈簧連接至所述表面。所述扭轉彈簧可包括一個限定非直綫性路徑的梁。所述表面可以是所述膜，所述可移動部可以是膜材料的一部分，其相對於所述膜的其餘部分可移動。

圖9a-圖9c示出了合適的可變通氣部結構的另一些實施例。在這些實施例中，所述可變通氣部結構包括一個可移動部，所述可移動部可移動出所述膜的平面，以提供一個流動路徑。圖9a示出了第一可變通氣部結構901，該第一可變通氣部結構901具有由通道903所限定的可移動部902。通道903被布置以限定梁部905a和905b，所述梁部905a和905b可響應於可移動部902上的壓力差而彎曲，使得所述可移動部可偏轉出所述膜 的表面，如圖9a中以截面圖示出的。

圖9b示出了沿著類似的綫的另一通氣部結構906，其具有通過梁連接至所述表面的其餘部分的可移動部907，但是具有附加的通道，從而限定蛇狀的梁結構908，以提供更大程度的彎曲。

圖9c示出了可變通氣部結構909的另一實施例，該可變通氣部結構909具有通過多個梁911連接的可移動部910，所述多個梁911有效地用作支撑可移動部910的葉片彈簧。

當然，應理解，所述可移動部的形狀可改變，且例如可以是圓形或橢圓形，或者大體上是規則多邊形或不規則多邊形形狀，具有變化數目的支撑臂或葉片彈簧，所述支撑臂或葉片彈簧可以在其中具有或者不具有描述蛇狀結構的彎曲部。通常，所述可移動部可在大體上垂直於所述膜的平面的方向上可移動，並且可被梁結構支撑，所述梁結構可以是直的或者彎曲的或者形成為彈簧結構。

如前面所討論的，在所述膜中可設置多於一個的可變通氣部結構，且所述可變通氣部結構可圍繞如圖10a中所示的膜均勻地間隔開，圖10a示出了換能器的膜1001的平面圖，且示出了可變通氣部結構1002和排出孔1003的間距。

替代地，所述通氣部可以例如圖10b中所示的其他圖案來布置。圖10b還示出了在不同的位置，通氣部結構1002的取向可以相同，例如以適應聲學孔的圖案和較大的背板孔的圖案，如前面所描述的。

如上面所描述的，至少一個可變通氣部可形成在所述膜中。附加地或替代地，至少一個可變通氣部可形成有繞開所述膜的流動路徑。 例如，所述流動路徑可繞開所述膜，且貫穿某一換能器結構的側壁的至少一部分。

圖11示出了具有繞開實際膜的可變通氣部1101的流動路徑的一個實施方案。圖11示出了換能器的支撑結構的至少一部分，所述換能器包括至少一個背板結構104和一個或多個膜層101。在該實施例中，背板結構104的側壁和膜層101的側壁被圖案化，以提供流動路徑的第一端口1102。在該實施例中，端口1102提供了通向第一腔110外側的容積的一個流動路徑。然而，所述背板結構由於聲學孔112是相對透聲的，所以第一腔中的壓力與該區域中的壓力緊密關聯。因而，端口1102提供了通向/來自包括第二腔110的容積的流動路徑。

基底105也被蝕刻，以提供用於通向/來自包括第一腔109和基底腔108的容積的流動路徑的端口1104。

位於端口1102和1104之間的流動路徑中的是一材料層1103，該材料層1103沉積在所述基底上，且被形成為包括可變通氣部1101。所述可變通氣部可具有上面描述的任何通氣部的形式(且如上面所描述的，通氣部形成在層1103中而非膜中)。在該情形中，可針對期望的性質選擇所述通氣部的材料，而不造成所述膜的性質的改變。所述層的厚度還可被控制，以提供期望的通氣特性。然而，材料層1103可以是被提供作為換能器結構的一部分的任何材料層，且自身可與所述膜的材料相同。所述可變通氣部的操作如前面所描述的。所述膜兩側的壓力差還導致所述可變通氣部兩側的類似的壓力差。在正常操作中遇到的壓力差時，可變通氣部可保持閉合，從而換能器的聲學性質依賴於所述膜。如果遇到了高壓力差， 則所述通氣部可打開，有助於平衡這兩個容積，從而降低所述膜上的壓力差。

