本公开内容的实施例涉及微机电系统（MEMS）麦克风以及它们的构造方法。特别地，本公开内容的实施例涉及MEMS麦克风的膜的构造以及支撑所述膜的超程停止件（overtravel stop）。
背景技术：
电容性MEMS麦克风利用压敏膜来测量声音压力级。该膜必须具有足够的机械强度以便在不被损坏的情况下承受各种声压。除了机械强度之外，该膜必须对感测小的声压敏感。灵敏度、固有频率和响应特性受到膜的构造和形状以及膜至MEMS麦克风模（microphone die）的安装的影响。因此，MEMS麦克风的性能至少部分归因于膜结构以及膜的安装配置。
技术实现要素：
一些实施例提供一种包括膜的MEMS麦克风，其具有对该膜的刚度进行确定的特征。一个特定实施例提供一种MEMS麦克风，其包括至少一个弹簧，其具有第一端部和第二端部。该弹簧的第一端部连接至膜。该MEMS麦克风还包括背板以及连接至该膜的中心区域的支撑件。该支撑件也连接至背板。该支撑件定位于该膜和背板之间。
另一实施例提供一种限制MEMS麦克风的膜的移动的方法。该MEMS麦克风包括背板、超程停止件和弹簧。该方法包括：将弹簧的第一端部耦合至该膜以及经由支撑件将该膜的中心区域耦合至背板的中心区域。通过该膜中的孔径来定位超程停止件。
通过考虑详细描述和附图，本公开内容的实施例的其他方面将变得显而易见。
附图说明
图1A至1C是根据本公开内容的各个实施例的具有中心支撑的膜的MEMS麦克风的横截面视图。
图2A和2B是图1A的MEMS麦克风的部分顶视图。
图3是根据另一实施例的MEMS麦克风的横截面视图。
图4A是根据还有的另一实施例的MEMS麦克风的横截面视图。
图4B至图4D是具有各种类型的结构的图4A的MEMS麦克风的透视图。
图5是根据还有的另一实施例的MEMS麦克风的横截面视图。
图6是根据本公开内容的一个实施例的具有超程停止件的MEMS麦克风的横截面视图。
图7是根据本公开内容的还有的另一实施例的MEMS麦克风的横截面视图。
具体实施方式
在详细解释本公开内容的任何实施例之前，要理解本公开内容并不将其应用限制于下面的描述中所阐述的或在下面的绘图中所图示的部件的构造和布置的细节。本公开内容能够用于其他实施例并且能够以各种方式来实施或执行本公开内容。
典型的MEMS麦克风利用以一个或多个弹簧连接至MEMS麦克风的外壳或刚性构件的柔性构件来感测声压。在一个示例中，该柔性构件可以是膜，诸如膜片，并且刚性构件可以是背板。在另一实施例中，该柔性构件可以是背板而刚性构件则可以是膜。在所图示的示例中，该柔性构件是膜并且该刚性构件是背板。利用相对于背板的电压差来对该膜加偏压。当该膜因为声压偏斜时，该膜与背板之间的距离与声压的量级成正比地改变。随着距离波动，该膜和背板之间的电容的量与距离中的变化成正比地改变。跨该膜和背板上的电容的量设置与电容中的变化成比例改变的电势。前置放大器生成如下电信号，其指示在膜上感应的电势和声压的量和变化。
图1A图示根据一个实施例的MEMS麦克风101的横截面视图。该MEMS麦克风101包括膜103、背板105和支撑构件107。该背板105包括穿孔109（例如声孔/通气孔），其允许声波通过背板105。该声波撞击在膜103上并且引起膜103关于背板105的偏斜。该背板105和膜103可以是平坦的、圆形的和/或定位于平行层中。该背板105和膜103在膜103和背板105的径向方向上以预先确定的距离间隔开。该支撑构件107在背板105和膜103之间设置预先确定的间隔距离。该背板105可以被制造为由多晶硅形成的单个层。在一些实施例中，该背板105可以被制造为多个层。在一个实施例中，材料可以是通过各种类型的沉积而沉积在氮化硅或多晶硅上的金材料。依据应用而定，用于形成单层或多层背板的其他类型的材料是可能的。该膜103可以由诸如多晶硅、硅等等之类的材料来制造。依据应用而定，用于形成膜103的其他类型的材料是可能的。
