悬臂式剪切谐振麦克风的制作方法

本公开总地涉及麦克风，并且具体涉及mems麦克风。

背景技术：

微机电系统（“mems”）麦克风用在各种领域中以检测声波。常规mems麦克风利用基于静电感测的换能方法。具体地，一种类型的mems麦克风使用形成电容器的一个板的柔性移动膜片。膜片相对于形成电容器的相反板的固定反电极移动。当声波与柔性膜片相互作用时，膜片和反电极之间的距离改变，从而修改跨电容器的电压/电荷。典型地，控制电路检测跨电容器的改变的电压/电荷，并将检测到的电压/电荷转换成表示检测到的声波的电信号。

膜片类型的mems麦克风不适用于一些应用，这是因为麦克风展现出粘性损失以及薄膜挤压阻尼，这两者负面影响声波的检测并且降低麦克风的信噪比（“snr”）和敏感度。而且，膜片类型的mems麦克风易受落在膜片上的颗粒的影响，这可能导致膜片和反电极之间的短路和泄漏路径，所述短路和泄漏路径可能干扰控制电路对声波的正确检测。

另一种类型的mems麦克风是基于压电的mems麦克风。典型的基于压电的mems麦克风利用基于压电效应的换能方法。例如，典型的基于压电的mems麦克风包括连接到两个电极的压电本体。压电本体通过声波振动，这引起压电本体变形。根据压电效应，压电本体的变形在电极之间产生净电荷，所述净电荷由控制电路检测并且对应于检测到的声波。

典型的基于压电的mems麦克风经受压电本体的压电材料中的固有材料损失。材料损失典型地负面影响压电本体的电阻抗和品质因数，并且还可以改变或者以其他方式负面影响mems麦克风的谐振频率，从而导致随时间在性能方面劣化的麦克风。

因此，所需要的是克服已知mems麦克风的至少一些缺点的mems麦克风。

技术实现要素：

一种mems麦克风包括基结构以及具有第一端和第二端的压电谐振器本体。第一端由基结构固定支撑，并且第二端是自由的，使得压电谐振器是从基结构悬臂式的。mems麦克风还包括可操作地连接到压电谐振器本体的第一电极和可操作地连接到压电谐振器本体的第二电极。控制器包括至少一个电路，所述至少一个电路可操作地连接到第一和第二电极并且被配置为以压电谐振器本体的剪切谐振频率驱动压电谐振器本体，并检测由声压导致的剪切谐振频率与基线谐振频率的差异。

在mems麦克风的一个实施例中，压电谐振器本体形成在平面中，并且控制器被配置为驱动压电谐振器本体在压电谐振器本体的平面中谐振。

在另一个实施例中，配置压电谐振器本体，使得声压使压电谐振器本体至少部分地偏转出平面，从而引起剪切谐振频率与基线谐振频率的差异。

在mems麦克风的另外的实施例中，压电谐振器本体和基结构由共同基板整体形成。

在一个实施例中，限定将压电谐振器本体的第二端从基结构分离的声学泄漏路径。

在另一个实施例中，限定具有弓形形状的声学泄漏路径，并且声学泄漏路径围绕在压电谐振器本体周围的近似300度和近似350度之间的弧。

在mems麦克风的又一个实施例中，压电谐振器本体由at切割石英晶体形成。

在另外的实施例中，第一电极覆镀在压电谐振器本体的第一侧上，并且第二电极覆镀在压电谐振器本体的第二相反侧上。

mems麦克风的一些实施例的第一和第二电极每个包括圆形电极部分，并且第一电极的圆形电极部分具有与第二电极的圆形电极部分不同的表面积。

在一个实施例中，第一和第二电极至少部分地由铜、铂、铬和金中的一种形成。

在mems麦克风的一些实施例中，控制器包括被配置为驱动压电谐振器本体的阻抗电路、rlc电路和振荡器电路中的一个。

在又一个实施例中，控制器包括频率到电压转换器，所述频率到电压转换器被配置为检测由声压引起的谐振频率与基线谐振频率的差异。

mems麦克风的另一个实施例的控制器还被配置为追踪导纳或散射参数，以根据谐振频率与基线谐振频率的所确定的差异来确定声压的特性。

在根据本公开的另一个实施例中，一种产生mems麦克风的方法包括移除压电基板的部分以形成薄基板部分，在薄基板部分上形成第一和第二电极，以及在薄基板部分中限定声学泄漏路径以便形成压电谐振器本体，所述压电谐振器本体在一端处以悬臂式方式由薄基板部分的基部支撑。