上面所討論的實施方案集中於將第一容積連接至第二容積的流動路徑。所述布置是有利的，因為它增大了低壓力容積中的壓力，並且潜在地减小了高壓力容積中的壓力。然而，在一些應用中，可能的是提供一個可變通氣部，該可變通氣部具有從所述第一容積和/或第二容積中的一個至所述第一容積和/或第二容積外側的流動路徑。換句話說，代替將第一容積直接連接至第二容積，所述流動路徑可以將第一容積連接至其他容積。所述其他容積可以是局部封閉的容積，且可以被容納在換能器中或其封裝中或包含該換能器的設備中，或者可以是未被局部封閉的容積，甚至包括外部大氣。在正常操作時，所述可變通氣部將保持閉合，但是響應於有關容積中的高壓力，所述通氣部可打開，以提供來自高壓力容積的通氣，從而有助於减小絕對壓力。替代地，對於未直接連接至所述聲音端口或聲音端口的一部分的容積，例如後容積，通氣部可響應於外部大氣中的高壓力而打開，使得在聲音端口中的壓力增大另一容積中的壓力的同時，後容積中的壓力增大。

圖12示出了根據本發明的一個實施方案的可變通氣部的另一實施例。圖12a示出了懸挂於基底105和背板104的膜101，如前面所描述。然而，在該實施方案中，在膜101中存在一個孔，所述孔在平衡位置通過柱塞區段1201基本閉合。柱塞區段1201被支撑，從而基本上被固定就位。換句話說，膜101相對於柱塞區段1201是可移動的，且所述柱塞區段相對於所述膜支撑結構(即，基底105、背板104和/或側壁結構)基本固定。 在圖12a所示的實施例中，所述柱塞區段通過一個或多個支撑結構1202在所述膜覆在基底105上面的區域中從基底101支撑，所述一個或多個支撑結構1202可以例如是支撑柱。所述支撑結構將所述柱塞區段保持就位。

在使用時，柱塞區段1201在平衡時基本上堵塞膜101中的孔，從而阻止空氣的顯著流動，如前面所描述。隨著所述膜偏轉遠離平衡位置，所述柱塞保持就位，從而逐漸地暴露穿過所述膜的孔，提供了一個增大的流動路徑，如前面所描述。

圖12b示出了所述膜朝下偏轉的情形(為清楚起見，省去了背板)。可以看到，所述膜已移動出所述柱塞的平面，從而打開穿過所述膜中的孔的流動路徑用於空氣的流動，如由箭頭所示出的。圖12c示出了膜被朝上偏轉的情形。流動路徑的尺寸或者聲導(或者聲學阻抗)將依賴於所述膜101的偏轉的程度，這轉而依賴於所述膜兩側的壓力差。因而，在低壓力時，隨著相對低的膜偏轉，將存在所述流動路徑的有限打開，從而通氣部的存在將不會顯著影響換能器的操作。在例如由高壓力事件造成的高壓力差時，其中存在顯著的膜偏轉，將存在所述通氣部的顯著打開，從而隨著所述膜的兩側的容積的壓力平衡，所述壓力差將快速降低，如前面所描述的。

所述通氣部打開所要求的偏轉的程度可通過控制柱塞區段1201的厚度而被部分地控制。如圖12中所示，柱塞區段可具有與膜層相同的厚度，這可易於製造，如將在下面所描述的。然而，在其他實施方案中，所述柱塞區段可比所述膜層更厚，使得所述膜必須被偏轉一個大的量以脫離柱塞區段，從而提供所述通氣部的顯著打開。

應理解，為了在膜朝下偏轉時空氣流動，支撑結構1202必須不堵塞所述膜101中的孔。這可通過確保支撑結構1202包括一個或多個柱或支柱來實現，所述柱或支柱具有小於所述柱塞區域的面積的橫截面面積(在平行於膜101的平面中)，從而允許空氣圍繞所述支撑柱流動。然而，附加地或者替代地，一個或多個孔可被設置為穿過支撑結構1202。例如，所述支撑結構可包括一個框架，所述框架具有一個或多個開口窗，以允許空氣流過所述支撑結構。

在圖12中所示的其中所述柱塞區段從基底105支撑的實施方案中，膜101和基底101之間的相對小的間隙可限制來自所述膜下方的容積的空氣流動的量。即使當通氣部大幅打開時，這也可限制所述通氣部的最大聲導。因而，在一些實施方案中，可存在從由基底105所限定的容積延伸至所述通氣部附近的一個或多個通道或孔口1204。