在一些实施例中，在衬底中形成支撑构件107并且该支撑构件将膜103的内部区域111直接或间接耦合至背板105。因而，该膜103机械连接至支撑构件107，并且支撑构件107机械连接至背板105。如所示的，经由支撑构件107耦合至背板105的膜103被自由地悬挂在背板105下面。该支撑构件107可以是非导电的和/或由金属氧化物形成，并且可以在背板105和膜103之间提供电隔离。该支撑构件107可以被定位于背板105和/或膜103的近似中心113附近。例如，该支撑构件107可以位于在膜103的内部区域111处定位的近似地理中心处。该膜103的近似中心113通过支撑构件107相对于背板105固定定位。尽管在本文中图示了一个支撑构件107，但是可以将多于一个支撑构件纳入MEMS麦克风101中以便将背板和膜间隔开。
如在图1B中图示的，并排安置的多个支撑构件107将膜103的内部区域111直接或间接耦合至背板105。在一些实施例中，该支撑构件107具有相等的高度和宽度。在其他实施例中，在不牺牲MEMS麦克风101的性能的情况下，该支撑构件107中的一个可以具有比其他支撑构件107中的另一个的宽度更大或更小的宽度。依据应用而定，可以在膜103和背板105之间提供多于两个支撑构件107。如在图1C中图示的，该MEMS麦克风101还包括用于将膜103耦合至背板105的多个支撑构件107。如所描绘地，该支撑构件107处于与如图1B中图示的并排配置中的支撑构件不同的堆叠配置。不同于前面的图，不管如图1A中图示的单个支撑构件107还是如在图1B中图示的并排支撑构件107，支撑构件107都耦合至背板105和膜103二者。如在图1C中图示的，顶部支撑构件107a耦合至背板105，而底部支撑构件107b耦合至膜103。该顶部支撑构件107a和底部支撑构件107b通过各种紧固技术彼此连接。在一个示例中，该支撑构件107a、107b可以由相同材料形成。在另一示例中，该支撑构件107a、107b可以由不同材料形成。在还有的另一示例中，该支撑构件107a、107b和背板105可以由相同材料形成。可选的绝缘层构件可以形成在支撑构件107a、107b之间以隔离膜103和背板105。依据特定应用，图1A-1C中的支撑构件107可以以各种各样的几何、大小和形状的形式。
图2A和2B是图1A的膜103的顶视图。在这些图中，为了图示的目的已经移除了背板105。图2A是膜103的全顶视图。图2B是膜103的一部分的特写视图。该膜103包括弹簧215。该弹簧215由与膜103相同的结构的一部分形成。在膜103和弹簧215之间形成分离217（例如切口）。可以通过沿着膜103的一部分的外围切开、由此从膜103将弹簧215的至少一部分去耦来形成分离217。该弹簧215仍在第一端部219处连接至膜。在第二端部221处，该弹簧215连接至背板105或MEMS麦克风101的外壳的一部分。该弹簧215提供用来在膜103上生成偏压的电路径。在一些实施例中，该MEMS麦克风101仅包含单个弹簧215。在此类实施例中，该弹簧215提供至膜103的单个电连接点。在一些实施例中，如在所图示的实施例中，该弹簧215是长且窄的。在其他示例中，依据特定应用，该弹簧215可以是短且宽的。长且窄的弹簧215具有低刚度因子，其对膜103的整体刚度具有减小的影响或影响不大。因此，在此类实施例中，该弹簧215对膜103的机械性能和特性的影响很小。此外，该弹簧215对MEMS麦克风101对声压的响应性的影响很小。
该膜103的特性（诸如形状、大小和材料）可能改变膜103对入射声波的响应。照此，这些特性还确定MEMS麦克风101的刚度、固有频率和振型。当膜103接收入射声压时，该膜基于膜103的刚度围绕支撑构件107弯曲。由于膜103不受其外围的支撑，所以外围处的机械连接(例如弹簧)对MEMS麦克风101的性能没有可察觉的影响。相反地，当将膜103固定在中心处时，可以通过将变化引入膜103的设计和结构中来调整该膜103的特性。由图3-5中示出的实施例来图示由这些变化产生的变型。
