本发明涉及电容式MEMS设备(MEMS，即微机电系统)、电容 式MEMS声换能器、制造电容式MEMS设备的方法以及操作电容式 MEMS设备的方法。一些实施例涉及MEMS麦克风和/或MEMS扬声 器。
背景技术：
当设计电容式MEMS设备(例如，声换能器、压力传感器、加 速传感器、麦克风或扬声器)时，通常会期望实现换能器输出信号的 高信噪比(SNR)。对于期望的高信噪比，换能器的持续小型化会提 出新的挑战。MEMS麦克风以及一定程度上还有MEMS扬声器(例 如可用于麦克风、笔记本电脑和类似(移动或静止)设备)如今可被 实施为半导体(硅)麦克风或微机电系统(MEMS)。为了竞争和提 供期望的性能，硅麦克风会需要麦克风输出信号的高SNR。然而，将 电容式麦克风用作示例，SNR通常会受限于电容式麦克风结构以及所 产生的寄生电容。
寄生电容通常是干扰薄膜与对电极之间的电容的不想要的电容。 因此，将要响应于薄膜相对于对电极的移动转换为电信号的电容值被 干扰。在MEMS设备被实施为MEMS麦克风的情况下，例如，寄生 电容会影响MEMS麦克风，使得电输出信号不提供可听输入信号充 分校正的再生，即，到达的声波或声压改变。
技术实现要素：
一个实施例提供了一种电容式MEMS设备，包括：第一电极结 构，包括第一导电层；以及第二电极结构，包括第二导电层，其中第 二导电层至少部分地与第一导电层相对，其中第一导电层包括在第一 导电层的至少三个部分之间提供电隔离的多个分段(segmentation)。
又一实施例提供了一种包括电容式MEMS设备的MEMS麦克风， 该电容式MEMS设备具有包括第一导电层的第一电极结构和包括第 二导电层的第二电极结构，其中第二导电层至少部分地与第一导电层 相对，其中第一导电层包括在第一导电层的至少三个部分之间提供电 隔离的多个分段，其中第一电极结构的第一导电层相对于第二电极结 构的第二导电层的放置被进入的声压改变所影响。
又一实施例提供了一种形成电容器MEMS设备的方法，该方法 包括：在堆叠配置中提供第一导电层、第二导电层以及位于第一和第 二导电层之间的支持层；在第一导电层中形成多个间隙，用于在第一 导电层的至少三个部分之间提供电隔离；在第一导电层上以及第一导 电层中的间隙中沉积介电层；以及部分地去除第一和第二导电层之间 的支持材料，使得支持结构保持在第一和第二导电层的外围区域中。
又一实施例提供了一种操作电容式MEMS设备的方法，其中电 容式MEMS设备包括：第一电极结构，包括第一导电层；以及第二 电极结构，包括第二导电层，其中第二导电层至少部分地与第一导电 层相对，其中第二导电层包括在第二导电层的至少三个部分之间提供 电隔离的多分段，该方法包括单端读出第一或第二电极结构的步骤。
因此，实施例提供了用于消除或至少减少电容式MEMS设备的 电极结构的多分段部分的耦合电容(即，多分段电容CmSEG)以及进 一步保留电容式MEMS设备(例如，电容式MEMS声换能器(MEMS 麦克风和/或MEMS扬声器))的寄生电容的概念，其中，电容式 MEMS设备具有可置换薄膜或隔膜作为可移动结构，其运动将利用 (例如，“静态”)对电极(背板)而电容式地检测。
根据实施例，提供了电极结构(例如，薄膜和/或对电极)的导电 层的多个分段，目的在于减小寄生电容，从而提高电容式MEMS设 备的性能。电极结构的导电层的多个分段在相应导电层的至少三个部 分之间提供了电隔离(分离)。
基于导电结构的导电层的多个分段，所谓的MEMS设备的“变 换因子”可以显著降低。变换因子表示可变有源电容CACTIVE相对于 电容式MEMS设备的总电容CTOTAL的量或部分。总电容CTOTAL包括 电容式MEMS设备的有源电容CACTIVE、寄生电容CPAR和多分段电容 CmSEG。更具体地，总电容CTOTAL是有源电容CACTIVE以及寄生电容 CPAR和多分段电容CmSEG的串联连接的累加和。
增加的变换因子(入射声压PSOUND转换为MEMS设备的输出信 号的减小阻尼(衰减))使得增加了提供给电容式MEMS设备的读 出电路的输出信号，由此相应地增加电容式MEMS设备的信噪比。 换句话说，给出可变有源电容CACTIVE和寄生电容CPAR，减小的分段 电容CmSEG导致增加的变换因子，由此导致电容式MEMS设备的输出 信号的SNR增加。
根据实施例，电容式MEMS设备(例如，电容式MEMS声换能 器)的电极结构的分段部分的耦合电容可以通过为一个相对电极结构 的导电层提供多个分段来减小，同时保持MEMS设备所得到的电极 结构的高机械鲁棒性。
根据一个实施例，电容式MEMS设备的第一电极结构包括第一 导电层，第二电极结构包括第二导电层。在隔开的配置中，第二导电 层至少部分地与第一导电层相对(重叠)。通过第二导电层中具有多 条分段线(例如，窄间隙、凹槽或狭缝的形式)的多分段结构，电容 式MEMS设备的第二电极结构(例如，静态电极或可移动电极)的 第二导电层被分为三个部分，即内部(第一)部分、外部(第二)部 分以及至少一个(第三)中间部分。
第二导电层的外部(第二)部分可以电连接至第一电极结构的第 一导电层(例如，具有薄膜或隔膜的可移动结构)。
在又一实施例中，第二电极结构可以包括又一导电层。该又一导 电层还可以通过又一多分段(多条分段线)分为内部部分、外部部分 和至少一个中间部分。在利用第二电极结构的两个导电层实施的情况 下，第二电极结构的两个导电层的外部部分可以电连接至第一电极结 构的第一导电层。因此，第一电极结构和第二电极结构之间的相对移 动可以被电容地检测并读出。
作为变形，多分段可以附加地应用于第一电极结构的第一导电 层。第一电极结构可以包括第一导电层和又一导电层，在这种情况下， 多分段还可以应用于第一电极结构的又一导电层。
因此，为第二电极结构以及任选的第一电极结构的导电层提供多 分段的实施例可等效地应用于电容式MEMS设备的所谓的双背板配 置和/或双薄膜配置。
附图说明
为了更为完整地理解本发明，本文结合附图描述实施例及其优 点。
图1a和图1b示出了具有多个分段第一电极结构的电容式MEMS 设备的示意性截面图和示意性平面图；
图1c示出了具有多个分段第一电极结构(例如，多分段背板) 以及第二和第三电极结构的电容式MEMS设备的示意性截面图；
图1d和图1e示出了包括多分段第二电极结构(例如，多分段第 一薄膜元件)和多分段第三电极结构(例如，多分段第二薄膜元件) 的电容式MEMS设备的示意性截面图；
图1f示出了用于电容式MEMS设备的读出配置以及所得到的电 容的示意性电路图；
图2a至图2c示出了根据一个实施例的多分段第一电极结构增加 放大倍数的不同示意性平面图；
图3a至图3f示出了根据一个实施例的第一电极结构的多分段区 域的示意性部分截面图；
图4a和图4b示出了根据一个实施例的在第一和/或第二电极结构 中包括多条分段线的多分段第一电极结构的示意性平面图；
图5a至图5g示出了根据实施例的电容式MEMS设备的不同实施 的示意性截面图以及示出用于电容式MEMS设备的不同读出配置以 及所得到的电容的示意性电路图；
图6示出了根据一个实施例的操作电容式MEMS设备的示例性 方法；以及
图7a至图7f示出了根据一个实施例的形成电容式MEMS设备的 制造方法的示例性流程。
在使用附图详细讨论实施例之前，指出在附图和说明书中，指定 相同元件以及具有相同功能和/或相同技术或物理效果的元件通常设 置有相同的参考符号或者用相同的名称标识，使得在不同实施例中示 出的这些元件及其功能的描述可相互交换，或者可以在不同实施例中 相互应用。
具体实施方式
在以下描述中，详细讨论实施例，然而应该理解，实施例提供了 许多可在各种特定的半导体器件(其可被电容地读出，诸如电容式 MEMS设备)中实施的可应用概念。所讨论的具体实施例仅仅是制造 和使用本发明概念的具体方式而不限制范围。在以下实施例的描述 中，具有相同功能的相同或相似元件具有相同的参考符号或相同的名 称，并且这种元件的描述不针对每个实施例重复。此外，本文描述的 不同实施例的特征可以相互组合，除非另有明确指定。
以下，总体上相对于电容式MEMS设备的情况下的实施例描述 本发明的概念，其中以下描述还可以应用于任何MEMS声换能器， 诸如(真空)麦克风或者具有单个薄膜或单个背板配置或具有双薄膜 或双背板配置的声扬声器、以及任何电容器压力传感器、加速传感器、 致动器等，它们可以被电容性地读出或者可以电容性地启动。
图1a和图1b示出了电容式MEMS设备100(例如，电容器MEMS 声换能器)的示意性截面图和示意性平面图，其包括多分段电极结构 108。图1b示出了相对于由图1a中的虚线“AA”表示的平面的图1a 的电容式MEMS设备100的平面图。图1b中的虚线“BB”表示图1a的截面图的交叉平面。
图1a和图1b示意性示出了电容式MEMS设备100的概念。电容 式MEMS设备100包括第一电极结构102(例如，第一薄膜或隔膜元 件)和第二电极结构108(例如，对电极或背板元件)，第一电极结 构102包括第一导电层103，第二电极结构108包括第二导电层110， 第二导电层110与第一导电层103隔开并且至少部分地与第一导电层 103相对。
根据又一实施例，第一电极结构102可以形成对电极或背板元件， 其中第二电极结构108可以形成薄膜或隔膜元件。
第二导电层110包括多分段(结构)112，其提供第二导电层110 的至少三个部分110-1、110-2、110-n之间的电隔离或分离。