圖12a中所示的結構可使用標準的工藝技術附加少數幾個額外工藝步驟來製造。如所提及的，通常膜層101被沉積在一個合適形狀的犧牲材料層上，所述犧牲材料被已沉積在基底上。在一種布置中，所述支撑結構可在一個或多個沉積步驟中製造，之後將用於限定所述腔的犧牲材料沉積在所述膜層下方。在所述犧牲材料的頂部處可暴露所述支撑結構的頂部。替代地，所述犧牲材料可被沉積和被圖案化，以展現用於所述支撑結構的空間。之後，形成支撑結構的材料可被合適地沉積和蝕刻，使得當要求時，所述支撑結構延伸穿過所述犧牲材料。可通過在多個步驟中沉積支撑結構和犧牲材料來提供一個框架結構。

之後，適合用於所述膜的材料(例如，氮化矽)層可被沉積 在所述犧牲材料上以及所述支撑結構的頂部上。之後，一個通道可被蝕刻，以將所述膜層與所述柱塞區段分離。當隨後所述犧牲材料被移除時，所述膜將在所述側壁處被自由支撑從而是柔性的，且所述柱塞區段將被支撑，以大部分固定就位。作為所述背部蝕刻工藝的一部分，穿過所述基底的任何通道可被蝕刻。

應理解，所述膜層的基底側上的支撑結構1202的存在並不意味著，當所述膜被朝下偏轉時的所述流動路徑與當所述膜被朝上偏轉一個類似量時不一樣大。對於給定大的壓力差，這可導致所述通氣部的響應時間的略微不同，這依賴於哪一側上處於高壓力。

圖13示出了類似於圖12示出的一個替代實施方案，但是其中柱塞區段1301通過一個支撑結構1302從背板1302支撑。這種結構將以與參考圖12所描述的方式類似的方式操作，但是具有通氣部遠離基底105定位的優勢，從而不存在對來自基底下方的容積的流動的任何妨礙，所述通氣孔還可定位在較大膜偏轉的區域中，從而在高的膜偏轉時提供較大的流動路徑。

該結構可以與上面所描述的方式類似的方式製造，但是沉積所述膜層且蝕刻一個通道，從而將柱塞區段1301與膜層的其餘部分隔離，之後形成支撑結構1302。之後，支撑結構1302可以與上面所描述的方式類似的方式形成，從而提供延伸穿過用於限定所述上部腔的犧牲材料的支撑結構，之後沉積所述背板層的材料。

根據上面描述的實施方案中任一個的一個或多個換能器可被包括在一個封裝中。圖14a至圖14g示出了多種不同的封裝布置。圖14a 至圖14g中的每一個都示出了位於封裝中的一個換能器元件，但是應理解，在一些實施方案中，可以存在多於一個的換能器(例如，換能器陣列)，且多種換能器可被形成在相同的換能器基底(即，單塊換能器基底)上，或者可形成為具有單獨的換能器基底的單獨的換能器，其中每個單獨的換能器基底被接合至封裝基底。

圖14a示出了第一布置，其中換能器1400被定位在封裝基底1402上在蓋1401中，所述蓋1401形成殼體的至少一部分。在該實施例中，所述蓋可以是被接合至所述基底的金屬殼體。所述封裝基底可包括至少一個絕緣層。所述封裝基底還可包括至少一個導電層。所述封裝基底可以是半導體材料，或者可由諸如PCB、陶瓷等材料形成。當蓋1401是金屬的或者其自身包括一個導電層時，所述蓋可被電聯接至所述基底的導電層，例如使得所述殼體提供對於電磁干擾(EMI)的屏蔽。接合綫1403可將換能器連接至封裝基底上的接合墊。在一些實施方案中，讀出電路系統(例如，放大器電路系統)可位於殼體內，所述殼體形成在封裝基底中或者連接至封裝基底。穿過所述封裝基底的貫穿孔(未示出)可連接至觸點(即，焊料墊)1404，用於將外部電路系統(未示出)電連接至所述封裝，以允許電信號傳輸至換能器1400/來自換能器1400的電信號的傳輸。在圖14a所示的實施例中，在蓋1401中存在一個聲音端口或者聲學端口，以允許聲音進入所述封裝，且所述換能器被布置在一個頂部端口布置中。