图3是根据另一实施例的MEMS麦克风301的横截面视图。该MEMS麦克风301包括膜303、背板305和支撑构件307。该支撑构件307形成在衬底中并且将膜303的内部区域311直接或间接耦合至背板305。该支撑构件307可以在膜303的近似中心313处固定至膜303。该MEMS麦克风301还包括背板305中的穿孔309，其允许声波通过背板305。在该实施例中，该膜303具有膜303的预先确定的应力梯度与曲率。在其他方面中，该MEMS麦克风301与MEMS麦克风101相同。经由支撑构件307耦合至背板305的膜303被自由悬挂在背板305下面。在制造时设置预先确定的应力梯度以实现膜303的期望曲率。基于应力梯度和曲率，该膜303的刚度会随着应力梯度的增加而以某一因子增加。该膜303被制造成展示和保持根据设计规范的预先确定的应力梯度。在一个实施例中，如图3中描绘的，可以朝向背板305的外围310诱导由应力梯度引起的曲率。备选地，可以远离背板305的外围310诱导该曲率。应力梯度被预先确定以使得还为MEMS麦克风301预先确定期望刚度、固有频率和振型。尽管仅图示了一个支撑构件307，但是理解为，可以使用如先前的图中图示的处于堆叠配置、并排配置等等的多个支撑构件。
图4A是根据还有的另一实施例的MEMS麦克风401的横截面视图。该MEMS麦克风401包括膜403、背板405和支撑构件407。该支撑构件407形成在衬底中并且将膜403的内部区域411直接或间接耦合至背板405。该支撑构件407可以在膜403的近似中心413处固定至膜403。如在先前描述的实施例，该MEMS麦克风401还包括在背板405中的穿孔409。在该实施例中，该膜403包括粘附至膜403的结构412。在其他方面，该MEMS麦克风401与MEMS麦克风101和301相同。该膜403被制造成使得结构412被合并纳入在膜403自身中、在膜403顶部上、或者在膜403底部上。该结构412可以采用各种各样的形式。如在图4B中图示的，结构412可以以圆梁（circle beam）的形式。尽管仅图示一个圆梁，但是可以将多于一个圆梁纳入到MEMS麦克风401中。 例如，可以在结构412内提供可选的内部圆梁。在另一示例中，可选的外部圆梁可以包围结构412。在还有的另一实施例中，可以在结构412内或围绕结构412的外部区域、或其组合来形成多个圆梁。如在图4C中图示的结构412与先前实施例的不同。在图4C中，该结构处于径向梁或辐条的形式。图4D中图示的实施例中的结构412可以包括粘附至膜403的多个点（spot）。所述点可以具有各种大小、形状和几何形状。例如，该结构412可以是肋状物、圆梁、点、辐条或这些形式的一些组合。该结构412可以与膜403同时形成，以使得该结构412形成与膜403的单个相连表面。该膜403具有基于结构412的类型和形式的预先确定的响应特性。例如，该MEMS麦克风401具有至少部分基于结构412确定的其刚度、固有频率和振型。确定结构412的大小和形状以使得实现MEMS麦克风401的期望响应特性。尽管在图4A中仅图示了一个支撑构件407，但是要理解可以将如先前的图中图示的处于堆叠配置、并排配置等等的多个支撑构件纳入到MEMS麦克风401中。
图5是根据还有的另一实施例的MEMS麦克风501的横截面视图。该MEMS麦克风501包括膜503、背板505和支撑构件507。该支撑构件507形成在衬底中并且将膜503的中心区域511直接或间接耦合至背板505。该支撑构件507可以在膜503的近似中心513处固定至膜503。如在先前描述的实施例，该MEMS麦克风501还包括在背板505中的穿孔509。在该实施例中，该膜503包括膜503上的折皱515。该折皱515包括安置在膜503的内部、顶部或底部上的一个或多个沟槽或脊。该折皱515可以包括单个沟槽或脊或者可以包括沿着膜503在径向延伸的多个沟槽或脊。该折皱515可以采用不同形式的大小和几何结构。可以部分基于折皱515的类型和大小来调谐MEMS麦克风501的响应特性。该膜503具有至少部分由折皱515的类型和大小确定的其刚度、固有频率和振型。尽管仅图示了一个支撑构件507，但是理解为，可以将如先前的图中图示的处于堆叠配置、并排配置等等的多个支撑构件107纳入到MEMS麦克风501中。