如第二导电层110的多分段112的放大示意细节图所示(虚线 112-X)，第二导电层110的多分段112包括位于第二导电层110中 的多个间隙112-1、112-m(例如，窄间隙、凹槽、狭缝、分离线或分 段线的形式)，其中每个间隙112-1、112-m都分别提供了第二导电 层110的两个相邻部分110-1、110-2、110-n之间的电隔离。具有绝 缘材料的非导电连接(或桥接)结构111被设置用于机械地连接第二 导电层110的相邻部分110-1、110-2、110-n。如图1a所示，多分段 112包括“m＝2”个间隙，从而产生第二导电层110的“n＝3”个电隔 离部分110-1、110-2、110-n。通常，多分段112可以包括“m”个间 隙(m＝2、3、4、5…)，产生第二导电层110的“n”个电隔离部分， 其中“n＝m+1”。非导电连接结构111机械地连接第二导电层110的 相邻部分110-1、110-2、110-n。
如图1a所示，第一电极结构102可以包括第一导电层103，其中 第二电极结构108可包括第二导电层110。然而，以下说明可等效地 应用于具有电极结构102、108的布置，具有(至少)两个(例如， 电隔离)导电层，即，提供电容式MEMS声换能器的所谓的双背板 (对电极)和/或双薄膜配置。
进一步如图1a所示，间隔件或支持元件113可以在外围锚定区 域中布置在第一和第二电极结构102、108之间，用于以相互之间的 预定距离来保持第一和第二导电层103、110。进一步如图1a所示， 第一导电层103包括可偏移(可移动)部分102a和固定部分102b， 其中第一导电层103的固定部分102b例如机械地连接至间隔元件 113。此外，第二导电层110例如也固定至间隔元件113。在描述中， 术语“可偏转”、“可偏移”和“可移动”是可互换的术语。例如， 这同样适用于术语偏转和偏移。
图1b示出了相对于图1a中由虚线“AA”表示的交叉平面的图 1a的电容式MEMS设备100的平面图形式的示意图。图1b中的虚线 “BB”表示图1a的截面的交叉平面。如图1b所示，示出了第二导电 层110和多分段112，仅通过示例示为具有正方形。备选地，这些元 件还可以包括圆形的圆周形式或者任何其他几何适当的(多边形)圆 周形式或设计。
如图1b示例性所示，第二导电层110中的多分段112包括位于 第二导电层110中的多个(“m个”)圆周间隙或凹部，例如窄间隙、 凹槽、狭缝、分段线的形式。
如第二导电层110的多分段112的放大示意细节图所示(虚线 112-X)，第二导电层110的多分段112包括位于第二导电层110中 的“m＝2”个间隙112-1、112-m，在第二导电层110的n＝3个相邻部 分110-1、110-2、110-n之间提供电隔离。一般地，多分段112可以 包括“m”个间隙(m＝2、3、4、5…)，使得产生第二导电层110的 “n”个电隔离部分，其中“n＝m+1”。非导电连接结构111机械地 连接第二导电层110的相邻部分110-1、110-2、110-n。
如图1a和图1b所示，可以在第二导电层110的圆周或边界区域 中布置多分段结构112的m个间隙112-1、112-m。可以在第二导电 层110中彼此等距地布置间隙112-m。因此，可以在第二导电层110 的分段区域112-A中布置第二导电层110中的间隙112-1、112-m，其 中分段区域112-A形成在第二导电层110的圆周、边界区域中。间隙 112-1、112-m可以具有100至1000nm之间或者200至500nm之间的 宽度。第二导电层110可以在分段区域112-A中具有厚度D1，其中 间隙可以具有D1/2和2*D1之间的宽度W，其中W通常可以在D1的 范围中。
间隙112-m可以部分或完全填充有连接结构111的非导电材料。 非导电连接结构可以形成为具有100至1000nm之间或200至500nm 之间的厚度的层。
如图1a和图1b所示，多分段112在第二导电层110的第一部分 110-1、第二部分110-n和第三(中间)部分110-2之间提供电隔离， 其中第一部分110-1是第二导电层110的中心部分(有源部分)，第 二部分110-n是第二导电层110的边界部分(边缘部分)，并且第三 部分110-2是第一导电层位于第二导电层110的第一和第二部分 110-1、110-n之间的中间部分。如图1a和图1b所示，第二导电层110 的第二部分110-n至少部分地被机械支持结构113支持(锚定)。第 二导电层110的第一部分110-1可以形成第二导电结构110的可偏移 或可移动部分。
进一步如图1a和图1b所示，多分段结构112可以包括“双”分 段，其具有两个间隙112-1、112-2以及第二导电层110位于第二导电 层110的第一和第二部分110-1、110-n之间的一个中间部分110-2。
备选地，多分段结构112可以包括第二导电层110的三分段，具 有第二导电层的两个相邻中间部分110-2、110-3，其中三个分段具有 三个间隙112-1、112-2、112-m。在三分段的情况下(还例如参见图 2a至图2c以及相关联的说明书段落)，三分段在第二导电层110的 四个部分110-1、110-2、110-3、110-n之间提供电隔离，其中第一部 分110-1是第二导电层110的中心部分，第二部分110-n是第二导电 层110的边界部分，以及其中第二导电层的第三和第四部分110-2、 110-3是第二导电层的位于第二导电层110的第一和第二部分110-1、 110-n之间的相邻中间部分。
多分段可进一步包括具有第二导电层110的三个相邻部分110-2、 110-3、110-4的四分段，其中四分段具有四个间隙112-1、112-2、112-3、112-m。四分段在第二导电层110的五个部分(第一至第五部分)110-1、 110-2、110-3、110-4、110-n之间提供电隔离，其中第一部分110-1 是第二导电层110的中心部分，第二部分110-n是第二导电层110的 边界部分，以及第二导电层110的第三、第四和第五部分110-2、110-3、 110-4是第二导电层110的位于第二导电层110的第一和第二部分 110-1、110-n之间的相邻中间部分。
本发明的多分段原理进一步可应用于更大数量的m条分段线。一 般来说，多分段112可以包括“m”个间隙(m＝2、3、4、5、6…)， 产生第二导电层110的“n”个电隔离部分，其中“n＝m+1”。
如图1a和图1b所示，第一电极结构102的边界部分102b可以 被支持结构113支持，并且相对于第二电极结构108保持在隔离位置， 使得“感侧间隙”106形成在第一和第二导电层103、110之间。
根据实施例，第一电极结构102的第一导电层103可以形成可移 动(可偏转)薄膜元件，其中第二电极结构108的第二导电层110可 以相对于薄膜(第一导电层)103形成对电极(背板)。因此，第一 电极结构102的第一导电层103相对于第二电极结构108的第二导电 层110的偏转导致第一和第二电极结构102、108之间的电容CACTIVE的改变。根据实施例，第一导电层可以附加地包括在第一导电层103 的至少三个部分之间提供电隔离的多分段(图1a和图1b中未示出)。
备选地，第二电极结构108的第二导电层110可以形成可移动(可 偏转)薄膜元件，其中第一电极结构102的第一导电层103可以相对 于薄膜元件(第二导电层)110形成对电极(背板)。因此，根据实 施例，至少第二电极结构以及还有任选的第一电极结构可以包括相应 (第一和/或第二)导电层103、110的多分段。
在第一电极结构102包括位于第一导电层103中的多分段(图1a 和图1b中未示出)的情况下，多分段在第一导电层103的第一部分、 第二部分和第三部分之间提供电隔离，其中第一部分是第一导电层 103的中心部分，第二部分是第一导电层103的边界部分，以及第三 部分是第一导电层103的位于第一导电层103的第一和第二部分之间 的中间部分。因此，第一导电层103的多个(“m”个)间隙可以布 置在第一导电层103的分段区域112-B中。第二导电层110中的多个 间隙可以布置在第二导电层110的分段区域112-A中。在相对于图 1b的平面图的垂直投影中，第一和第二导电层103、110的分段区域 112-A、112-B可以布置在至少部分重叠或一致配置中。
电容式MEMS设备100可进一步包括第三电极结构(图1a和图 1b中未示出)，其包括第三导电层。第三导电层可以包括又一多分段， 其在第三导电层的至少三个部分之间提供电隔离(图1a和图1b中未 示出)。第三导电层可以与第一导电层组合或与第二导电层组合形成 双背板或双薄膜配置。如果第二和第三电极结构机械耦合的话，第二 电极结构的偏移还可以导致第三电极结构的对应偏移。
中间区域106可以实施为低压区域，例如真空区域或近真空区域， 其位于第二和第三电极结构之间。备选地，(至少)第二和第三电极 结构可以被穿孔，其中中间区域106可以具有(近似)等于环境压力 的(流体)压力。
因此，第二导电层110的第一部分110-1是导电层110的中部或 中心部分，其中导电层110的第二部分110-n是第二导电层110的边 缘或外围部分(锚定或支持在支持元件113上)。因此，中部或中心 部分110-1可以认为是导电层110的“电有源”部分，并且形成可变 有源电容CACTIVE，其贡献电容式MEMS设备的有用电容。可变有源 电容CACTIVE形成在第二导电层的可偏移部分110-1和包括第一导电 层103的第一电极结构102之间。备选地，在第一电极结构102的第 一导电层103形成可移动(可偏转)薄膜元件且第二电极结构108的 第二导电层110相对于薄膜元件(第一导电层)形成对电极(背板) 的情况下，可变有源电容CACTIVE形成在第二导电层的中部或中心部 分110-1与第一导电层103的可移动(可偏转)部分102a之间。