圖14b示出了一個替代布置，其中所述聲音端口被設置在封裝基底1402中，且可在使用時被密封。環1405(可以是密封環或焊料墊環，在形成焊料環時使用)可被設置在所述封裝的外側上在聲音端口的周界周 圍，以允許在使用時，當封裝例如被連接至另一PCB時，密封通向聲音端口的聲音路徑。在該實施方案中，換能器被布置在一個底部端口布置中，其中由殼體1401所限定的容積形成換能器的後容積的一部分。

圖14c示出了一個實施例，其中代替將換能器連接至封裝基底的接合綫，所述換能器結構被倒置且經由連接部1406而被倒裝芯片(flip-chip)接合至封裝基底。在該實施例中，所述聲音端口在所述封裝基底中，使得所述封裝被布置在一個底部端口布置中。

圖14d示出了圖14b的實施例的一個替代實施例，其中殼體1407由多種材料面板(例如，PCB等)形成。在這種情形中，殼體1407可包括一個或多個導電層和/或一個或多個絕緣層。圖14d示出了封裝基底中的聲音端口。圖14e示出了圖14b的布置的一個替代布置，其中殼體1407由多種材料面板(例如，如關於圖14d所描述的PCB等)形成。圖14f示出了另一實施方案，其中所述換能器結構經由連接部1406被接合至所述殼體上層，所述殼體上層例如可以是PCB或分層的導電材料/絕緣材料。然而，在該實施例中，與所述封裝的電連接仍經由所述封裝基底上的觸點、焊料墊1404，例如封裝基底中的貫穿孔(未示出)，在所述殼體的內側上具有通向換能器的導電綫路(conductive trace)。圖14g示出了圖14c的實施例的一個替代實施例，其中換能器被倒裝芯片接合至殼體1407中的封裝基底，所述殼體1407由材料面板(例如，如關於圖14d所描述的PCB等)形成。

通常，如圖14h中所示，一個或多個換能器可位於一個封裝中，所述封裝接著可操作地互連至另一基底，例如一個母板，如本領域中已知的。

在所有實施方案中，可變通氣部可用作非綫性通氣部，所述非綫性通氣部是這樣一個通氣部，其流動路徑尺寸未被固定，且其中所述通氣部被打開的程度以及穿過所述通氣部的流動速率隨著壓力差以非綫性的方式改變，如上面所描述的。

因而，總體上本發明的實施方案涉及一種包括至少一個可變通氣部的MEMS換能器。因而，更具體地，本發明的實施方案涉及一種包括換能器結構的MEMS換能器，所述換能器結構包括一個被支撑在第一容積和第二容積之間的柔性膜和至少一個可變通氣部結構。該可變通氣部結構可具有至少一個可移動部，所述至少一個可移動部響應於所述可移動部兩側的高壓力差而可移動，從而提供一個用於排放流體的流動路徑，例如來自所述第一容積和第二容積中的至少一個的氣體。因而，該可變通氣部可包括一個孔口，其中所述孔口的開口尺寸隨著壓力差而改變。

已經在排放來自一個容積的空氣描述了所述實施方案。相同的原理適用於其他氣體以及事實上其他流體，可能地包括液體。在一些實施方案中，所述換能器可被布置在密封環境中，該密封環境填充有除空氣以外的流體，該密封環境被布置為允許壓力波傳輸至密封環境的外側/來自密封環境的外側的壓力波的傳輸。仍可存在於密封環境內所生成的大的壓力差，並且在所述環境中使用可變通氣部可能是有益的。

本發明的實施方案還涉及包括一個柔性膜和至少一個可變通氣部結構的MEMS換能器，所述至少一個可變通氣部在第一範圍的壓力差時基本上閉合，在第二較高範圍的壓力差時打開以减小所述膜兩側的壓力差。

本發明的實施方案還涉及這樣的MEMS換能器，所述MEMS換能器包括一個被支撑在第一容積和第二容積之間的柔性膜和一個連接所述第一容積和第二容積的通氣結構。所述通氣部提供具有隨著所述膜兩側的壓力差而改變的尺寸的流動路徑。

本發明的實施方案還涉及這樣的MEMS換能器，所述MEMS換能器包括一個被支撑在第一容積和第二容積之間的柔性膜和一個連接所述第一容積和第二容積的通氣部，其中所述通氣部被配置為使得穿過所述通氣部的流動速率相對於壓力差是非綫性的。

本發明的實施方案還涉及這樣的MEMS換能器，所述MEMS換能器具有一個被支撑在第一容積和第二容積之間的膜，其中所述第一容積和第二容積之間的聲學阻抗隨著所述容積之間的壓力差可變化。

