控制具有电容式和压电电极的MEMS麦克风的机械属性的制作方法

本公开的实施例涉及具有电容式和压电电极两者的微机电系统（mems）麦克风。更特别地，本公开涉及使用压电构件来控制电容式mems麦克风的机械属性。

技术实现要素：

在电容式传感器上应用压电涂层运用压电涂层的机械到电气的互易性，使得其可以用于控制结构的机械属性。

因此，一个实施例提供一种包括mems麦克风和电子控制器的麦克风系统。mems麦克风包括可移动膜和背板。可移动膜包括电容式电极和压电电极。电容式电极被配置使得作用在可移动膜上的声压引起电容式电极的移动。压电电极基于控制信号而更改mems麦克风的机械属性。背板定位在可移动膜的第一侧上。电子控制器电气地耦合到压电电极并被配置为生成控制信号。

另一个实施例提供一种包括mems麦克风和电子控制器的麦克风系统。mems麦克风包括电容式电极、压电电极和背板。电容式电极被配置使得作用在电容式电极上的声压引起电容式电极的移动。压电电极基于控制信号而更改mems麦克风的机械属性。背板定位在电容式电极的第一侧上。电子控制器电气地耦合到压电电极并被配置为生成控制信号。

通过考虑详细描述和附图，本公开的其他方面将变得清楚。

附图说明

图1是根据一些实施例的mems麦克风的横截面视图，所述mems麦克风具有与背板相反定位的可移动膜的压电电极。

图2是根据一些实施例的具有图1的mems麦克风的麦克风系统的框图。

图3是根据一些实施例的mems麦克风的横截面视图，所述mems麦克风具有邻近于背板定位的可移动膜的压电电极。

图4是根据一些实施例的具有两个压电电极的mems麦克风的横截面视图，所述两个压电电极定位在可移动膜的相反侧上。

图5是根据一些实施例的具有图4的mems麦克风的麦克风系统的框图。

图6是根据一些实施例的具有两个压电电极的mems麦克风的横截面视图，所述两个压电电极定位在可移动膜的相同侧上。

具体实施方式

在详细解释本公开的任何实施例之前，要理解，本公开在其应用方面不限于以下描述中阐述的或所附附图中图示的组件的构造和布置的细节。本公开能够具有其他实施例并且能够以各种方式被实践或被施行。

而且，要理解，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的，并且不应当被视为限制性的。本文中“包括”、“包含”或“具有”以及它们的变型的使用意指涵盖其后列出的项目和项目的等同物以及附加项目。术语“安装的”、“连接的”和“耦合的”广泛使用，并涵盖直接和间接安装、连接和耦合。此外，“连接的”和“耦合的”不局限于物理或机械连接或耦合，并且可以包括电气连接或耦合，无论是直接或是间接的。而且，可以使用包括直接连接、无线连接等的其他已知手段来执行电子通信和通知。

还应当指出，可以利用多个基于硬件和软件的设备以及多个不同结构组件来实现本公开。此外，并且如在后续段落中所描述的，附图中图示的具体配置意图例示本公开的实施例。可替换配置是可能的。

图1图示了mems麦克风100的示例性实施例。图1中图示的mems麦克风100包括具有第一侧110和相反的第二侧115的可移动膜105、背板120和支撑结构125。可移动膜105包括压电电极130和电容式电极135。背板120是固定的构件。在一些实施例中，背板120定位在可移动膜105的第一侧110上，如图1中图示的。在其他实施例中，背板120定位在可移动膜105的第二侧115上。可移动膜105和背板120耦合到支撑结构125。

在一些实施例中，使电容式电极135保持在参考电压并且将偏置电压应用到背板120，以在背板120和电容式电极135之间生成电气感测场140。在其他实施例中，使背板120保持在参考电压并且将偏置电压应用到电容式电极135，以生成电气感测场140。在一些实施例中，参考电压是接地参考电压（即，大约0伏特）。在其他实施例中，参考电压是非零电压。电气感测场140在图1中被图示为多条对角线。电容式电极135在箭头145和150方向上的偏转调制背板120和电容式电极135之间的电气感测场140。背板120和电容式电极135之间的电压差基于电气感测场140而变化。

作用在可移动膜105的第一侧110和第二侧115上的声（和环境）压引起电容式电极135在箭头145和150方向上的移动（例如，偏转）。因此，背板120和电容式电极135之间的电压差部分地基于作用在可移动膜105上的声压而变化。

