具有分段背板的微机电系统（MEMS）振动传感器的制作方法

具有分段背板的微机电系统(mems)振动传感器
技术领域
1.本发明总体上涉及具有分段背板的mems振动传感器，并且在特定实施例中涉及对应系统和方法。


背景技术：

2.微机电换能器在现代电子器件中既作为传感器又作为致动器发挥核心作用，并且用于多种不同应用中，例如作为麦克风、扬声器、压力传感器或加速度传感器。
3.微机电换能器可以具有膜，该膜可以根据换能器被形成为传感器还是致动器而以被动或主动方式移位。在形成为传感器的微机电换能器的情况下，膜可以被动地可移位，例如通过待检测的声音或待检测的加速度。待检测变量的特性(诸如声音频率、声音幅度或时间加速度曲线)可以从膜的移位确定。在形成为致动器的微机电换能器的情况下，膜可以以主动方式移位，例如以便在扬声器中生成声音。
4.这样的微机电换能器的膜可以至少部分由压电材料形成，其中在膜的被动移位的情况下，感应出电压，该电压可以通过合适的读出电路读出，以确定待检测变量的特性。备选地，在致动器的情况下，电压可以被施加到膜以引起膜的目标变形，例如以生成声音。


技术实现要素：

5.根据一个实施例，一种mems振动传感器包括具有惯性质量的膜，该膜被固定到mems振动传感器的保持器；以及与膜隔开的分段背板，分段背板被固定到保持器。
6.根据一个实施例，一种方法包括将膜固定到mems器件的保持器；将惯性质量固定到膜；将分段背板固定到保持器；以及响应于mems器件的加速度而生成多个背板段信号。
7.根据一个实施例，一种方法包括提供具有膜和背板的mems器件；将惯性质量附接到膜；将背板分段成第一背板段和第二背板段；从第一背板段生成第一信号；以及从第二背板段生成第二信号。
附图说明
8.为更完整地理解本发明及其优点，现在结合附图进行以下说明，在附图中：
9.图1a是根据一个实施例的振动传感器的平面图，该振动传感器具有被固定到膜的惯性质量和用于确定三维加速度方向的四分段式背板；
10.图1b是图1a的振动传感器的截面图；
11.图2是包括耦合到用于评估振动传感器的输出信号的电路的图1a的振动传感器的系统的框图；
12.图3a是根据一个实施例的振动传感器的平面图，该振动传感器具有被固定到膜的惯性质量和用于确定二维加速度方向的两分段式背板；
13.图3b是图3a的振动传感器的截面图；
14.图4是包括耦合到用于评估振动传感器的输出信号的电路的图3a的振动传感器的
系统的框图；
15.图5a是根据一个实施例的振动传感器的平面图，该振动传感器具有被固定到膜的惯性质量和用于确定二维加速度方向的第一两分段式背板和第二两分段式背板；
16.图5b是图5a的振动传感器的截面图；
17.图6是包括耦合到用于评估振动传感器的输出信号的电路的图5a的振动传感器的系统的框图；
18.图7是根据一个实施例的一种振动感测方法的框图；以及
19.图8是根据一个实施例的另一振动感测方法的框图。
具体实施方式
20.下面详细讨论当前优选实施例的制作和使用。然而，应当理解，本发明提供了很多可应用的发明概念，这些概念可以体现在各种各样的特定环境中。所讨论的具体实施例仅用于说明制造和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。
21.下面描述的实施例与mems振动传感器有关，mems振动传感器是一种mems麦克风或传感器，其对由振动传导的音频频带的下端处的信号、对振动和对传感器的加速度特别敏感。虽然mems麦克风通常可以制造成具有用于响应于环境(空气传导的)声波而生成电压的膜和背板，但根据本文所述的实施例，mems振动传感器可以具有惯性质量，该惯性质量附接到膜以增加mems振动传感器对经由振动而传导的低频声波和对振动的灵敏度。实施例mems振动传感器可以使用半导体生产工艺大批量制造。下面描述的实施例可以结合mems振动传感器和asic来处理mems振动传感器的输出信号。mems振动传感器产生的电信号被adc以及asic中的其他处理组件放大或以其他方式处理。将音频信号和/或振动转换为电信号的mems麦克风可以包括mems dc偏置电容器，其中由音频压力或振动引起的膜(隔膜)的移动会改变相对于一个或多个电容器板(一个或多个背板)的电压。在实施例中，与一个或多个背板相关联的电极提供一个或多个输出电信号，该电信号由asic进一步处理以提供系统输出信号。