儘管各種實施方案描述了一個MEMS電容式麥克風，但是本發明還適用於除麥克風以外的任何形式的MEMS換能器，例如壓力傳感器或超聲發射機/接收機。

本發明的實施方案可有利地使用一系列不同的半導體類型材料例如多晶矽來實施。然而，本文描述的實施方案涉及一種具有膜層的MEMS換能器，所述膜層包含氮化矽。

注意到，上面描述的實施方案可用在一系列設備中，包括但不限於：模擬麥克風、數字麥克風、壓力傳感器或超聲換能器。本發明還可用在多種應用中，包括但不限於消費品應用、醫療應用、工業應用和汽車應用。例如，典型的消費品包括便携式音頻播放器、膝上型計算機、移動電話、平板電腦、PDA和個人電腦。實施方案還可用在語音激活設備或 語音控制設備中。典型的醫療應用包括助聽器。典型的工業應用包括有源噪聲消除。典型的汽車應用包括免提套件、聲學碰撞傳感器(acoustic crash sensor)和有源噪聲消除。

應注意，上面提及的實施方案舉例說明而非限制本發明，在不背離隨附的申請專利範圍的前提下，本領域普通技術人員將能够設計許多替代實施方案。詞語“包括”不排除除了申請專利範圍中所列舉的元件或步驟以外的元件或步驟的存在，“一”或“一個”不排除多個，以及單個特徵或其他單元可實現申請專利範圍中所引用的多個單元的功能。申請專利範圍中的任何附圖標記應當不被解釋用於限制它們的範圍。

101‧‧‧膜層

103‧‧‧第二電極

401‧‧‧可變通氣結構

601‧‧‧換能器結構

Claims (67)