压电电极130是使用压电效应通过将压力或力的改变转换成电荷来测量压力或力的改变的层、薄膜或材料。在一些实施例中，压电电极130包括氮化铝（aln）。在其他实施例中，压电电极130包括氧化锌(zno)。在其他实施例中，压电电极130包括锆钛酸铅（pzt）。在图1中图示的实施例中，压电材料沉积在可移动膜105的第二侧115上以便形成压电电极130。在这类实施例中，可移动膜105的第一侧110限定电容式电极135。在一些实施例中，压电电极130通过合适的沉积技术（例如，原子层沉积）而形成在可移动膜105上，并且限定微机械加工的压电膜。

将控制信号应用到压电电极130。控制信号引起压电电极130的形状改变。形状改变导致压电电极130生成作用在电容式电极135上的一定量的机械压力。在一些实施例中，压电电极130还可以生成作用在背板120和/或支撑结构125上的机械压力。由压电电极130生成的机械压力引起电容式电极135在箭头145和150方向上的移动。如上文所描述的，背板120和电容式电极135之间的电压差部分地基于电容式电极135的移动而变化。因此，背板120和电容式电极135之间的电压差部分地基于由压电电极130生成的机械压力而变化。

由压电电极130响应于控制信号而生成的机械压力更改mems麦克风100的一个或多个机械属性。mems麦克风100的机械属性包括例如刚度、间隙大小、超程止动、质量和机械阻尼。

刚度限定可移动膜105每单位应用的压力（例如，声、环境等）将偏转的距离。可移动膜105的刚度部分地基于可移动膜105的物理厚度和大小。例如，声压在较薄的可移动膜上引起比在较厚的可移动膜上更大的偏转。增加可移动膜105的刚度为mems麦克风100提供机械阻尼。控制信号引起压电电极130的形状改变。在一些实施例中，压电电极130通过响应于控制信号而改变可移动膜105的物理厚度和/或大小来更改可移动膜105的刚度。

间隙大小是可移动膜105和背板120之间的距离。间隙大小基于可移动膜105的移动而变化。在一些实施例中，压电电极130通过在电容式电极135上应用机械压力来更改可移动膜105和背板110之间的间隙大小。

图2图示了麦克风系统200的示例性实施例。图2中图示的麦克风系统200包括mems麦克风100、电子控制器205、电源210和用户接口212。取决于应用，可以将本文未限定的其他计算机实现的模块合并到麦克风系统200中。在一些实施例中，麦克风系统200可以包括通信地连接到计算机实现的模块205、210、212中的任何模块的多于一个mems麦克风100。

在一些实施例中，电子控制器205包括多个电气和电子组件，所述多个电气和电子组件向电子控制器205、mems麦克风100和/或麦克风系统200内的组件和模块提供电力、操作控制和保护。例如，电子控制器205除了其他组件外还包括电子处理器215（例如，微处理器、微控制器或另一合适的可编程设备）、存储器或计算机可读介质220、输入接口225和输出接口230。电子处理器215除了其他事物外还包括控制单元235、算术逻辑单元（alu）240和多个寄存器245（在图2中示出为寄存器的组），并且使用例如修改的哈佛架构、冯诺依曼架构等已知的计算机架构来实现电子处理器215。通过一个或多个控制和/或数据总线（例如，共同总线250）来连接电子处理器215、计算机可读介质220、输入接口225和输出接口230以及连接到电子控制器205的各种模块。出于说明性目的在图2中一般地示出了控制和/或数据总线。鉴于本文所描述的公开内容，本领域技术人员将知道将一个或多个控制和/或数据总线用于各种模块和组件之间的互连以及各种模块和组件间的通信。在一些实施例中，电子控制器205部分地或完全地实现在半导体芯片上，是现场可编程门阵列（fpga），是专用集成电路（asic）等。

计算机可读介质220包括例如程序存储区域和数据存储区域。程序存储区域和数据存储区域可以包括不同类型的存储器的组合，所述存储器诸如只读存储器（rom）、随机存取存储器（ram）（例如，动态ram[dram]、同步dram[sdram]等）、电可擦除可编程只读存储器（eeprom）、闪速存储器、硬盘、sd卡或其他合适的磁、光学、物理或电子存储器设备或数据结构。电子处理器215连接到计算机可读介质220并执行软件指令，所述软件指令能够被存储在计算机可读介质220的ram（例如，在执行期间）、计算机可读介质220的rom（例如，在通常永久的基础上）或诸如另一存储器或盘的另一非暂时性计算机可读介质中。麦克风系统200的一些实施例中所包括的软件可以被存储在电子控制器205的计算机可读介质220中。所述软件包括例如固件、一个或多个应用、程序数据、滤波器、规则、一个或多个程序模块以及其他可执行指令。除了其他事物外，电子控制器205还被配置为从存储器检索并执行与本文描述的控制过程和方法相关的指令。在其他构造中，电子控制器205包括附加的、更少的或不同的组件。