22.膜和背板表现为平行板电容器。当隔膜或膜由于传入的声压或振动而振动时，隔膜与背板之间的间隙以及因此隔膜与背板之间的电容会发生变化。实施例的mems振动传感器提取这些变化并且将它们转换为传感器的输出电信号。
23.根据实施例，可以在每个mems振动传感器中使用单个膜和单个背板。根据另一实施例，mems振动传感器将移动膜放置在两个电容器板(双背板)之间。这个实施例提供了一个全差分(与单端相比)输出，它有若干优点。双背板mems振动传感器由于其对称结构可以减少失真。通过移动夹在电容器板之间的两个膜(双膜)，也可以实现类似的效果。
24.下面描述的实施例包括一种mems振动传感器的实现，该mems振动传感器包括具有惯性质量的膜，该膜被固定到mems振动传感器的保持器；以及与膜隔开的分段背板，分段背板被固定到保持器。在各种实施例中，膜、惯性质量和保持器都可以由集成电路中的块状硅制成，或者由各种硅、金属和绝缘层制成，或者由这两者的组合制成。在实施例中，mems振动传感器可以包括单个椭圆形、卵形或长方形膜。mems振动传感器可以包括被配置用于提供多个信号的分段背板。mems振动传感器可以是系统的一部分，该系统还包括被配置用于评估多个信号的总和和/或差值的电路。mems振动传感器和该电路可以一起制造在单个集成
电路中，或者可以制造为单独的组件。在一些实施例中，该电路被配置用于提供指示mems振动传感器的x轴加速度的第一评估结果、指示mems振动传感器的y轴加速度的第二评估结果、或指示mems振动传感器的z轴加速度的第三评估结果。在一些实施例中，分段背板被分段为四个相等的四分之一圆部(quadrants)以提供四个单独的输出信号，并且在其他实施例中，分段背板被分段为两个相等的半部以提供两个单独的输出信号。在其他实施例中，两个分段背板各自被分段成两个相等的半部以提供四个单独的输出信号。在实施例中，一个或多个背板可以穿孔有通风孔。在实施例中，多个孔、翼片或其他这样的结构可以用于使膜通风。通风孔可以布置为各种图案和构造，包括未具体示出的图案和构造。在实施例中，分段背板包括布置在膜之上的顶部分段背板。在其他实施例中，分段背板包括布置在膜之下并且被固定到保持器的底部分段背板。在其他实施例中，背板可以布置在膜之上和之下。在一些实施例中，第一孔位于顶部分段背板中央和/或第二孔位于底部分段背板中央，以用于惯性质量的正确操作。
25.用于mems振动传感器的惯性质量在题为“combined corrugated piezoelectric microphone and corrugated piezoelectric vibration sensor”的第16/896,665号美国专利申请中有进一步详细描述，该专利申请通过引用整体并入本文。
26.图1a是平面图，图1b是根据实施例的用于确定三维加速度方向的电容型mems振动传感器100的截面图。虽然mems振动传感器100在图1a和图1b中被示出为独立组件，但如果需要，它可以与mems麦克风组合成组合mems器件。
27.在各种应用中，可能需要独立于mems振动传感器100的取向来拾取振动。柔性膜、特别是根据实施例与长体硅惯性质量(long bulk silicon inertial mass)相结合的柔性膜将不仅对垂直于其表面(z轴)的加速度作出反应，但由于作用在惯性质量上的扭矩，它也会感应出平面内加速度(x轴和y轴)。如果为如图1a和图1b所示的mems振动传感器100选择多段电极设计，则这些加速度甚至可以被解开(disentangled)。在mems振动传感器100的示例中，四个背板段与单个柔性膜结合使用，并且在下面进一步详细描述。虽然可以使用其他数目的背板段，但可能必须更新下面阐述的对应加速度等式以反映为特定设计而选择的膜段的数目。