1. 一種MEMS換能器，包括：一個柔性膜；以及至少一個可變通氣部結構，其中所述可變通氣部結構提供一個流動路徑，該流動路徑具有隨著所述膜兩側的壓力差而變化的尺寸；其中所述可變通氣部結構包括至少一個可移動部，所述至少一個可移動部響應於所述可移動部兩側的壓力差而可移動，從而改變穿過所述通氣部結構的流動路徑的尺寸；及其中至少一個所述可變通氣部結構被形成在所述柔性膜中，並且所述流動路徑是一個穿過所述柔性膜的路徑。
2. 如申請專利範圍第1項所述的MEMS換能器，其中所述至少一個可移動部的平衡位置相應於流動路徑的最小尺寸。
3. 如申請專利範圍第2項所述的MEMS換能器，其中所述至少一個可移動部的所述平衡位置相應於所述流動路徑被基本上閉合。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的MEMS換能器，其中所述柔性膜被支撑在第一容積和第二容積之間，以及其中所述至少一個可變通氣部結構的所述流動路徑在所述第一容積和第二容積之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述的MEMS換能器，其中所述至少一個可移動部是可移動的，以暴露所述柔性膜中的一個孔。
6. 如申請專利範圍第5項所述的MEMS換能器，其中所述至少一個可移動部包括所述柔性膜的一部分，該部分能够被偏轉遠離所述柔性膜的其餘部分的表面。
7. 如申請專利範圍第6項所述的MEMS換能器，其中所述柔性膜的所述至少一個可移動部由貫穿所述柔性膜的一個或多個通道限定。
8. 如申請專利範圍第6或7項所述的MEMS換能器，其中所述至少一個可移動部是下列形狀中的一個：大體三角形形狀、大體圓形形狀或大體長方形形狀。
9. 如申請專利範圍第6或7項所述的MEMS換能器，其中所述柔性膜的所述可移動部經由一個梁結構被連接至所述柔性膜的其餘部分。
10. 如申請專利範圍第9項所述的MEMS換能器，其中所述梁結構能够扭曲，以允許所述柔性膜的所述可移動部被偏轉遠離所述柔性膜的其餘部分的表面。
11. 如申請專利範圍第9項所述的MEMS換能器，其中所述梁結構具有一個非直綫性路徑。
12. 如申請專利範圍第11項所述的MEMS換能器，其中所述梁結構的至少一部分具有一個蛇狀路徑。
13. 如申請專利範圍第9項所述的MEMS換能器，其中所述梁結構包括所述梁的平面內的一個或多個彎曲部。
14. 如申請專利範圍第13項所述的MEMS換能器，其中所述梁結構包括多個基本上成直角的彎曲部。
15. 如申請專利範圍第9項所述的MEMS換能器，其中所述梁結構包括至少一個扭轉彈簧，所述至少一個扭轉彈簧位於所述柔性膜的所述可移動部和其餘部分之間。
16. 如申請專利範圍第9項所述的MEMS換能器，其中所述梁結構能 够彎曲，以允許所述可移動部被偏轉遠離所述柔性膜的其餘部分的表面。
17. 如申請專利範圍第11項所述的MEMS換能器，其中所述梁結構包括一個葉片彈簧。
18. 如申請專利範圍第16或17項所述的MEMS換能器，其中所述梁結構具有一個蛇狀路徑。
19. 如申請專利範圍第16或17項所述的MEMS換能器，其中所述梁結構被配置為使得所述柔性膜的所述可移動部在基本上垂直於所述柔性膜的方向上可偏轉遠離所述柔性膜的其餘部分的表面。
20. 如申請專利範圍第6或7項所述的MEMS換能器，其中所述可移動部經由一個彈簧結構被連接至所述柔性膜的其餘部分。
21. 如申請專利範圍第20項所述的MEMS換能器，其中所述彈簧結構能够扭曲，以允許所述柔性膜的所述可移動部被偏轉遠離所述柔性膜的其餘部分的表面。
22. 如申請專利範圍第6項所述的MEMS換能器，其中至少一個所述可變通氣部結構包括所述柔性膜的至少兩個可移動部，所述至少兩個可移動部能够被偏轉遠離所述柔性膜的其餘部分的表面，以暴露所述柔性膜中的一個孔。
23. 如申請專利範圍第5項所述的MEMS換能器，其中所述至少一個可移動部包括所述柔性膜的、在所述膜中具有所述孔的一部分，所述柔性膜相對於一個固定的柱塞部可移動。
24. 如申請專利範圍第23項所述的MEMS換能器，其中所述固定的柱塞部在其平衡位置位於所述柔性膜的平面中。
25. 如申請專利範圍第23或24項所述的MEMS換能器，其中所述柱塞部相對於一個換能器結構被支撑，所述換能器結構包括一個基底和一個背板，其中所述換能器結構相對於所述基底和所述背板支撑所述柔性膜。
26. 如申請專利範圍第25項所述的MEMS換能器，其中所述柱塞部從所述基底被支撑。
27. 如申請專利範圍第26項所述的MEMS換能器，其中所述基底在支撑所述柱塞區段的附近具有一個穿過所述基底的通道。