在一个实施例中，声学泄漏路径的限定还包括利用聚焦离子束移除薄基板部分的部分。

在产生mems麦克风的方法的另外的实施例中，压电基板的部分的移除包括在反应离子蚀刻过程中蚀刻压电基板。

在产生mems麦克风的又一个实施例中，第一和第二电极的形成包括在薄基板部分的第一侧上覆镀第一电极以及在薄基板部分的第二相反侧上覆镀第二电极。

在根据本公开的另一个实施例中，一种检测声音的方法包括利用控制器驱动压电谐振器本体，所述压电谐振器本体以悬臂式方式从基部受到支撑以在剪切谐振频率处谐振，压电谐振器本体通过第一电极和第二电极可操作地连接到控制器。所述方法还包括利用控制器检测由作用在压电谐振器本体上的声压导致的剪切谐振频率从基线谐振频率的频率偏移，以及利用控制器基于检测到的频率偏移确定至少一个声音特性。

附图说明

图1a是根据本公开的具有悬臂式谐振器本体的mems麦克风的顶视图。

图1b是图1a的mems麦克风的侧横截面视图。

图2是具有图1a的mems麦克风的麦克风封装的侧横截面视图。

图3是利用诸如图1a的mems麦克风的mems麦克风检测声音的方法的过程图。

图4是产生诸如图1a的mems麦克风的mems麦克风的方法的过程图。

图5a是图4的过程中的基板坯料的顶视图。

图5b是图4的过程中的基板坯料的侧横截面视图。

图6a是在根据图4的过程从坯料蚀刻出区域以形成薄基板部分之后图5a的基板的顶视图。

图6b是在根据图4的过程从坯料蚀刻出区域以形成薄基板部分之后图5a的基板的侧横截面视图。

图7a是根据图4的过程在将电极覆镀到薄基板部分的顶部和底部上之后基板的顶视图。

图7b是根据图4的过程在将电极覆镀到薄基板部分的顶部和底部上之后基板的侧横截面视图。

图8是示出切割角度公差内的at切割石英晶体的温度敏感度的图。

图9是具有多个图1a的mems麦克风的麦克风封装的顶视图。

具体实施方式

出于促进对本文描述的实施例的原理的理解的目的，现在参考以下撰写的说明书中的附图和描述。参考没有对本主题范围的限制的意图。如本文档所涉及领域的技术人员通常会想到的，本公开还包括对说明的实施例的任何更改和修改，并且包括所描述的实施例的原理的另外应用。

如本文所使用的，措辞“近似”被限定为指代小于或大于给定值的百分之五以内的值，或者对于角度值，指代小于或大于给定角度五度内的角度。

图1a和1b图示了根据本公开的微机电（“mems”）麦克风100。mems麦克风100包括支撑本体104和薄基板部分108。在图示的实施例中，支撑本体104和薄基板部分108两者由单个基板112整体形成。然而，在其他实施例中，支撑本体104可以是与薄基板部分108的分立元件，并且可以以任何合适的方式附接到薄基板部分108。

在一个实施例中，单个基板112是具有高品质因数和低温度敏感度的at切割石英晶片。例如，如图8中图示的，at切割石英（在图8中θ=35.150）的温度敏感度在10℃和50℃之间的±2ppm内。然而，在其他实施例中，使用例如sc、bt或it切割石英晶体之类的其他石英晶体切割。在另外的实施例中，使用具有高品质因数的其他合适的材料，例如铌酸锂。

在一个实施例中，支撑本体104在垂直方向上（如图1b中示出的）具有近似100微米的厚度，而薄基板部分108在垂直方向上具有在近似7-8微米之间的厚度。然而，在其他实施例中，其他合适的厚度用于支撑本体104和薄基板部分108。