图6是根据还有的另一实施例的MEMS麦克风601的横截面视图。该MEMS麦克风601包括膜603（用于膜的支撑件没有被示出）和背板605。如在先前的实施例中那样，该MEMS麦克风601包括背板605中的穿孔609。在该实施例中，该MEMS麦克风601包括超程停止件617。该超程停止件617结合其他实施例中的任一个或所有实施例来使用。照此，该实施例提供了用于加固如在其他实施例中描述的膜103、303、403、503的配置，以防止至少在与背板605相对的轴向方向上的过度行进。在一些实施例中，该背板605自身提供朝向背板605的超程停止件。
该超程停止件617通过膜603的孔径619。该超程停止件617关于MEMS麦克风601位置上固定。在一些实施例中，该超程停止件617和背板605由单个结构（例如衬底）形成。该超程停止件617包括粘附至背板605的第一端部621和安置在膜603的与背板605相对侧上的第二端部623。尽管没有被图示，但是在一些实施例中，该第二端部623固定至MEMS麦克风601的与膜603不同的一部分。在另一实施例中，该第一端部621是类似于在其他实施例中图示的支撑构件107、307、407、507的支撑构件。在另一实施例中，该超程停止件617仅包括经由可选连接构件625在离膜603一定距离处延伸的第二端部623。在还有的另一实施例中，在没有连接构件625的情况下，该超程停止件617仅包括直接悬挂在膜603下面的第二端部623。该第二端部623的至少一部分大于孔径619。该第二端部623防止膜603在背板605的相反方向上移动超出超程停止件617的位置。该膜603关于超程停止件617自由移动直到膜603达到最大偏斜（即行进的最远点）为止。在最大偏斜处，该超程停止件617的第二端部623接触膜603并且防止进一步移动。
该超程停止件617可以是非导电的和/或由金属氧化物形成，并且可以在背板605和膜603之间提供电隔离。依据特定应用，可以使用其他类型的材料来形成超程停止件617。该超程停止件617可以被安置在沿着膜603的各个分立位置中。例如，该超程停止件617可以邻近膜603的支撑构件安置。在一些实施例中，可以使用多个超程停止件617。该超程停止件617以各种配置安置在支撑构件107、307、407和507周围，诸如使多个超程停止件617以离支撑构件107、307、407和507近似相等的径向距离来安置。在这种情况下，该超程停止件617还可以被安置成诸如在支撑构件107、307、407和507的相对侧上彼此相距相等的距离。超程停止件617还被安置成以近似相等的间距围绕膜103、303、403、503和603的外围周围，并且在超程停止件617的每一个之间具有近似相等的距离。
基于声压，该膜103、303、403、503和603在轴向方向上（例如施加声压的方向上）经历不同量级的加速度。如果声压足够大，则加速度可以超过一个或多个弹簧215的恢复性力和通过膜103、303、403、503和603的刚性提供的阻力。因为弹簧215的恢复性力可以最小，所以该超程停止件617为膜103提供附加支撑。在此类情况下，该超程停止件617防止超程并且因此防止对膜103、303、403、503和603的潜在损坏。因此，该超程停止件617帮助保护膜103、303、403、503和603免受MEMS麦克风101的加速度中的大变化的影响，如可能例如作为碰撞、严重振动和大压力波的结果而发生的。
图7图示根据一个实施例的MEMS麦克风701。该MEMS麦克风701在构造上类似于图1的MEMS麦克风101。与图1的麦克风101相比，膜703包括位于膜703和/或背板705的近似中心713附近的支撑构件707。该支撑构件707被作为单个结构集成到膜703中。可选结构（诸如图4A-4D中描述的那些结构）可以耦合至膜703并悬挂在其下面。可以根据特定应用来修改支撑构件707的高度和宽度。
具有中心支撑的膜的MEMS麦克风101、301、401、501、601、701允许径向扩展或收缩以释放残余应力，并且由此顺应增强的灵敏度。
因此，除了别的事情以外，本公开内容的实施例提供一种具有中心支撑的膜以及一个或多个超程停止件的MEMS麦克风。该膜包括帮助确定膜的响应特性以及因此确定MEMS麦克风的响应特性的各个特征。该超程停止件约束膜的移动以防止超程并且为中心安装的膜提供支撑。在下面的权利要求中阐述本公开内容的各个特征和优点。