任选地，如图1a所示，第二导电层110的第二部分110-n可以通 过连接元件118电耦合至第一导电层103。如图1a示意性所示，第一 电极结构102可以暴露给环境压力(或压力变化)，并且潜在地暴露 给声音压力PSOUND或声音压力变化ΔPSOUND。电容式MEMS设备的这 一面还被认为是MEMS设备100的声音接收主面，其中环境压力改 变会导致第一电极结构102的偏移。如图1a和图1b所示，第二电极 结构108的多分段(结构)112提供多分段第二导电结构110，其中 第二导电层110的多分段112被布置为在第二导电层110的至少三个 部分110-1、110-2、110-n之间提供电隔离，即，在第二导电层110 的第一(有源)部分110-1和第二导电层110的又一(基本无源)部 分110-2、110-n之间提供电隔离。在第一电极结构102的可偏移部分 102a和第二导电层110的第一(有源)部分110-1之间观察到可变有 源电容CACTIVE。因此，有源电容CACTIVE可以响应由电容式MEMS设 备100的环境中的语音、音乐、噪声等引起的声音压力变化ΔPSOUND。
在图1a和图1b的电容式MEMS设备100的情况下，第一和第二 电极结构102、108可以具有矩形形状，其中多个圆周窄间隙/凹部形 式(例如，多个分段凹槽的形式)的多分段结构112也可以包括例如 矩形的圆周形状。然而，在另一配置中，第一和第二电极结构102、 108还可以具有圆形的形状，其中分段结构也可以圆形地形成。与第 一和第二电极结构102、108的形状无关，多个圆周窄间隙112形式 的多分段结构可以具有任何适当的形状，例如圆形、矩形、近似多边 形的圆周形状。第二电极结构108的(至少一个)导电层110可以由 导电材料制成或者可以包括导电材料，例如硅、多晶硅或任何金属化 材料。
通过提供第二电极结构108的第二导电层110的多分段，可以显 著减小耦合电容，因为第二导电层110的分离和绝缘(无源)部分 110-2、…110-n不会(或者至多以减少的方式)贡献寄生电容CPAR的创建，其中第二导电层110的第二(无源)部分110-n可以电连接 至第一导电层103。
此外，基于相对电极结构102、108中的一个的导电层至少分为 三个部分的多分段，可以减小分段结构112的耦合电容(当与具有单 条分段线的分段相比时)。串联耦合的多条分段线112-1、…112-m 有效地分解所得到的耦合电容。当与单条分段线相比时，多分段结构 所得到的耦合电容CmSEG减小m倍，其中，m是多分段结构112的分 段线的数量。
基于电极结构的导电层110的多分段，可以随着寄生电容CPAR和耦合或分段电容CmSEG的减小而显著增加MEMS设备的所谓的“变 换因子fTF”。变换因子表示可变有源电容CACTIVE相对于电容式MEMS 设备100的总电容CTOTAL的量或部分。总电容CTOTAL包括电容式 MEMS设备100的有源电容CACTIVE、寄生电容CPAR和多分段电容 CmSEG。更具体地，总电容CTOTAL是有源电容CACTIVE以及寄生电容 CPAR和多分段电容CmSEG的串联连接的累加总和。
图1c示出了MEMS设备200(例如，MEMS声换能器)的示意 性截面图，MEMS设备200包括：第一电极结构102，包括第一薄膜 或隔膜元件；第二电极结构108，包括多分段对电极；以及第三电极 结构104，包括第二薄膜或隔膜元件，其中第二薄膜元件104与第一 薄膜元件102隔开，并且其中对电极108隔在第一和第二薄膜元件 102、104之间。
中间区域106可以实施为低压区域(例如，真空区域或近真空区 域)，其位于第一薄膜元件102和第二薄膜元件104之间，其中低压 区域106可以具有小于环境压力的(气体或流体)压力。备选地，电 极结构102、104可以被穿孔，其中中间区域106可以具有(近似) 等于环境压力的(气体或流体)压力。
第二电极结构108(即，对电极结构或背板结构108)包括(至 少一个)导电层110，其至少部分地布置在中间区域106中或者在中 间区域106中延伸。导电层110包括多分段112，在第二导电层110 的至少三个部分110-1、110-2、110-n之间提供电隔离或分离。如图 1c所示，多分段112在第二导电层110的第一部分110-1、第二部分 110-n和第三(中间)部分110-2之间提供电隔离，其中第一部分110-1 是第二导电层110的中心部分(有源部分)，第二部分110-n是第二 导电层110的边界部分(边缘部分)，以及第三部分110-2是第一导 电层的位于第二导电层110的第一和第二部分110-1、110-n之间的中 间部分。
为了允许MEMS设备200的差分读出，外部部分110-n可以与部 分110-1、110-2电隔离。因此，单个导电层110的电隔离外部部分 110n可以电连接至可移动薄膜元件102、104中的一个，以避免两个 薄膜元件102、104的短路。例如，通过偏置导电层110的内部部分 110-1，两个薄膜元件102、104可以被差分读出。
如上所述，对电极结构108可以包括(至少)一个导电层110， 其中以下说明等效地应用于例如具有两个(或多个)电隔离/绝缘导电 层的对电极结构108的布置。
进一步如图1c所示，(任选的)间隔元件113、114可以布置在 第一薄膜元件102和对电极结构108之间以及第二薄膜元件104和对 电极结构108之间，用于保持第一和第二薄膜元件102、104与对电 极结构108相距预定距离。
还如图1c所示，第一薄膜元件102包括可偏移(可移动)部分 102a和固定部分102b，其中第二薄膜元件104包括可偏移或可移动 部分104a和固定部分104b。第一薄膜元件102的固定部分102b例如 机械地附接至第一间隔元件113，其中第二薄膜元件104的固定部分 104b机械地附接至第二间隔件114。此外，对电极结构108例如(以 夹置方式)固定在第一和第二间隔元件113、114之间。因此，导电 层110的第一(内部)部分110-1布置在第一薄膜元件102的可偏移 部分102a和第二薄膜元件104的可偏移部分104a之间。
因为导电层110的第一部分110-1是导电层110的中央或中心部 分且导电层110的第二部分110-n是导电层110的边缘或外围部分， 所以中央或中心部分110-1可以认为是导电层110的“电有源”部分， 其贡献有用电容CACTIVE，由此贡献传感器输出信号的有用信号分量。
因此，可变有源电容CA和CB组合形成有用电容CACTIVE。可变有 源电容CA形成在第一薄膜元件102的可偏移部分102a和对电极结构108(即，导电层110的第一部分110a)之间，其中可变有源电容CB形成在第二薄膜元件104的可偏移部分104a和对电极结构108(即， 导电层110的第一部分110a)之间。
任选地，如图1c所示，导电层110的第二部分110-n可以通过第 一连接件118电耦合至第一薄膜元件102，并且通过第二(任选的) 连接元件120电耦合至第二薄膜元件104。第一和第二薄膜元件102、 104可以机械地耦合。此外，第一和第二薄膜元件102、104还可以电 耦合或者可以电去耦(绝缘)。备选地，第一和第二薄膜元件102、 104可以电去耦(绝缘)用于其差分读出。
第一或第二薄膜元件102、104的(任选)机械耦合产生了以下 配置：由于机械耦合，第一和第二薄膜元件102、104中的一个的偏 移还导致另一薄膜元件的对应偏移。因此，第一和第二薄膜元件102、 104的偏移“并行”发生。
在中间区域106被实施为低压区域(例如，真空区域或近真空区 域)的情况下，低压区域106可以定位在密封腔内，其形成在第一和 第二薄膜元件102、104之间。更具体地，可以通过第一和第二薄膜 元件102、104以及第一和第二间隔元件113、114来限定密封腔。低 压区域106中的压力可以基本为真空或近似为真空。
如示意性示出的，第一薄膜元件102(和/或第二薄膜元件104) 可以被暴露给环境压力以及潜在的声压PSOUND。薄膜元件的这一侧还 可以认为是MEMS设备200的声音接收主面。如果机械耦合的话， 第一薄膜元件102的偏移还可以导致第二薄膜元件104的对应偏移。 低压区域106可以具有通常低于环境压力或标准大气压的压力。
更具体地，根据一个实施例，低压区域中的压力可以基本为真空 或近似真空。备选地，低压区域中的压力可以小于环境压力或标准大 气压的约50％(或40％、25％、10％或1％)。标准大气压通常可以 为101.325kPa或1013.25mbar。低压区域中的压力还可以表示为绝 对压力，例如小于50、40、40或小于10kPa。
备选地，电极结构102、104可以被穿孔，其中中间区域106可 以具有(近似)等于环境压力的(流体)压力。
如下面的图6所示，又一实施例提供了操作电容式MEMS设备 的方法，其中电容式MEMS设备包括：第一电极结构，包括第一导 电层；第二电极结构，包括第二导电层；以及第三电极结构，包括第 三导电层，其中第二导电层至少部分地位于第一和第三导电层之间， 其中第二导电层包括在第二导电层的至少三个部分之间提供电隔离 的多分段，该方法包括单端或差分地读出第二电极结构的步骤。