28.mems振动传感器100包括保持器，该保持器包括底部106和上部102。在实施例中，底部106和上部可以从体硅蚀刻。在其他实施例中，底部106可以由块状硅蚀刻而成，并且上部102可以是在底部106之上的单独的硅或绝缘层。在一个实施例中，单个保持器耦合到单个柔性膜108。在其他实施例中，可以使用多个个体保持器来支撑柔性膜108。分段背板104被固定到保持器的上部102，并且布置在柔性膜108上方并且与柔性膜108隔开。在实施例中，分段背板104具有四个段104a、104b、104c和104d，以用于生成四个对应信号：信号1(s1)、信号2(s2)、信号3(s3)和信号4(s4)。在一个实施例中，每个背板段104a、104b、104c和104d是分段背板104的大小相等的四分之一圆部。每个背板段104a、104b、104c和104d包括一个或多个电极(图1a或图1b中未示出)。在实施例中，电极可以位于保持器的上部102中，并且可以接触嵌入在保持器的上部102中的对应背板部分的一部分。根据一个实施例，分段背板104包括可以用于调谐mems振动传感器100的频率响应和其他声学特性的多个通风孔或穿孔。柔性膜108耦合到惯性质量110，惯性质量110可以包括体硅部分，和/或可以包括薄膜材料层，诸如硅、绝缘体或金属层。在一个实施例中，保持器的底部106可以是硅或绝缘基
板的一部分或被固定到硅或绝缘基板，而惯性质量110的长度可以短于保持器的底部106的长度。然而，惯性质量的体积越大，对于给定加速度，在mems振动传感器100中生成的扭矩就越大。对于薄膜层惯性质量，给定加速度的输出信号可能要小得多。在一个实施例中，柔性膜108可以具有椭圆形、卵形或长方形形状。图1a定义了x轴上的加速度方向，它与分段背板104的长轴共线，其中y轴方向与图1a的平面中的x轴方向正交，并且其中z轴方向与从图1a的平面向外延伸的x轴方向正交。图1b定义了x轴上的加速度方向，其与分段背板104的截面图共线，其中z轴方向与图1b的平面中的x轴方向正交，并且其中y轴方向与从图1b的平面向外延伸的x轴方向正交。
29.通过评估四个信号(信号1、信号2、信号3和信号4)的总和和差值，可以计算x、y和z方向上的加速度和振动。
30.x轴方向上的加速度和振动由以下等式确定。
31.信号1＝信号3
32.信号2＝信号4
33.信号1≈-信号2
34.y轴方向上的加速度和振动由以下等式确定。
35.信号1＝信号2
36.信号3＝信号4
37.信号1≈-信号3
38.z轴方向上的加速度和振动由下式确定。
39.信号1＝信号2＝信号3＝信号4
40.加速度信号比例阿尔法(α)和贝塔(β)是对加速度和振动条件以及s1至s4(来自四个背板段的信号)的设计特定灵敏度，由以下等式描述。
41.a
x
∝
α(s1+s3-s2-s4)
42.ay∝
α(s1+s2-s3-s4)
43.az∝
β(s1+s3+s2+s4)
44.如果需要，mems振动传感器100可以与mems麦克风(图1a或图1b中未示出)组合成组合mems器件，方法是如果使用单个保持器，则将保持器的边缘中的一个与mems麦克风的保持器中的一个组合。如果使用多个保持器，则mems振动传感器100可以与mems麦克风组合成组合mems器件，该组合mems器件将该多个保持器中的一个与mems麦克风的保持器中的一个组合。mems振动传感器100也可以与集成电路系统集成在同一集成电路上，或者可以与系统中的一个或多个集成电路电通信。