薄基板部分108包括通过连接部分124彼此连接的基部116和谐振器本体120。基部116将支撑本体104连接到连接部分124和谐振器本体120。谐振器本体120仅在与连接部分124的连接处被支撑，从而导致谐振器本体120以悬臂式方式附接到连接部分124。谐振器本体120具有固定在与连接部分124的连接处的第一端128，以及在谐振器本体120的平面160的内和外自由移动的第二相反端132。谐振器本体120由谐振器本体120和基部116之间限定的开口或声学泄漏路径140部分地围绕。在一个实施例中，声学泄漏路径140是弓形的并且在谐振器本体120周围在近似300度和近似350度之间延伸。

继续参考图1a和1b，麦克风100还包括分别覆镀在薄基板部分108的顶侧和底侧上的第一电极152和第二电极156。第一和第二电极152、156中的每个具有在谐振器本体120上的大体圆形的部分以及从谐振器本体120延伸到支撑部分116的细长部分。在一个实施例中，电极152、156中的一个或两者至少部分地或全部地由金形成，而在另一个实施例中，电极152、156中的一个或两者至少部分地或全部地由铬形成。在另外的实施例中，电极152、156中的至少一个至少部分地或全部地由铂形成。

此外，在一些实施例中，相比于第二电极156的圆形部分，第一电极152的圆形部分具有不同的大小以减小能量损失并避免电极152、156之间的边缘场。例如，在图1b中图示的实施例中，底部电极156小于顶部电极152。在一个实施例中，底部电极156的圆形部分的面积可以在顶部电极152的圆形部分的面积的近似一半和顶部电极152的圆形部分的面积的近似四分之三之间。在另一个实施例中，底部电极156的圆形部分的面积可以大于顶部电极的圆形部分的面积，例如在比顶部电极152的圆形部分的面积大近似50%和大近似100%之间。

图2图示了被布置在麦克风封装200中的mems麦克风100的一个示例。麦克风封装200包括外壳204，mems麦克风100粘附到所述外壳204，以便使mems麦克风100相对于外壳204保持在固定位置中。外壳204限定端口孔208，通过端口孔208将声波传输到前腔212中，前腔212限定在外壳204和谐振器本体120之间。

mems麦克风100的电极152、156可操作地连接到外壳204中的控制器电路220，控制器电路220在本文也称为控制器或检测电路。在图示的实施例中，电极152、156经由引线接合224、228连接到控制器电路220，虽然在其他实施例中利用电极152、156和控制器电路220之间的其他合适的连接。

控制器电路220被配置为辅助mems麦克风100的操作和控制。利用执行编程指令的一般或专门化可编程处理器来实现控制器电路220。执行编程功能所要求的指令和数据存储在与控制器电路220相关联的存储器（未示出）中。处理器、存储器和接口电路配置控制器电路220以执行下面描述的功能和过程。这些组件可以在印刷电路卡上被提供或者被提供为专用集成电路（asic）中的电路。可以利用分离的处理器来实现每个电路，或者多个电路可以实现在同一处理器上。可替代地，可以利用vlsi电路中提供的分立组件或电路来实现电路。而且，可以利用处理器、asic、分立组件或vlsi电路的组合来实现本文描述的电路。

图3图示了使用控制器电路220操作mems麦克风100的一个过程300。过程300开始于控制器电路220操作来以压电谐振器本体120的剪切谐振频率驱动压电谐振器本体120（块304）。在本文剪切谐振频率也称为剪切共振频率。控制器电路220经由电极152、156将正弦电输入电压传输到压电谐振器本体120。谐振器本体120的压电属性引起谐振器本体120响应于在谐振器本体120的平面内（例如，如图1b中所见的垂直平面160中）施加的电压而在方向180（图1a中示出）上振荡。选择施加的电压以引起压电谐振器本体120在谐振器本体120的剪切谐振频率处谐振。在一个实施例中，控制器电路220包括提供电压以引起谐振器本体120在谐振频率处谐振的阻抗电路、振荡器电路或rlc电路。