上面对于(至少一个)导电层110中的多分段线的形状的说明可 对应地应用于在第一和第二薄膜元件102、104中的至少一个中设置 多分段的情况，这将在下面参照图1d和图1e来描述。
图1d和图1e示出了又一示例性MEMS设备400(例如，电容式 MEMS声换能器(真空MEMS麦克风或真空MEMS扬声器))的示 意性截面图，其包括第一多分段薄膜元件402以及与第一薄膜元件 402隔开的第二多分段薄膜元件404。
电容式MEMS设备400包括第一电极结构408，其包括第一导电 层410。
电容式MEMS设备400还包括第二电极结构402，其包括第二导 电层403，其中第二导电层403至少部分地与第一导电层410相对， 其中第二导电层430包括在第二导电层的至少三个部分之间提供电隔 离的多分段412。多分段412在第二导电层403的至少第一部分403-1、 第二部分403-n和第三部分403-2之间提供电隔离，其中第一部分 403-1是第二导电层403的中心部分，第二部分403-n是第二导电层 的边界部分，以及第三部分403-2是第二导电层403的位于第二导电 层403的第一和第二部分403-1、403-n之间的中间部分。
电容式MEMS设备400还包括第三电极结构404，其包括第三导 电层405，其中第三导电层405包括在第二导电层405的至少三个部 分之间提供电隔离的又一多分段424。又一多分段424在第三导电层 405的至少第一部分405-1、第二部分405-n和第三部分405-2之间提 供电隔离，其中第一部分405-1是第三导电层405的中心部分，第二 部分405-n是第三导电层405的边界部分，以及第三部分405-2是第 三导电层405的位于第三导电层405的第一和第二部分405-1、405-n 之间的中间部分。
如图1d所示，第一电极结构408可以形成对电极结构408，第二 电极结构402可以形成第一多分段薄膜元件402，以及第三电极结构 404可以形成电容式MEMS设备400的第二多分段薄膜元件404。
如第二和第三导电层403、405的多分段412、424的放大示意性 细节图所示(虚线412-X、424-X)，多分段412、424分别在第二和 第三导电层中包括“m＝2”个间隙412-1、412-m以及424-1、424-m， 间隙提供第二和第三导电层403、405的n＝3个相邻部分403-1、403-2、 403-n以及405-1、405-2、405-n之间的电隔离。通常，多分段412、 424可以包括“m”个间隙(m＝2、3、4、5…)，分别产生第二和第 三导电层403和405的“n”个电隔离部分，其中“n＝m+1”。非导 电连接结构421分别机械地连接第二和第三导电层403和405的相邻 部分403-1、403-2、403-n以及405-1、405-2、405-n。
中间区域406可以实施为低压区域，其定位在第一和第二薄膜元 件402、404之间，其中低压区域406可以具有小于环境压力的(气 体或流体)压力。备选地，电极结构402、404可以被穿孔，其中中 间区域406可以具有(近似)等于环境压力的(流体)压力。
对电极结构408包括第一导电层410，其至少部分地布置在中间 区域406中或者在中间区域406中延伸。第一薄膜元件402包括在第 一薄膜元件402的至少三个部分403-1、403-2、403-n之间提供电隔 离的多分段412。第一薄膜元件402的多分段412可以包括位于第一 薄膜元件402中的圆周间隙412-1、412-m(例如，窄间隙、凹槽、狭 缝、分离线或分段线的形式)。
第二薄膜元件404包括在第二薄膜元件404的至少三个部分 405-1、405-2、405-n之间提供电隔离的又一多分段424。第二薄膜元 件404的多分段424可以包括第二薄膜元件404中的圆周间隙424-1、 424-m(例如，窄间隙、凹槽、狭缝、分离线或分段线的形式)。
第一薄膜元件402的多分段412和第二薄膜元件404的多分段 424可以相等地实施或实现，并且可以具有与参照图1a至图1c和图 1f描述的第二导电层110的多分段112相同的结构。
第一薄膜元件402可以至少部分地覆盖有绝缘材料或嵌入到绝缘 材料中(图1d中未示出)，其中第二薄膜元件404也可以覆盖有绝 缘材料或嵌入到绝缘材料中(图1d中未示出)。对电极结构408的 第一导电层410可以类似地至少部分覆盖有绝缘材料或嵌入到绝缘材 料中(图1d中未示出)。第一薄膜元件402的第二部分403-n和第 二薄膜元件404的第二部分405-n可以通过第一和第二连接422、423 与第一导电层410电连接。
因此，连接元件422、423在对电极结构408的第一导电层410 和分段薄膜402、404的外部部分403-n、405-n之间提供电连接。如 图1d所示，对电极结构408(背板)可以是均匀的导电层410。
MMES设备400可以进一步包括用于机械地耦合第一薄膜元件和 第二薄膜元件402、404的一个或多个柱(图1d和图1e中未示出)。 在对电极结构408具有单个导电层410的情况下，柱(图1d中未示 出)确保机械耦合但是不确保两个薄膜元件402、404之间的电连接。 因此，柱可以至少部分地由绝缘材料制成。
此外，第一间隔元件413被布置在第一薄膜元件402和对电极结 构408之间，第二间隔元件414布置在第二薄膜元件404和对电极结 构408之间。此外，第一薄膜元件402中的多分段412可以横向地定 位在第一间隔元件413的外部，其中第二薄膜元件404中的第二多分 段424也可以横向地定位在第二间隔元件414的外部。
如图1e所示，对电极结构408可以进一步包括第四导电层411， 其中第四导电层411通过绝缘材料415与第一导电层410电隔离。第 一导电层410与绝缘材料415相对的表面还可以至少部分地被绝缘材 料418覆盖。类似地，第四导电层411与绝缘层415相对的表面也可 以至少部分地被又一绝缘材料420覆盖。第一薄膜元件402的第二部 分403-n例如通过电连接或布线422与第一导电层410电耦合，其中 第二薄膜元件404的第二部分405-n例如通过电连接元件或布线423 与第四导电层411电连接。此外，任选的电连接430可以设置在第一 和第四导电层410、411之间。
至少部分地由绝缘材料制成的柱(图1e中未示出)可以确保机 械耦合但是不确保两个薄膜元件402、404之间的电连接。
备选地，提供第一和第二薄膜元件402、404之间的机械耦合的 一个或多个柱(图1e中未示出)还可以是导电的，也用于在第一和 第二薄膜元件402、404之间提供电连接，尤其在第一和第二薄膜元 件402、404的第一部分402a、404a之间提供电连接。
关于图1d和图1e所示的MEMS麦克风，应该注意，以下示出的 用于MEMS设备100的差分读出配置可对应地应用于MEMS设备 400。
除了MEMS设备100或200(如图1a至图1c所示)和MEMS 设备400(如图1d和图1e所示)的薄膜元件402、404的对电极结构 108的具体分段，MEMS设备400(图1d和图1e)的元件的特性、 尺寸和材料与MEMS设备100、200的元件的特性、尺寸和材料相当。 更具体地，在附图和说明书中，相同元件和具有相同功能和/或相同技 术或物理效果的元件通常设置有相同的参考标号和/或具有相同名称， 使得在不同实施例中示出的这些元件及其功能的描述相互可交换，或 者可以在不同实施例中相互应用。
此外，应用于图1a和图1b所示MEMS设备100的基本相同或(至 少)可比较的读出配置可以应用于图1c所示的MEMS设备200和如 图1d和图1e所示的MEMS设备400。例如，与图5a至图5g的各种 读出配置相比，图1d和图1e中的MEMS设备400的可能读出配置 可以相对于其与例如参考电位V(V1、V2)和读出电路的相应连接(仅) 包括薄膜和对电极之间的倒转(或交换)。
例如，对于图1d的MEMS设备400，导电层410可以被极化， 即设置有参考电位V，其中第一和第二薄膜元件402、404(没有电连 接)可以被差分读出。备选地，第一和第二薄膜元件402、404可以 被极化，即设置有参考电位V，其中导电层410可以被单端读出。
为了操作图1e中的MEMS设备400，第一和第二薄膜元件402、 404可以被极化，即设置有参考电位V，并且可以电连接，其中第一 和第四导电层410、411(没有电连接)可以被差分读出。备选地，对 于图1e中的MEMS设备400，对电极结构408的第一和第四导电层 410、411(没有电连接)可以被不同地极化，即设置有不同的电位 V1、V2，其中第一和第二薄膜元件402、404(可以电连接)可以被 单端或差分读出。
关于这点，参考示出了用于电容式MEMS设备100的典型读出 配置中的电容式MEMS设备100的不同电容部分CACTIVE、CPAR、CmSEG的示意性电路图的图1f。如图1f所示，第二导电层110的多分段112 在第二导电层110中包括“m＝3”个间隙112-1、112-m，间隙112-1、 112-m提供第二导电层110的n＝4个相邻部分之间的电隔离。如图1f 所示，与电容式MEMS设备100的可变有源电容CACTIVE平行，布置 寄生电容CPAR和耦合电容CmSEG的串联连接，其中可以在差分读出配 置中读出所得到的电容CTOTAL。
如图1f所示，多分段电容CmSEG是m＝3个耦合电容CmSEG的串联 连接，使得CmSEG＝1/m CSEG。