45.图2是系统200的框图，系统200包括耦合到(专用集成电路)asic 204的图1a和图1b的mems振动传感器100，asic 204用于评估mems振动传感器100的输出信号。在一些实施例中，mems振动传感器100被示出为具有用于将内部mems器件暴露于低频压力波212的端口的封装。在其他实施例中，可以使用没有端口的密封封装。mems振动传感器100被示出为具有用于生成输出信号即信号1、信号2、信号3和信号4的四个输出、以及用于接收一个或多个偏置电压的输入210。asic 204被配置用于以上述方式评估多个信号即信号1、信号2、信号3和信号4的总和和/或差值，以确定x轴、y轴或z轴方向上的振动和/或加速度。asic 204还包括总线206，总线206用于接收控制信号和其他输入信号，并且用于生成评估输出数据。mems
振动传感器100可以与asic 204一起集成在单个集成电路上，或者可以是一起制造在公共基板上的单独组件。asic 204以及下文描述的其他asic电路可以包括另外的信号处理电路系统，诸如模数转换器(adc)、放大器、滤波器、以及其他数字和模拟电路组件。asic 204以及下面描述的其他asic电路可以通过总线206与微处理器或其他处理组件进行电气或数据通信。
46.图3a是平面图，图3b是根据一个实施例的mems振动传感器300的截面图，该mems振动传感器300具有被固定到柔性膜308的惯性质量310和用于确定二维加速度方向的两分段式背板304，两分段式背板304包括第一背板段304a和第二背板段304b。在实施例中，第一背板段304a和第二背板段304b是沿两分段式背板304的主轴分开的相等的半部。在一个实施例中，两分段式背板304被固定到保持器的上部302，并且柔性膜308被固定到保持器的下部306。图3a和图3b所示的mems振动传感器300的取向与上面关于图1a和图1b所示的mems振动传感器100示出和描述的取向相同。
47.将两分段式背板304背板分段成两个部分使得能够标识两轴振动信号。mems振动传感器300的器件内放置使得能够标识期望的轴信号。使用图3a所示的mems振动传感器300的布置，可以感测沿y轴方向的振动或加速度，而不能感测沿x轴方向的振动或加速度。基于分段轴，可以感测x轴或y轴(即，两个平面轴中的一个)上的振动或加速度。例如，为了感测沿x轴方向的振动或加速度，图3a所示的mems振动传感器300的取向应当相对于现在所示的取向旋转90
°
。无论mems振动传感器300的平面取向如何，都可以感测z轴上的振动或加速度。
48.上文所述的加速度信号比例阿尔法(a)和贝塔(β)是对加速度和振动条件以及s1和s2(来自两个背板段的信号)的设计特定灵敏度，并且由以下等式描述。
49.a
x/y
∝
α(s1-s2)
50.az∝
β(s1+s2)
51.因此，给定传感器的正确取向或者如果可以确定传感器的取向，mems振动传感器300可以响应于x轴和y轴加速度和振动而提供输出信号，而mems振动传感器300可以响应于z轴加速度和振动而提供输出信号，而无论传感器的平面取向如何。mems振动传感器300的输出信号在asic中进一步处理，下面将参考图4对其进行更详细的描述。
52.图4是系统400的框图，系统400包括耦合到用于评估mems振动传感器300的输出信号的asic 404的图3a和图3b的mems振动传感器300。在一些实施例中，mems振动传感器300被示出为具有用于将内部mems器件暴露于低频压力波412的端口的封装。mems振动传感器300被示出具有用于生成输出信号信号1和信号2的两个输出以及用于接收一个或多个偏置电压的输入410。asic 404被配置用于以上述方式评估输出信号信号1和信号2的总和和/或差值，以确定x轴、y轴或z轴方向上的振动和/或加速度。asic 404还包括总线406，总线406用于接收控制信号和其他输入信号，并且用于生成评估输出数据。mems振动传感器300可以与asic 404一起集成在单个集成电路上，或者可以是一起制造在公共基板上的单独组件。