28. 如申請專利範圍第25項所述的MEMS換能器，其中所述柱塞部從所述背板被支撑。
29. 如申請專利範圍第23或24項所述的MEMS換能器，其中所述柱塞部由與所述柔性膜的材料相同的材料形成。
30. 如申請專利範圍第23或24項所述的MEMS換能器，其中所述柱塞部比所述柔性膜更厚。
31. 如申請專利範圍第4項所述的MEMS換能器，其中至少一個所述可變通氣部結構形成有繞開所述柔性膜的一個流動路徑。
32. 如申請專利範圍第31項所述的MEMS換能器，其中繞開所述柔性膜的所述流動路徑貫穿換能器結構的一個側壁的至少一部分，所述換能器結構的所述側壁支撑所述柔性膜。
33. 如申請專利範圍第4項所述的MEMS換能器，包括至少一個所述可變通氣部結構，所述可變通氣部結構具有從所述第一容積和/或第二容積中的一個至所述第一容積和/或第二容積外側的流動路徑。
34. 如申請專利範圍第5項所述的MEMS換能器，其中至少一個所述 可變通氣部結構被配置為使得，在低於第一閾值的壓力差時，所述至少一個可移動部未被完全偏轉離開柔性膜的其餘部分的表面。
35. 如申請專利範圍第34項所述的MEMS換能器，其中所述至少一個可移動部被配置為使得，在低於第一閾值的壓力差時，基本上不存在所述可移動部從平衡位置的移動。
36. 如申請專利範圍第34或35項所述的MEMS換能器，其中所述第一閾值大於150Pa。
37. 如申請專利範圍第36項所述的MEMS換能器，其中所述第一閾值大於1kPa。
38. 如申請專利範圍第1項所述的MEMS換能器，其中對於範圍為0Pa-200Pa的壓力差，至少一個所述可變通氣部結構基本上不提供流動路徑尺寸的顯著變化。
39. 如申請專利範圍第1或38項所述的MEMS換能器，其中至少一個所述可變通氣部結構提供與所述柔性膜兩側的壓力差為非綫性關係的、穿過所述通氣部的流動路徑的尺寸。
40. 如申請專利範圍第1或37項所述的MEMS換能器，其中所述至少一個可移動部被配置為使得，在壓力差大於第二閾值時，存在所述可移動部從平衡位置的顯著移動。
41. 如申請專利範圍第40項所述的MEMS換能器，其中所述第二閾值低於100kPa。
42. 如申請專利範圍第41項所述的MEMS換能器，其中對於範圍為100kPa-200kPa的壓力差，與平衡時所述流動路徑的尺寸相比，至少一個所述 可變通氣部結構提供流動路徑尺寸的顯著增大。
43. 如申請專利範圍第42項所述的MEMS換能器，其中至少一個所述可變通氣部結構包括至少一個可移動部，所述至少一個可移動部響應於所述可移動部兩側的至少100kPa的壓力差而可移動。
44. 如申請專利範圍第1項所述的MEMS換能器，包括一個背板結構，其中所述柔性膜相對於所述背板結構被支撑。
45. 如申請專利範圍第44項所述的MEMS換能器，其中所述背板結構包括穿過所述背板結構的多個孔。
46. 如申請專利範圍第45項所述的MEMS換能器，其中至少一個所述可變通氣部結構被形成在所述柔性膜中，且其中穿過所述背板結構的多個孔中的至少一個在相應於所述柔性膜中的可變通氣部結構的位置的一個位置中包括一個通氣孔。
47. 如申請專利範圍第46項所述的MEMS換能器，其中對於至少一個通氣孔，所述背板中的所述通氣孔的區域在所述柔性膜中的所述可變通氣部結構首先打開的位置處，橫向遠離所述柔性膜中的至少一個所述可變通氣部結構的打開區域而延伸。
48. 如申請專利範圍第45至47項中任一項所述的MEMS換能器，其中：至少一個所述可變通氣部結構被形成在所述柔性膜中，並且包括一個可移動部，所述可移動部經由一個梁結構被連接至所述膜的其餘部分；所述可移動部和梁結構由貫穿所述柔性膜的通道限定；以及所述柔性膜中的所述通道的位置基本上不與所述背板結構中的所述多個孔中的任何一個的位置交叠，在使用時，所述柔性膜的所述通道不形成 穿過所述柔性膜的所述可變流動路徑的一部分。
49. 如申請專利範圍第1項所述的MEMS換能器，其中所述換能器包括電容式傳感器。
50. 如申請專利範圍第1項所述的MEMS換能器，其中所述換能器包括一個麥克風。
51. 如申請專利範圍第49或50項所述的MEMS換能器，還包括讀出電路系統。
52. 如申請專利範圍第1項所述的MEMS換能器，其中所述換能器位於一個封裝內，所述封裝具有一個聲音端口。
53. 一種電子設備，其包括如申請專利範圍第1至52項中任一項所述的MEMS換能器。
54. 如申請專利範圍第53項所述的電子設備，其中所述設備是下列中的至少一個：便携式設備；由電池供電的設備；音頻設備；計算設備；通信設備；個人媒體播放器；移動電話；游戲設備；以及，語音控制設備。