电源210向麦克风系统200的电子控制器205和/或其他组件供给标称ac或dc电压。在一些实施例中，电源210由一个或多个电池或电池组供电。在一些实施例中，电源210由主电源供电，所述主电源具有在例如100v和240vac之间的标称线电压和大约50-60hz的频率。电源210还被配置为供给较低的电压以操作麦克风系统200内的电路和组件。在一些实施例中，电源210除了其他事物外还生成偏置电压、参考电压和控制信号。

用户接口212可以包括实现对麦克风系统200的期望水平的控制和监视所需要的数字和模拟输入和输出设备的组合。在一些实施例中，用户接口212包括显示器和多个用户输入机构。显示器可以使用任何合适的技术，所述技术包括但不限于液晶显示器（lcd）、发光二极管（led）显示器、有机led（oled）显示器、电致发光显示器（eld）、表面传导电子发射显示器（sed）、场发射显示器（fed）和薄膜晶体管（tft）lcd。所述多个用户输入机构可以是但不限于多个旋钮、拨盘、开关和按钮。在其他实施例中，用户接口212可以包括触摸屏，例如但不限于电容式触摸屏。

电子控制器205电气地耦合到背板120、压电电极130和电容式电极135。电子控制器205确定背板120和电容式电极135之间的电压差。在一些实施例中，电子控制器205部分地基于由电子控制器205应用到背板120的偏置电压来确定电压差。在其他实施例中，电子控制器205部分地基于由电子控制器205应用到电容式电极135的偏置电压来确定电压差。

电子控制器205生成控制信号。在一些实施例中，控制信号是电流信号。在一些实施例中，电子控制器205部分地基于背板120和电容式电极135之间的电压差来生成控制信号。在其他实施例中，电子控制器205至少部分地基于经由用户接口212接收的输入来生成控制信号。在其他实施例中，电子控制器205至少部分地基于背板120和电容式电极135之间的电压差以及经由用户接口212接收的输入来生成控制信号。

图3图示了mems麦克风300的另一示例性实施例。图3中图示的mems麦克风300包括具有第一侧310和相反的第二侧315的可移动膜305、背板320和支撑结构325。可移动膜305包括压电电极330和电容式电极335。背板320是固定的构件。在一些实施例中，背板320定位在可移动膜305的第一侧310上，如图3中图示的。在其他实施例中，背板320定位在可移动膜305的第二侧315上。可移动膜305和背板320耦合到支撑结构325。在图3中图示的实施例中，压电材料沉积在可移动膜305的第一侧310上以便形成压电电极330。在这类实施例中，可移动膜305的第二侧315限定电容式电极335。

将控制信号（例如，由电子控制器205生成）应用到压电电极330。控制信号引起压电电极330的形状改变。形状改变导致压电电极330生成作用在电容式电极335上的一定量的机械压力。由压电电极330响应于控制信号而生成的机械压力更改mems麦克风300的一个或多个机械属性。在一些实施例中，压电电极330还可以生成作用在背板320和/或支撑结构325上的机械压力。

图4图示了mems麦克风400的另一示例性实施例。图4中图示的mems麦克风400包括具有第一侧410和相反的第二侧415的可移动膜405、背板420和支撑结构425。可移动膜405包括第一压电电极430、第二压电电极432和电容式电极435。背板420是固定的构件。在一些实施例中，背板420定位在可移动膜405的第一侧410上，如图4中图示的。在其他实施例中，背板420定位在可移动膜405的第二侧415上。可移动膜405和背板420耦合到支撑结构425。在图4中图示的实施例中，压电材料沉积在可移动膜405的第二侧415上以便形成第一压电电极430。而且，在图4中图示的实施例中，压电材料沉积在可移动膜405的第一侧410上以便形成第二压电电极432。在这类实施例中，电容式电极435被限定在第一压电电极430和第二压电电极432之间的可移动膜405中。在一些实施例中，多个压电电极可以被设置在可移动膜405的一侧或两侧上。

将第一控制信号应用到第一压电电极430。第一控制信号引起第一压电电极430的形状改变。形状改变导致第一压电电极430生成作用在电容式电极435上的第一机械压力。将第二控制信号应用到第二压电电极432。第二控制信号引起第二压电电极432的形状改变。形状改变导致第二压电电极432生成作用在电容式电极435上的第二机械压力。由第一和第二压电电极430、432响应于第一和第二控制信号而生成的第一和第二机械压力更改mems麦克风400的一个或多个机械属性。在一些实施例中，第一和第二压电电极430、432还可以生成作用在背板420和/或支撑结构425上的机械压力。