以下等式表示所谓的转印因子，当进一步考虑电容式MEMS设 备100的寄生电容CPAR和多分段电容CmSEG时，表示可变有源电容 CACTIVE相对于电容式MEMS设备100的总电容CTOTAL的量或部分。
上述公式表示寄生电容CPAR和耦合电容CmSEG的至少一个的减 小，使得变换因子fTF增加，进一步使得提供给放大器AMP的MEMS 设备的读出输出信号的减小阻尼(衰减)。
以下，基于用于电容式MEMS设备100(例如，电容式MEMS 麦克风的形式)的示例性电容值给出示例性配置：
-CACTIVE＝2pF
-CPAR＝2pF
-CSEG(m＝1)＝0.7pF
-CmSEG(m＝3)＝0.23pF
-分段线112-1、…112-m
(4mm长的线，0.2μm宽，0.5μm高，填充有Si3N4)
单分段(m＝1)：transfer_factor～80％
三分段(m＝3)：transfer_factor～91％
因此，信号中14％的获胜等效于～1dB信号以及可能的信噪比。
对于示例性电容性MEMS设备100，基于一条分段线的以下几何 值(4mm长的线，0.2μm宽，0.5μm高，填充有Si3N4)，假设(可 变)有源电容CACTIVE具有2pF，寄生电容CPAR也具有2pF，并且耦 合电容CSEG(单分段，m＝1)具有0.7pF以及(三分段，m＝3)具有 0.23pF。
因此，在单分段线(m＝1)增加到约0.91(91％)的变换因子fTF (三分段结构(m＝3)，即三个(m＝3)耦合电容CSEG的串联)的情 况，上述变换因子从fTF＝0.8(80％)。因此，所得到的提供给读出电 路的读出信号可以增加约14％，这等效于高约1dB的信号，相应地增 加了信噪比。
根据实施例，提供第二导电层110的至少三个部分110-1、110-2、 110-n之间的电隔离的多分段结构112允许减小窄间隙112-1、112-m 的宽度。因此，当与用于(单)分段结构的单分段线的几何要求相比 时，将第二导电层的不同相邻部分相互隔开的多分段线 112-1、…112-m可以有效地实现有减小宽度(<1μm)和/或实现有氧 化物或氮化物材料的相对较高的介电常数。
基于多分段结构112，可以提供用于桥接第二导电层110的相邻 部分的具有介电层(例如具有氧化物或氮化硅材料)的机械连接。例 如，该实施方式可应用于双背板声换能器/麦克风。基于多分段结构112，可以在电极结构的导电层中提供相对窄的间隙，其可以被介电 层封闭。基于多分段结构112，窄间隙可以被选择为不宽于第二导电 层112的厚度的两倍。因此，例如通过所谓的“保形沉积”(真空)， 可以封闭窄间隙，而不形成任何种类的(剩余)凹槽，使得可以避免 所得到的电极结构108的任何机械弱化。
此外，基于多分段结构112，第二导电层110的边界处的多分段 线的剩余耦合电容(其通常为几微米长)可以保持相对较低，并且可 以保持得到的电容式MEMS设备的寄生电容相对较低。
图2a至图2c现在提供了包括图1a至图1c所示多分段结构112 的第二导电层110的区域的不同示意性平面图(增加放大倍数)。多 分段结构112可以包括第二导电层110的三分段(m＝3)，具有第二 导电层的两个相邻中间部分110-2、110-3，其中三分段具有三个间隙 112-1、112-1、112-m。在三分段的情况下，三分段提供了第二导电层 110的四个部分110-1、110-2、110-3、110-n之间的电隔离，其中第 一部分110-1是第二导电层110的中心部分，第二部分110-n是第二 导电层110的边界部分，以及其中第二导电层的第三和第四部分 110-2、110-3是第二导电层的位于第二导电层110的第一和第二部分 110-1、110-n之间的相邻中间部分。
图3a至图3f现在以示例性形式提供了由图1a至图1f中的虚线 112-X表示的多分段112的多个放大示图。在图3a至图3f中，表示 多分段结构112包括两个(m＝2)窄间隙，其在第二导电层的至少三 个部分之间提供电隔离。然而，应该清楚，以下说明可等效地应用于 多分段112，其包括m个间隙(分段线)，产生第二导电层的n个分 段部分(n＝m+1)。
图3a示出了导电层110被隔离层111覆盖(至少在与多分段 112-1、112-m相邻的区域中)的配置，其中导电层110中的间隙112-1、 112-m至少部分地填充有绝缘层111的材料，使得提供了导电层110 的第一部分110-1和第二部分110-n之间的电隔离机械连接。因此， 例如可以通过所谓的“保形沉积”(真空中)接近窄间隙。
图3b示出了多分段112的配置，其中导电层110的第一和第二 部分110-1、110-2之间的间隙112-1、112-m被隔离层111的材料完 全填充，并且其中导电层110(至少在与分段112相邻的区域112-A 中)被隔离层111的材料覆盖。
图3c示出了多分段112的配置，其中导电层110的第一和第二 部分110-1、110-2之间的间隙112-1、112-m完全填充有隔离层111 的材料，其中导电层110的第一主面110A(至少在与分段112相邻 的区域112-A中)被隔离层111的材料覆盖，并且隔离层111的材料 延伸(到鼻部111-1中)到达导电层110的第二主面110B。这里，隔 离层111(在图3c的截面图中)具有“铆钉”形状。
图3d示出了多分段112的配置，其中导电层110的第一和第二 部分110-1、110-n之间的间隙112-1、112-m被完全填充有隔离层111 的材料，并且其中导电层110(至少在与分段112相邻的区域112-A 中)完全嵌入在隔离层111的材料内。
图3e示出了隔离层111(至少在与分段112相邻的区域112-A中) 覆盖导电层110的第二表面110B(即，第一和第二部分110-1、110-n) 的配置，其中位于导电层110的第一和第二部分110-1、110-n之间的 间隙112-1、112-m没有隔离层111的任何隔离材料(即，不包括任 何隔离材料)。
图3f示出了(只有)位于导电层110的第一和第二部分110-1、 110-n之间的间隙112-1、112-m填充有形成分段112的绝缘材料的配 置，分段112在导电层110的第一和第二部分110-1、110-n之间提供 电隔离机械连接。
如图3a至图3f所示，隔离层111(隔离支持层111)可以(至少 在与分段112相邻的区域112-A、112-B中)设置在导电层110上。 隔离层111可以设置在导电层110的整个区域上方或者仅设置在导电 层110的一部分或不同分段上方。隔离层111可以设置在导电层110 的第一或第二表面区域110A、110B上。隔离层111可以包括二氧化 硅、氮化硅、高k介电质，诸如氮氧化硅、聚酰亚胺或它们的组合。
为了清楚，图3a至图3f前面关于图1a至图1c所示导电层110 的多分段的讨论可等效地应用于图1d和图1e所示导电层403、405 的多分段。
图4a和图4b示出了分段对电极结构108及其一部分(在导电层 110中包括分段凹槽/间隙112-1、112-m)的示意性平面图。
如图4a所示，(近似封闭的)圆周窄间隙112-1、112-m布置在 导电层110中，其中以至少部分重叠或一致的配置，在相对于图4b 的平面图的垂直投影中，可以布置第一和第二导电层103、110的分 段区域112-A、112-B。锚定区域限定位于第一电极结构102和第二 电极结构108之间的间隔元件113的区域。
如图4b所示，相对于(穿孔)对电极结构108的放大部分图， 可以在导电层110中设置开口或孔108a。例如，由于应力释放原因， 可以设置导电层110中的孔108a。为了避免所得到的对电极结构108 的机械鲁棒性不期望的减小，圆周多分段结构112可以具有例如窦道 状路线的路线，以避免对电极结构108的导电层110中孔108a的连 接或交叉。应该注意，可以选择或适应相应分段线的任何其他适当形 状(例如，锯齿等)，使得圆周窄间隙112-1、112-m与对电极结构 108中的孔既不接触也不交叉。
上文关于导电层110中的多分段线的形状的解释可相应地应用于 在第一导电层103中设置多分段的情况。
以下，图5a至图5g示出了包括电容式MEMS设备100的MEMS 声换能器200的不同实施方式的示意性截面图和相关示意性电路图， 示出了用于电容式MEMS设备100的不同读出配置。以下解释可应 用于所谓的真空MEMS麦克风以及具有穿孔电极结构的MEMS麦克 风。
图5a至图5g示出了不同的示意性电路图，示出用于上述MEMS 设备100(例如，MEMS麦克风)的不同示例性读出配置，其具有多 分段112的电极结构。
图5a示出了示意性电路图，示出用于MEMS设备200的示例性 读出配置，其具有包括一个有源导电层110的多分段对电极结构108。 如图5a所示，第二导电层110的第一部分110-1连接有电位V1，使 得第一部分110-1利用电压V1极化。图5a还示出了第二电极结构102 和第三电极结构104。第一电极结构102可以包括第一薄膜元件。第 三电极结构102可以包括第二薄膜元件。同时，第一薄膜元件102和 第二薄膜元件104包括薄膜结构，并且可以通过差分放大器306读出， 其中第一和第二薄膜元件102、104均连接至不同放大器306(提供输 出信号SOUT)的不同输入连接。第二薄膜元件104可以包括可偏移或 可移动部分104a和固定部分104b。因此，图5a提供了用于具有一个 导电层的真空MEMS麦克风200的差分读出配置。因此，放大器306 可以被配置为读出或处理由第一薄膜元件102的偏转和第二薄膜元件 104的偏转所生成的信号，并且提供输出信号SOUT。