通过端口孔208进入到腔212中的声压作用在压电谐振器本体120上并引起谐振器本体120在远离谐振器本体120的平面的方向上（例如在图1b的视图中向上或向下）变形。出平面的变形根据声压的特性（例如，声音的声音音调、频率和/或幅度）更改或调制谐振器本体120的剪切谐振频率。控制器电路220被配置为在本文称为压电谐振器本体120的力-频率效应的换能过程中，检测由声压引起的谐振器本体120的谐振频率从基线谐振频率的偏移（块308）。即，作为施加的力（即，声波）的结果，谐振器本体120弯曲出在无声波施加到谐振器本体120时谐振器本体120位于其中的平面。至少部分归因于力-频率效应，谐振器本体120的弯曲导致谐振器本体120的谐振频率中的改变。控制电路220检测谐振频率中的改变并将检测到的谐振频率中的改变转换成电信号，所述电信号对应于引起谐振器本体120弯曲的检测到的声波。

在一个实施例中，控制器电路220包括检测谐振频率中的偏移的频率到电压转换器集成电路。在另一个实施例中，控制器电路220包括被配置为经由电极152、156确定谐振器本体120的谐振频率中的偏移的阻抗电路、振荡器电路或分析器电路。控制器电路220可以通过追踪谐振器本体120的散射参数、阻抗参数或导纳参数来确定谐振频率中的偏移。在其他实施例中，用于向谐振器本体施加电压的同一阻抗电路或振荡器电路还经由电极152、156检测频率偏移。

控制器电路220还被配置为基于压电谐振器本体120的剪切谐振频率中的偏移来确定一个或多个声音特性（块312）。在一个实施例中，控制器电路220基于压电谐振器本体120的剪切谐振频率中的偏移来检测声音频率和幅度。

控制器电路220在预定频率范围内追踪散射参数或导纳参数（即，电导（g）和电纳（b）或电阻（r）和电抗（x））。根据示例，电导具有最大量值所处的频率基于输入声压等级（“spl”）的量值。当输入spl的量值波动时，电导的量值最大所处的频率也波动。控制器电路220被配置为针对预定频率范围追踪电导的量值，并确定电导的量值具有最大值或具有优化值所处的频率。根据另一个示例，控制器电路220在单个频率处追踪导纳参数，所述单个频率在本文称为追踪频率。在追踪频率处导纳参数的量值基于输入spl的量值。例如，控制器电路220在剪切谐振频率（即，追踪频率）处追踪电导，所述剪切谐振频率取决于谐振器本体120的厚度而被选择为在大约150-250mhz的范围内。追踪的导纳参数（在上面示例中的电导）的量值根据输入spl的量值改变，并且控制器电路220被配置为确定导致追踪的导纳参数的优化值的频率。取决于所选择的追踪的导纳参数，优化值可以是最大值、最小值、预定值或如本领域普通技术人员确定的任何其他值。

在一个实施例中，谐振器本体120的横向谐振频率（其与剪切谐振频率不相关）可以分离地被调谐以获得在大约20hz至20khz的音频带范围内的平带响应。横向谐振频率（其典型在大约100khz的量级）取决于谐振器本体120的几何尺寸，而剪切谐振频率（其典型在150-250mhz的量级）取决于谐振器本体120（典型由晶体形成）的厚度。在另一个实施例中，横向谐振频率可以被设置在20hz-20khz的音频带范围内，以便以大约100的机械q值放大谐振器本体120的频率响应。剪切谐振品质因数典型地不同于机械q值。在一个实施例中，剪切谐振品质因数是比机械q值（典型为10²）高的量值的量级（典型大于大约10⁵）。在一些实施例中，可能期望更薄的压电谐振器本体120，以便增大横向方向上的机械顺应性。谐振器本体120的较大位移导致较大的频率/幅度偏移。

转到图4，图示了用于制造mems麦克风（例如图1a和1b的mems麦克风100）的过程400。图5a和5b图示了在其上执行过程400的基板坯料500，例如at切割石英晶片。在一个实施例中，基板坯料具有近似100微米的厚度，虽然在其他实施例中基板坯料可以具有不同的厚度。

在继续参考图4的情况下现在参考图6a和6b，过程400开始于移除基板坯料500的部分以在基板中限定沟槽区域504（块404），并保留薄基板部分108和支撑本体104。在一些实施例中，使用蚀刻过程、例如在反应离子蚀刻（“rie”）过程中执行用以形成沟槽区域504的部分移除，所述反应离子蚀刻过程诸如tadigadapa等人的美国专利公开no.2014/0166618中公开的过程，所述美国专利公开的内容通过引用在其整体上并入本文。在一个特定实施例中，移除近似92微米至近似93微米，保留具有在近似7微米和近似8微米之间的厚度的薄基板部分108，虽然读者应领会在其他实施例中薄基板部分108可以具有另一期望厚度。