55. 一種製造MEMS換能器的方法，所述MEMS換能器具有一個柔性膜，所述方法包括：形成一個具有柔性膜的結構，所述柔性膜被支撑在第一容積和第二容積之間；以及形成至少一個可變通氣部結構，所述至少一個可變通氣部結構與所述第一容積和第二容積中的至少一個連通；所述至少一個可變通氣部結構包括至少一個可移動部，所述至少一個可移動部響應於所述可移動部兩側的壓力差而可移動，從而改變穿過所述 可變通氣部結構的流動路徑的尺寸；其中至少一個所述可變通氣部結構被形成在所述柔性膜中，並且所述流動路徑是一個穿過所述柔性膜的路徑。
56. 如申請專利範圍第55項所述的方法，包括形成一個膜層，以形成所述柔性膜的至少一部分，以及在所述膜層中形成至少一個所述可變通氣部結構。
57. 如申請專利範圍第56項所述的方法，其中形成所述可變通氣部結構包括形成穿過所述膜層的一個或多個通道，使得所述柔性膜的一部分能響應於一個壓力差而被偏轉遠離所述柔性膜的其餘部分的表面。
58. 一種MEMS換能器，包括：一個換能器結構，該換能器結構包括一個柔性膜，所述柔性膜被支撑在第一容積和第二容積之間；其中所述換能器結構包括至少一個可變通氣部結構；所述可變通氣部結構包括至少一個可移動部，所述至少一個可移動部響應於所述可移動部兩側的高壓力差而可移動，從而提供一個流動路徑，用於排放來自所述第一容積和第二容積中的至少一個的氣體；及其中至少一個所述可變通氣部結構被形成在所述柔性膜中，並且所述流動路徑是一個穿過所述柔性膜的路徑。
59. 一種MEMS換能器，包括：一個柔性膜；以及至少一個可變通氣部結構，在第一範圍的壓力差時，所述至少一個可變通氣部結構基本上被閉合，在第二更高範圍的壓力差時，所述至少一個 可變通氣部結構打開，以减小所述膜兩側的壓力差；其中所述可變通氣部結構包括至少一個可移動部，所述至少一個可移動部響應於所述可移動部兩側的壓力差而可移動，從而改變穿過所述通氣部結構的流動路徑的尺寸；及其中至少一個所述可變通氣部結構被形成在所述柔性膜中，並且所述流動路徑是一個穿過所述柔性膜的路徑。
60. 一種MEMS換能器，包括：一個柔性膜，其被支撑在第一容積和第二容積之間；一個通氣部結構，其連接所述第一容積和第二容積；其中所述通氣部提供了一個流動路徑，所述流動路徑具有隨所述膜兩側的壓力差而改變的尺寸；其中所述通氣部結構包括至少一個可移動部，所述至少一個可移動部響應於所述可移動部兩側的壓力差而可移動，從而改變穿過所述通氣部結構的流動路徑的尺寸；及其中所述通氣部結構被形成在所述柔性膜中，並且所述流動路徑是一個穿過所述柔性膜的路徑。
61. 一種MEMS換能器，包括：一個柔性膜，其被支撑在第一容積和第二容積之間；以及一個通氣部，其連接所述第一容積和第二容積，其中所述通氣部被配置為使得穿過所述通氣部的流動速率相對於壓力差是非綫性的；其中所述通氣部包括至少一個可移動部，所述至少一個可移動部響應於所述可移動部兩側的壓力差而可移動，從而改變穿過所述通氣部的流動 路徑的尺寸；及其中至少一個所述通氣部被形成在所述柔性膜中，並且所述流動路徑是一個穿過所述柔性膜的路徑。
62. 一種MEMS換能器，包括：一個換能器結構，包括一個柔性膜，所述柔性膜被支撑在第一容積和第二容積之間；其中所述換能器結構包括至少一個可變通氣部結構，用於改變所述第一容積和第二容積之間的流動路徑的尺寸；所述可變通氣部結構包括至少一個可移動部，所述至少一個可移動部相對於一個表面可移動，其中所述可移動部通過至少一個扭轉彈簧被連接至所述表面的其餘部分。
63. 如申請專利範圍第62項所述的MEMS換能器，其中所述可變通氣部被形成在所述柔性膜中。
64. 一種MEMS換能器，包括：一個換能器結構，其包括一個柔性膜，所述膜被支撑在第一容積和第二容積之間；其中所述換能器結構包括至少一個可變通氣部結構，所述至少一個可變通氣部結構與所述第一容積和第二容積中的至少一個連通；所述可變通氣部結構包括至少一個可移動部，所述至少一個可移動部響應於所述可移動部兩側的壓力差而可移動，從而改變穿過所述通氣部結構的流動路徑的尺寸；及其中至少一個所述可變通氣部結構被形成在所述柔性膜中，並且所述 流動路徑是一個穿過所述柔性膜的路徑。
65. 一種MEMS換能器，其包括至少一個可變通氣部；其中所述可變通氣部包括至少一個可移動部，所述至少一個可移動部響應於所述可移動部兩側的壓力差而可移動，從而改變穿過所述可變通氣部的流動路徑的尺寸；及其中至少一個所述可變通氣部被形成在一柔性膜中，並且所述流動路徑是一個穿過所述柔性膜的路徑。
66. 如申請專利範圍第65項所述的MEMS換能器，其中所述換能器是一個電容式麥克風。
67. 如申請專利範圍第65或66項所述的MEMS換能器，其中所述柔性膜包括所述至少一個可變通氣部。