关于图5a的配置，应该注意，可以机械地耦合在第一和第二薄 膜元件102、104之间的、用于提供第一和第二薄膜元件102、104之 间的机械耦合的柱(图5a中未示出)不应该在第一和第二薄膜元件 102、104之间提供电连接，以允许第一和第二薄膜元件102、104的 差分读出配置。因此，确保第一和第二薄膜元件102、104之间的机 械耦合的柱不提供两个薄膜元件之前的电连接，其中这种柱可以由绝 缘材料制成，如硅、氮、氧化硅、聚合物或前述材料的组合或者前述 材料与导电层(例如，硅)的组合，假设柱的导电部分通过绝缘材料 与薄膜元件102、104分离。
关于具有单个导电层110作为对电极结构108的MEMS麦克风 200的差分读出配置，应该注意，(单个)导电层110(即，对电极) 被分为外部部分110-n和内部部分110-1。因此，单个导电层110的 外部部分110-n分别电连接至可移动薄膜元件102、104中的一个， 以避免两个薄膜元件102、104的短路。通过偏置对电极110的内部 部分110-1，可以差分地读出两个薄膜元件102、104。
作为备选和可能的实施方式，可移动薄膜元件102可以电连接至 单个导电层110的外部部分110-n(例如，在一个部分中)，其中又 一薄膜元件104不电连接至单个导电层110的外部部分110-n。作为 又一可能的实施方式，可移动薄膜元件104可以电连接至单个导电层 110的外部部分110-n(例如，在一个部分中)，又一薄膜元件102 不连接至单个导电层110的外部部分110-n。
图5b示意性示出了MEMS麦克风200如何可以电连接至电源电 路和读出放大器的示例。MEMS麦克风200可以具有双(第二)导电 层110、110’作为多分段对电极结构(第二电极结构)108。导电层 110、110’分别被分为外部部分110-n、110-n’、中间部分(图5b中未 示出)以及内部部分110-1、110-1’。图5b示出了可能连接的示例， 其中其他布置和配置也是可以的。MEMS麦克风可以形成在衬底126 的表面上。衬底126中的凹部或孔128形成与第二薄膜元件104相邻 的背侧腔128。
在图5b中，第一和第二薄膜元件102、104可以通过薄膜连接302 连接(例如，接地)至电参考电位VREF(例如，地电位)。导电层 110的第一部分110-1可以连接至第一连接304到达第一电源电路 307，并且还连接至放大器306的第一输入。第一电源电路307包括 电压源308(提供第一电位V1)以及具有非常高电阻(几千兆欧姆或 更大)的电阻器310。放大器306可以是差分放大器。导电层110’的 第一部分110’-1可以连接至第二连接312到达第二电源电路313以及 放大器306的第二输入。第二电源电路313包括第二电压源314(提 供第二电位V2)以及通常与第一电阻器310具有相同电阻的第二电 阻器316。第一和第二电源电路307、313分别针对电参考电位VREF (例如，地电位)电偏置双导电层110、110’的第一部分110-1、110’-1。
当薄膜结构响应于将要到达的声压偏转时，分别由于第一薄膜元 件102与导电层110的第一部分110-1之间以及第二薄膜元件104与 导电层110’的第一部分110’-1之间的可变电容CA、CB，双导电层110、 110’的第一部分110-1、110-1’处的电位可以在相对方向上改变。这在 图5b中通过第一波形317和第二波形318来示意性示出，这两个波 形可以分别在放大器306的第一和第二输入中馈送。放大器306可以 基于输入信号304和312(具体地，输入信号的差)生成放大输出信 号320。然后，放大输出信号320可以被提供给其他部件用于后续的 信号处理，例如模数转换、滤波等。因此，放大器306可以被配置为 读出或处理由第一薄膜元件102的偏转和第二薄膜元件104的偏转生 成的信号304、312，并且提供输出信号SOUT。
图5c示出了用于MEMS设备200的又一示例性读出配置的示意 性电路图。MEMS设备200可以具有双(第二)导电层110、110’作 为多分段对电极结构(第二电极结构)108。导电层110、110’被分别 分为外部部分110-n、110’-n、中间部分(图5c中未示出)和内部部 分110-1、110’-1。如图5c所示，第一和第二薄膜元件102、104与电 压源350连接以施加用于第一和第二薄膜元件102、104的参考电位 V。这提供了薄膜结构(即，第一和第二薄膜元件102、104)利用电 位V的极化。此外，双导电层110、110’的第一部分110-1、110-1’ 分别连接至用于提供电容式MEMS设备200(MEMS麦克风)的差 分读出配置的差分放大器306的不同输入连接。因此，根据图5c的 配置，薄膜结构102、104的偏转可响应于将要到达的声压/声信号而 发生，并且可以通过放大器306来提供指示薄膜结构102、104的偏 转的对应输出信号SOUT。因此，放大器306可以被配置为读出或处理 由第一薄膜元件102的偏转和第二薄膜元件104的偏转所生成的信 号，并且提供输出信号SOUT。
因此，可移动部分102、104(即，第一和第二薄膜元件102、104) 被电压V1极化，其中在静态电极108(即，双导电层110、110’的第 一部分110-1、110’-1)上进行差分感测/读出。
图5d示出了用于MEMS设备200的又一示例性读出配置的示意 性电路图。MEMS麦克风200可以具有双(第二)导电层110、110’ 作为多分段对电极结构(第二电极结构)108。导电层110、110’分别 被分为外部部分110-n、110’-n、中间部分(图5d中未示出)和内部 部分110-1、110’-n。更具体地，如图5d所示，导电层110的第一部 分110-1连接至第一电位V1，即利用第一电压V1极化(偏置)，其 中导电层110’的第一部分110’-1连接至第二电位V2，使得导电层110’ 的第一部分110’-1利用第二电压V2极化。
薄膜结构102、104(即，第一和第二薄膜元件102、104)连接 至(单端)放大器309的公共输入连接，用于基于单端读出配置提供 放大输出信号SOUT。由于双导电层110、110’的第一部分110-1、110’-1 的极化，薄膜结构102、104的偏转导致第一和第二薄膜元件102、104 处的电位可以重叠方式馈送给放大器309的输入。
总而言之，静态薄膜(对电极结构108)的两个电极(双导电层 110、110’的第一部分110-1、110’-1)利用不同的电压V1、V2(例如， 相对电压，V2＝-V1)极化(偏置)。因此，可以基于单端放大器配 置(单端读出)来读出薄膜结构。放大器309可以被配置为读出或处 理通过第一薄膜元件102的偏置和第二薄膜元件104的偏置生成的信 号，并且提供输出信号SOUT。
图5e示出了用于图1d所示MEMS设备400的示例性读出配置的 示意性电路图。MEMS设备(真空MEMS麦克风)400包括多分段 第一薄膜元件402、多分段第二薄膜元件404(其与多分段第一薄膜 元件402隔开)以及包括导电层410(至少部分地布置在多分段第一 和第二薄膜元件402、404之间)的对电极结构408。第一薄膜元件 402的第二部分402-n和第二薄膜元件404的第二部分404-n可以通 过第一和第二连接422、423与导电层410电连接。
例如，对于图1d中的MEMS设备400，导电层410可以被极化， 即设置有来自电压源350的参考电位V，其中，第一薄膜元件402的 第一部分402-1和第二薄膜元件404的第一部分404-1(没有电连接) 可以通过差分放大器306来差分地读出。因此，放大器306可以被配 置为读出或处理通过第一薄膜元件402的偏置和第二薄膜元件404的 偏置生成的信号，并且提供输出信号SOUT。
备选地(未示出)，第一和第二薄膜元件402、404(更具体地， 第一薄膜元件的第一部分402-1和第二薄膜元件的第一部分404-1) 可以被极化，即提供有来自电压源350的参考电位V，其中导电层410 可以被单端读出。
图5f示出了用于图1d所示MEMS设备400的示例性读出配置的 示意性电路图，其中MEMS设备200可以电连接至电源电路和读出 放大器。MEMS设备(真空MEMS麦克风)400包括多分段第一薄 膜元件402、多分段第二薄膜元件404(其与多分段第一薄膜元件402 隔开)以及包括导电层410的对电极结构408(其至少部分地布置在 多分段第一和第二薄膜元件402、404之间)。第一薄膜元件402的 第二部分403-n和第二薄膜元件404的第二部分405-n可以通过第一 和第二连接422、423与对电极结构408的导电层410电连接。
在图5f中，对电极结构408(以及第一薄膜元件402的第二部分 403-n和第二薄膜元件404的第二部分405-n)可以通过薄膜连接302 连接(例如，接地)至电参考电位VREF(例如，地电位)。
第一薄膜元件402的第一部分403-1可以电连接至第一连接312 到达第一电源电路307，并且还连接至放大器306的第一输入。第一 电源电路307包括电压源308(提供第一电位V1)和具有高电阻(例 如，几千兆欧姆或更大)的电阻器310。放大器306可以是差分放大 器。