由第一压电电极430生成的第一机械压力引起电容式电极435在箭头445和450方向上的第一移动。由第二压电电极432生成的第二机械压力引起电容式电极435在箭头445和450方向上的第二移动。背板420和电容式电极435之间的电压差部分地基于电容式电极435的移动而变化。因此，背板420和电容式电极435之间的电压差部分地基于由第一压电电极430生成的第一机械压力和由第二压电电极432生成的第二机械压力而变化。

图5图示了麦克风系统500的另一示例性实施例。图5中图示的麦克风系统500包括mems麦克风400、电子控制器205、电源210和用户接口212。

电子控制器205电气地耦合到背板420、第一压电电极430、第二压电电极432和电容式电极435。电子控制器205确定背板420和电容式电极435之间的电压差。在一些实施例中，电子控制器205部分地基于由电子控制器205应用到背板420的偏置电压来确定电压差。在其他实施例中，电子控制器205部分地基于由电子控制器205应用到电容式电极435的偏置电压来确定电压差。

电子控制器205生成第一和第二控制信号。在一些实施例中，第一和第二控制信号是电流信号。在一些实施例中，电子控制器205部分地基于背板420和电容式电极435之间的电压差来生成第一和第二控制信号。在其他实施例中，电子控制器205至少部分地基于经由用户接口212接收的输入来生成第一和第二控制信号。在其他实施例中，电子控制器205至少部分地基于背板420和电容式电极435之间的电压差以及经由用户接口212接收的输入来生成第一和第二控制信号。在一些实施例中，电子控制器205生成第一和第二控制信号以控制mems麦克风400的频率响应。

图5中图示的示例性实施例包括与图2中图示的示例性实施例中相同的电子控制器205。这样，电子控制器205能够取决于配置而向一个或两个压电电极提供控制信号。在一些实施例中，麦克风系统500包括耦合到mems麦克风400的多于一个电子控制器205。作为示例，第一电子控制器耦合到第一压电电极430并且第二电子控制器耦合到第二压电电极432。每个控制器能够分别向第一和第二压电电极430、432提供第一和第二控制信号。然而，在其他实施例中，电子控制器可以被具体配置为操作仅有一个压电电极或仅有两个压电电极的mems麦克风。

图6图示了mems麦克风600的另一示例性实施例。图6中图示的mems麦克风600包括具有第一侧610和相反的第二侧615的可移动膜605、背板620和支撑结构625。可移动膜605包括第一压电电极630、第二压电电极632和电容式电极635。背板620是固定的构件。在一些实施例中，背板620定位在可移动膜605的第一侧610上，如图6中图示的。在其他实施例中，背板620定位在可移动膜605的第二侧615上。可移动膜605和背板620耦合到支撑结构625。

在图6中图示的实施例中，压电材料沉积在可移动膜605的第二侧615上以便形成第一压电电极630和第二压电电极632。在这类实施例中，可移动膜605的第一侧610限定电容式电极635。在其他实施例中，压电材料沉积在可移动膜605的第一侧610上以便形成第一压电电极630和第二压电电极632。在这类实施例中，可移动膜605的第二侧615限定电容式电极635。在一些实施例中，通过绝缘层（未示出）将第一压电电极630与第二压电电极632电气隔离。

将第一控制信号（例如，由电子控制器205生成）应用到第一压电电极630。第一控制信号引起第一压电电极630的形状改变。形状改变导致第一压电电极630生成作用在电容式电极635上的第一机械压力。将第二控制信号（例如，由电子控制器205生成）应用到第二压电电极632。第二控制信号引起第二压电电极632的形状改变。形状改变导致第二压电电极632生成作用在电容式电极635上的第二机械压力。由第一和第二压电电极630、632响应于第一和第二控制信号而生成的第一和第二机械压力更改mems麦克风600的一个或多个机械属性。在一些实施例中，第一和第二压电电极630、632的不同布置和几何形状可以例如用于控制mems麦克风600的频率响应。

虽然上文说明并描述了具有压电电极的mems麦克风，但是压电电极可以与用于其他非声换能器的可移动膜耦合，所述其他非声换能器例如压力传感器、陀螺仪、加速度计、化学传感器、环境传感器、运动传感器、光学传感器、气体传感器、辐射热测量计、温度传感器以及任何合适的半导体传感器和换能器。

因此，本公开除了其他事物外还提供用于控制具有压电电极的电容式mems麦克风的机械属性的麦克风系统。在所附权利要求中阐述了本公开的各种特征和优势。