参考图4、7a和7b，电极152、156后续分别覆镀在薄基板部分108的顶侧和底侧上（块408）。电极152、156可以以任何合适的工艺形成在薄基板部分108上，所述工艺例如喷涂、电沉积、物理气相沉积（“pvd”）、化学气相沉积（“cvd”）等。电极152、156每个形成为具有圆形部分和从圆形部分朝向基板的支撑本体104延伸的细长部分。

现在参考图1a、1b和4，针对声学泄漏路径140的开口形成在薄基板部分108中的电极152、156周围（块412），所述开口限定压电谐振器本体120和连接部分124，连接部分124以悬臂式方式将压电谐振器本体120连接到基部116。在一个实施例中，在聚焦离子束（“fib”）过程中形成声学泄漏路径140。在另一个实施例中，在激光微机械加工过程中形成声学泄漏路径。在一些实施例中，声学泄漏路径140基本上是圆形的，并且封围在近似300度和近似350度之间的角度区域。在另一个实施例中，声学泄漏路径基本上形成为正方形、矩形或另一期望的形状，使得声学谐振器本体120也具有正方形、矩形或其他期望的形状。

虽然所图示的过程400示出了在覆镀电极（块408）之后形成声学泄漏路径（块412），但是读者应该领会，在一些实施例中，在电极被覆镀到谐振器本体上之前形成声学泄漏路径。

根据本公开的另一个实施例，图9图示了mems麦克风封装600，其包括多个mems麦克风100。mems麦克风封装包括其中产生多个mems麦克风100的薄基板部分604，例如at切割石英。图9中图示的实施例包括六个mems麦克风100，虽然读者应该领会，在其他实施例中可以使用另一合适数量的mems麦克风100。

根据本公开的mems麦克风100对于在谐振器本体120上的灰尘和其他微粒是鲁棒的。位于谐振器本体120上的灰尘颗粒影响初始或基线剪切谐振频率。然而，由于本公开基于谐振频率从基线频率的偏移来确定声音特性，因此初始或基线剪切谐振频率中的改变将不会显著影响声音特性的确定。

而且，at切割石英具有高品质因数。因此，使用at切割石英的实施例导致谐振器本体120对谐振频率中的小偏移敏感，从而导致mems麦克风100对微弱的声波敏感。此外，at切割石英具有低温度敏感度，从而有利地提供在宽温度范围处是准确的mems麦克风100的声音检测。

本文公开的麦克风100提供超越已知的基于压电的mems麦克风的优点。用于基于压电的mems麦克风的典型换能方法基于在压电材料与声波相互作用时发生的电压/电荷中的改变。然而，麦克风100使用力-频率效应来感测声波，所述力-频率效应基于检测由于声波使谐振器本体120从松弛位置偏转而导致的高品质因数谐振器本体120的至少剪切谐振频率中的偏移。频率偏移的幅度基于谐振器本体120的偏转幅度。通过使用力-频率效应的原理，麦克风100克服典型的基于压电的mems麦克风的很多缺点。具体地，麦克风100对灰尘和颗粒是鲁棒的，并且较少地受固有和粘性（声学）阻尼的影响。麦克风100实现该鲁棒性，这是因为基于频率中的改变来检测声波。换言之，谐振器本体120的共振频率具有由控制电路220所检测的基线频率（也称为初始频率）。给予在麦克风100上的声波使共振频率从基线频率改变。如果基线频率由于灰尘颗粒或材料劣化而随时间改变，则信噪比和敏感度不受影响，这是因为控制电路220更新以基于当前基线频率检测声波。

将领会，上面描述的和其他特征及功能的变体或其替代物可以按期望地组合成很多其他不同的系统、应用或方法。本领域技术人员后续可以做出各种目前未预见或未预料到的替代物、修改、变型或改进，意图所述替代物、修改、变型或改进也被前述公开涵盖。