第二薄膜元件404的第一部分405-1可以电连接至第二连接304 到达第二电源电路313以及放大器306的第二输入。第二电源电路313 包括第二电压源314(提供第二电位V2)和通常与第一电阻器310 具有相同电阻的第二电阻器316。第一和第二电源电路307、313分别 针对电参考电位VREF(例如，地电位)电偏置第一和第二薄膜元件 402、404的第一部分403-1、405-1。
当薄膜结构响应于将要到达的声压PSOUND偏转时，分别由于第一 薄膜元件402的第一部分403-1与导电层4101之间以及第二薄膜元 件404的第一部分405-1与导电层110之间的可变电容CA、CB，第一 和第二导电层402、404的第一部分403-1、405-1处的电位可以在相 对方向上改变。这在图5f中通过第一波形318和第二波形317来示 意性示出，这两个波形可以分别在放大器306的第一和第二输入中馈 送。放大器306可以基于输入信号304和312(具体地，输入信号的 差)生成放大输出信号320。然后，放大输出信号320可以被提供给 其他部件用于后续的信号处理，例如模数转换、滤波等。
为了概述图1e中的MEMS设备400，第一薄膜元件402的第一 部分403-1和第二薄膜元件404的第一部分405-1(没有电连接)可 以不同地极化，即提供有不同的电位V1、V2，其中，第一薄膜元件 402的第一部分403-1和第二薄膜元件404的第一部分405-1可以被 差分地读出。因此，放大器306可以被配置为读出或处理通过第一薄 膜元件402的偏转和第二薄膜元件404的偏转生成的信号304、312， 并且提供输出信号SOUT。
如上所述，对电极结构408可以包括至少一个导电层410、411， 使得上面关于图5e和图5f的解释可等效地应用于具有对电极结构的 布置(其具有两个电隔离/绝缘导电层，例如图1e所示的双导电层410、 411)。
图5g示出了用于图1a和图1b的MEMS设备100的又一示例性 读出配置的示意性电路图。更具体地，如图5g所示，第二导电层110 的第一部分110-1连接至第一电位V1，即利用个第一电压V1极化(偏 置)，其中第一导电层103连接至(单端)放大器309的公共输入连 接，用于基于单端读出配置提供放大输出信号SOUT。导电层110的第 二部分110-n通过电连接元件118电耦合至薄膜元件102的第一导电 层103。由于第二导电层110的第一部分110-1的极化，第一和第二 导电层102、110的偏转导致第一导电层103处电位的改变，其可以 被馈送给放大器309的输入。因此，放大器309可以被配置为读出或 处理通过第一薄膜元件102的偏转生成的信号，并且提供输出信号 SOUT。
又一实施例提供了操作电容式MEMS设备100的方法，其中电 容式MEMS设备包括：第一电极结构102，包括第一导电层102；以 及第二电极结构108，包括第二导电层110，其中第二导电层110至 少部分地与第一导电层103相对，其中第二导电层110包括多分段112 (其提供第二导电层110的至少三个部分之间的电隔离)。该方法包 括单端读出第一电极结构102以及利用参考电位V1极化(偏置)第 二导电层110的第一部分110-1的步骤。
备选地，该方法可以包括单端读出第二导电层110的第一部分 110-1以及利用参考电位V1极化(偏置)第一电极结构102的步骤。
在图6中，又一实施例提供了操作电容式MEMS设备100、200 的方法500，其中电容式MEMS设备包括：第一电极结构，包括第一 导电层；以及第二电极结构，包括第二导电层，其中第二导电层至少 部分地与第一导电层相对，其中第二导电层包括在第二导电层的至少 三个部分之间提供电隔离的多分段，该方法包括单端或差分读出第二 电极结构的步骤510。
在根据所示读出配置(例如，图5e)的又一实施例中，电容式 MEMS设备400还包括第三电极结构404，其包括第三导电层，其中 第三导电层405包括在第三导电层405的第一部分405-1、第二部分 405-n和第三部分405-2之间提供电隔离的又一多分段424，其中第一 部分405-1是第三导电层405的中心部分，第二部分405-n是第三导 电层405的边界部分，以及第三部分405-2是第三导电层405位于第 三导电层405的第一和第二部分405-1、405-n之间的中间部分，并且 其中第二导电层403包括第一薄膜元件402且第三导电层405包括第 二薄膜元件404，该方法还包括利用参考电位Vref极化(偏置)第一 导电层410以及差分地读出第一薄膜元件402的第一部分403-1和第 二薄膜元件404的第一部分405-1的步骤。
在根据所示读出配置(例如，图5f)的又一备选实施例中，电容 式MEMS设备400还包括第三电极结构404，其包括第三导电层405， 其中第三导电层405包括在第三导电层405的第一部分405-1、第二 部分405-n和第三部分405-2之间提供电隔离的又一多分段424，其 中第一部分405-1是第三导电层405的中心部分，第二部分405-n是 第三导电层405的边界部分，以及第三部分405-2是第三导电层405 的位于第三导电层405的第一和第二部分405-1、405-n之间的中间部 分405，并且其中第二导电层403包括第一薄膜元件402且第三导电 层405包括第二薄膜元件404，该方法还包括利用第一参考电位V1 极化第一薄膜元件402的第一部分403-1以及利用第二参考电位V2 极化第二薄膜元件405的第一部分405-1以及差分地读出第一薄膜元 件402的第一部分403-1和第二薄膜元件404的第一部分405-1的步 骤。
在又一实施例中，第一薄膜元件402的第一部分403-1和第二薄 膜元件404的第一部分405-1没有电连接，并且第一和第二参考电位 V1、V2不同。
因此，根据实施例，读出电路306、309被配置为读出或处理电 容式MEMS设备400的至少一个信号，其中通过第一薄膜元件402 的偏转或者通过第一和第二薄膜元件402、404的偏转来生成该至少 一个信号。
图7a至图7f示出了根据一个实施例的形成电容式MEMS设备的 制造方法的示例性流程图600。图7a至图7f示出了上述MEMS设备 100的示例性制造处理的各个阶段或步骤期间相关联的示意性截面。
如形成电容式MEMS设备的方法600的图7a所示，在步骤610 中，第一导电层103、第二导电层110以及位于第一和第二导电层103、 110之间的支持层113-A以堆叠配置进行设置。
如图7a所示，第二导电层110(电极层或顶部电极)可以包括多 晶硅材料，其例如可以具有约500nm(或者300和700nm之间)的厚 度。支持层(牺牲层)113-A可以包括氧化物或氮化物材料，其例如 可以具有约2000nm(或者1500和2500nm之间)的厚度。第一导电 层103(背板或对电极)可以包括多晶硅材料，其例如可以具有约 500nm(或者300和700nm之间)的厚度。
如图7b的步骤620所示，多个间隙112-1、112-m形成在第二导 电层110中，用于在第二导电层110的至少三个部分110-1、110-2、 110-3、110-n之间提供电隔离(即，多分段112)。间隙112-1、112-m 可以通过在导电层110中蚀刻(例如，湿蚀刻)分段凹槽来形成。间 隙112、112-m可以具有200至500nm之间(或100至1000nm)的 宽度W，即层110厚度的大小等级。第二导电层110可以在分段区域 112-A中具有厚度“D1”，其中间隙112-1、112-m具有D1/2和2*D1之间的宽度“W”，其中W通常可在D1的范围内(D1≈W)。例如， 间隙112-1、112-m具有约700nm(或者400和1000nm之间)的间距 “P”。分段区域112-A中的第二导电层110的厚度D1可以在200nm 和1000nm之间，并且可以(近似为)500nm。
如图7c的“任选”步骤630所示，可以进行对支持/牺牲层的任 选“(湿)过蚀刻”，以在支持层(牺牲层)113-A中形成“任选的” (锚定头状)空隙113-1，其中支持层113-A中的空隙位于第二导电 层110中的间隙112-1、112-m之下。
如图7d的步骤640所示，介电层111-A被沉积在第二导电层110 上并且沉积到第二导电层110中的间隙112-1、112-m中。介电层111-A 可以包括介电材料，诸如Si3N4。非导电连接结构111的介电材料具 有100至1000nm之间的厚度D2。在沉积介电层的步骤640中，介电 层可以被沉积为具有间隙112-1、112-m的宽度的至少一半的厚度。 在沉积介电层的步骤中，介电层可以被沉积为具有接近间隙的沉积厚 度，例如利用非导电连接结构的材料完全填充间隙。在沉积介电层的 步骤640中，介电层备选地可以被共形地沉积在第二导电层110上并 且沉积到第二导电层的间隙112-1、112-m中。
如图7e的“任选”步骤650中，介电层可以任选地构造为提供 用于机械地连接第二导电层110的隔离部分110-1、…110-n的非导电 结构的连接。所得到的分段的“覆盖”可以具有约3μm或者2至4μm 之间的宽度WS。
如图7f的步骤660所示，支持材料部分地位于第一和第二导电层 之间，使得支持结构113保持在第一和第二导电层的外围(锚定)区 域中。
因此，图7f主要示出了图1a的电容式MEMS设备的边界区域的 部分示图。从图7f可以看出，设备的中心部分主要贡献传感器部分， 其中设备的边界(边缘)部分主要贡献电容式MEMS设备100的寄 生部分。
根据第一方面，一种电容式MEMS设备可包括：第一电极结构， 包括第一导电层；以及第二电极结构，包括第二导电层，其中第二导 电层至少部分地与第一导电层相对，其中第二导电层包括在第二导电 层的至少三个部分之间提供电隔离的多分段。
根据返回参照第一方面的第二方面，第二导电层的多分段可包 括：多个间隙，位于第二导电层中，一个间隙提供第二导电层的两个 相邻部分之间的电隔离；以及非导电连接结构，具有用于机械地连接 第二导电层的相邻部分的隔离材料。
根据返回参照第二方面的第三方面，间隙可布置在第二导电层的 圆周区域中。
根据返回参照第二或第三方面的第四方面，间隙可在第二导电层 中以彼此等距的配置来布置。
根据返回参照第二至第四方面的第五方面，第二导电层中的间隙 可布置在第二导电层的分段区域中，其中分段区域形成在第二导电层 的圆周、边界区域中。
根据返回参照第二至第五方面的第六方面，间隙均可具有100至 1000nm之间或者200至500nm之间的宽度。
根据返回参照第五和第六方面的第七方面，第二导电层可在分段 区域中具有厚度“D1”，并且间隙可具有D1/2和2*D1之间的宽度 “W”。
根据返回参照第二至第七方面的第八方面，间隙可完全填充有非 导电连接结构的材料。
根据返回参照第二至第八方面的第九方面，非导电连接结构可具 有100至1000nm之间的厚度。
根据返回参照第一至第九方面的第十方面，多分段可在第二导电 层的第一部分、第二部分和第三部分之间提供电隔离，其中第一部分 是第二导电层的中心部分，第二部分是第二导电层的边界部分，以及 第三部分是第二导电层的位于第二导电层的第一部分和第二部分之 间的中间部分。
根据返回参照第十方面的第十一方面，第二导电层的第二部分可 至少部分地被机械支持结构所支持。
根据返回参照第十至第十一方面的第十二方面，第二导电层的第 一部分可形成第二电极结构的可偏移区域。
根据返回参照第一至第十二方面的第十三方面，多分段可包括双 分段，双分段具有两个间隙以及第二导电层的位于第二导电层的第一 部分和第二部分之间的一个中间部分。
根据返回参照第一至第十三方面的第十四方面，多分段包括三分 段，该三分段具有第二导电层的两个相邻中间部分，其中该三分段具 有三个间隙。
根据返回参照第十四方面的第十五面，三分段可在第二导电层的 第一部分、第二部分、第三部分和第四部分之间提供电隔离，其中第 一部分是第一导电层的中心部分，第二部分是第二导电层的边界部 分，并且第三部分和第四部分是第二导电层的位于第二导电层的第一 部分和第二部分之间的相邻中间部分。
根据返回参照第一至第十五方面的第十六方面，多分段可包括四 分段，该四分段具有第二导电层的三个相邻中间部分，其中该四分段 具有四个间隙。
根据返回参照第十六方面的第十七方面，四分段可在第二导电层 的第一部分、第二部分、第三部分、第四部分和第五部分之间提供电 隔离，其中第一部分是第一导电层的中心部分，第二部分是第一导电 层的边界部分，并且第三部分、第四部分和第五部分是第二导电层的 位于第二导电层的第一部分和第二部分之间的相邻中间部分。
根据返回参照第一至第十七方面的第十八方面，第二电极结构的 边界部分被支持结构所支持，并且保持在与第一电极结构隔开的位置 中。
根据返回参照第一至第十八方面的第十九方面，第一电极结构的 第一导电层可形成薄膜，其中第二电极结构的第二导电层相对于薄膜 形成对电极。
根据返回参照第一至第十九方面的第二十方面，第一电极结构的 第一导电层相对于第二电极结构的第二导电层的偏转会导致第一电 极结构和第二电极结构之间的电容的改变。
根据返回参照第一至第二十方面的第二十一方面，第一导电层可 包括在第一导电层的至少三个部分之间提供电隔离的又一多分段。
根据返回参照二十一方面的第二十二方面，又一多分段可在第一 导电层的第一部分、第二部分和第三部分之间提供电隔离，其中第一 部分是第一导电层的中心部分，第二部分是第一导电层的边界部分， 并且第三部分是第一导电层的位于第一导电层的第一部分和第二部 分之间的中间部分。
根据返回参照第二十一或第二十二方面的第二十三方面，第一导 电层中的多个间隙可被布置在第一导电层的第一分段区域中，其中第 二导电层中的多个间隙布置在第二导电层的第二分段区域中，并且其 中第一分段区域和第二分段区域以至少部分重叠的配置布置在垂直 投影中。
根据返回参照第一至第二十三方面的第二十四方面，电容式 MEMS设备还可以包括第三电极结构，其包括第三导电层。
根据返回参照第二十四方面的第二十五方面，第三导电层可包括 在第三导电层的至少第一部分、第二部分和第三部分之间提供电隔离 的又一多分段，第一部分可以是第三导电层的中心部分，第二部分可 以是第三导电层的边界部分，以及第三部分可以是第三导电层的位于 第三导电层的第一部分和第二部分之间的中间部分，并且第二导电层 可包括第一薄膜元件且第三导电层可包括第二薄膜元件。
根据返回参照第二十五方面的第二十六方面，电容式MEMS设 备还可以包括：参考电位源，用于利用参考电位V极化第一导电层； 以及读出电路，用于差分地读出第一薄膜元件的第一部分和第二薄膜 元件的第一部分。
根据返回参照第二十五方面的第二十七方面，电容式MEMS设 备还可以包括：第一参考电位源，用于利用第一参考电位V1极化第 一薄膜元件的第一部分；以及第二参考电位源，用于利用第二参考电 位V2极化第二薄膜元件的第一部分；以及读出电路，用于差分地读 出第一薄膜元件的第一部分和第二薄膜元件的第一部分。
根据返回参照第二十八方面的第二十八方面，第一薄膜元件的第 一部分和第二薄膜元件的第一部分可以不电连接，并且第一参考电位 和第二参考电位V1、V2是不同的。
根据第二十九方面，一种MEMS麦克风可具有根据第一至第二 十九方面的电容式MEMS设备，其中第一电极结构的第一导电层相 对于第二电极结构的二导电层的偏移被进入的声压改变所影响。
根据第三十方面，一种形成电容式MEMS设备的方法可具有： 以堆叠配置设置第一导电层、第二导电层以及位于第一导电层和第二 导电层之间的支持层，在第二导电层中形成多个间隙，用于在第二导 电层的至少三个部分之间提供电隔离，在第二导电层上以及第二导电 层中的间隙中沉积介电层，以及在第一导电层和第二导电层之间部分 地去除支持材料，使得支持结构保持在第一导电层和第二导电层的外 围区域中。
根据返回参照第三十方面的第三十一方面，该方法还可以包括： 过蚀刻支持/牺牲层。
根据返回参照第三十或第三十一方面的第三十二方面，该方法还 可以包括：结构化介电层，用于提供用于机械地连接第二导电层的隔 离部分的非导电结构的连接。
根据返回参照第三十至第三十二方面的第三十三方面，在沉积介 电层的步骤中，介电层可被沉积有接近间隙的沉积厚度。
根据返回参照第三十至第三十三方面的第三十四方面，在沉积介 电层的步骤中，介电层可被共形地沉积在第二导电层上以及第二导电 层的间隙中。
根据返回参照第三十至第三十四方面的第三十五方面，在沉积介 电层的步骤中，介电层可被沉积为具有间隙的宽度的至少一半的厚 度。
根据第三十六方面，一种操作电容式MEMS设备的方法，其中 电容式MEMS设备包括：第一电极结构，包括第一导电层；以及第 二电极结构，包括第二导电层，其中第二导电层至少部分地与第一导 电层相对，其中第二导电层包括在第二导电层的至少三个部分之间提 供电隔离的多分段，该方法可以包括单端或差分地读出第二电极结 构。
根据返回参照第三十六方面的第三十七方面，电容式MEMS设 备还包括第三电极结构，第三电极结构包括第三导电层，其中第三导 电层包括在第三导电层的至少第一部分、第二部分和第三部分之间提 供电隔离的又一多分段，其中第一部分是第三导电层的中心部分，第 二部分是第三导电层的边界部分，并且第三部分是第三导电层的位于 第三导电层的第一部分和第二部分之间的中间部分，并且其中第二导 电层包括第一薄膜元件且第三导电层包括第二薄膜元件，该方法还可 以包括：利用参考电位V极化第一导电层，以及差分地读出第一薄膜 元件的第一部分和第二薄膜元件的第一部分。
根据返回参照第三十六方面的第三十八方面，电容式MEMS设 备还可以包括第三电极结构，第三电极结构包括第三导电层，其中第 三导电层包括在第三导电层的至少第一部分、第二部分和第三部分之 间提供电隔离的又一多分段，其中第一部分是第三导电层的中心部 分，第二部分是第三导电层的边界部分，以及第三部分是第三导电层 的位于第三导电层的第一部分和第二部分之间的中间部分，并且其中 第二导电层包括第一薄膜元件且第三导电层包括第二薄膜元件，该方 法还可以包括：利用第一参考电位V1极化第一薄膜元件的第一部分 以及利用第二参考电位V2极化第二薄膜元件的第一部分，以及差分 地读出第一薄膜元件的第一部分和第二薄膜元件的第一部分。
根据返回参照第三十六方面的第三十九方面，第一薄膜元件的第 一部分和第二薄膜元件的第一部分可以不电连接，并且第一参考电位 和第二参考电位V1、V2可以不同。
尽管已经详细描述了实施例，但应该理解，在不背离所附权利要 求的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替换和修改。
此外，本发明的范围不用于限制说明书中描述的处理、机器、制 造、事物组成、装置、方法和步骤的具体实施例。本领域技术人员将 容易从本发明的公开中理解，目前现有或稍后开发的、执行与本文描 述的对应实施例基本相同功能或实现基本相同结果的处理、机器、制 造、事物组成、装置、方法和步骤可相应地用于本发明。因此，所附 权利要求用于包括在这些处理、机器、制造、事物组成、装置、方法 或步骤的范围内。