53.图5a是平面图，图5b是根据一个实施例的mems振动传感器500的截面图，该mems振动传感器500具有被固定到柔性膜508的惯性质量510和用于确定二维加速度方向的四分段式背板，该四分段式背板包括第一背板段504a、第二背板段504b、第三背板段504c和第四背板段504d。在一个实施例中，第一背板段504a和第二背板段504b被布置为间隔开并且在柔
性膜508上方，其中第三背板段504c和第四背板段504d被布置为间隔开并且在柔性膜508下方。
54.mems振动传感器500使用背板分段提供差分电容性mems信号评估，该背板分段具有形成上背板的两个相等的半部(第一背板段504a和第二背板段504b)并且具有形成下背板的两个相等的半部(第三背板段504c和第四背板段504d)。如在mems振动传感器300中，可以标识两轴(x轴或y轴、和z轴)振动信号。x轴和y轴中的器件内放置或器件内放置的知识允许标识期望的轴信号。
55.包括第一背板段504a和第二背板段504b的上背板、以及包括第三背板段504c和第四背板段504d的下背板包括扁平环，该扁平环具有用于放置惯性质量510的穿过中央的孔。在实施例中，由于mems振动传感器500不同地操作，上背板和下背板基本相似，尽管惯性质量510实际上并未延伸穿过上背板中的孔。在一些实施例中，上背板和下背板的内边缘可以进一步稳定以充当惯性质量510的软缓冲器，这有利地增加了mems振动传感器500的稳健性。在实施例中，上背板和下背板两者可以被穿孔，如图5b所示。
56.在实施例中，第一背板段504a和第二背板段504b是相等的半部，并且第三背板段504c和第四背板段504d也是相等的半部，这些半部沿两分段式背板的主轴分开。在一个实施例中，上背板被固定到保持器的上部502，并且下背板被固定到保持器的下部506。图5a和图5b所示的mems振动传感器500的取向与上面关于图3a和图3b所示的mems振动传感器300示出和描述的取向相同。
57.将上下两分段式背板分别背板分段成两个部分使得能够标识两轴振动信号。mems振动传感器500的器件内放置使得能够标识期望的轴信号。使用图5a所示的mems振动传感器500的布置，可以感测沿y轴方向的振动或加速度，而不能感测沿x轴方向的振动或加速度。基于分段轴，可以感测x轴或y轴(即，两个平面轴中的一个)上的振动或加速度。例如，为了感测沿x轴方向的振动或加速度，图5a所示的mems振动传感器500的取向应当相对于现在所示的取向旋转90
°
。无论mems振动传感器500的平面取向如何，都可以感测z轴上的振动或加速度。
58.上文所述的加速度信号比例阿尔法(a)和贝塔(β)是对加速度和振动条件以及s1和s2(来自两个背板段的信号)的设计特定灵敏度，并且由以下等式描述。
59.a
x/y
∝
α(s1+s4-s2-s3)
60.az∝
β(s1+s2
–
s3
–
s4)
61.因此，给定传感器的正确取向或者如果可以确定传感器的取向，mems振动传感器500可以响应于x轴和y轴加速度和振动而提供输出信号，而mems振动传感器500可以响应于z轴加速度和振动而提供输出信号，而无论传感器的平面取向如何。mems振动传感器500的输出信号在asic中进一步处理，下面将参考图6对其进行更详细的描述。
62.图6是系统600的框图，系统600包括耦合到用于评估mems振动传感器500的输出信号的asic 604的图5a和图5b的mems振动传感器500。在一些实施例中，mems振动传感器500被示出为具有用于将内部mems器件暴露于低频压力波612的端口的封装。mems振动传感器500被示出为具有用于生成输出信号信号1、信号2、信号3和信号4的四个输出、以及用于接收一个或多个偏置电压的输入610。asic 604被配置用于以上述方式评估输出信号的总和和/或差值，以确定x轴、y轴或z轴方向上的振动和/或加速度。asic604还包括总线606，总线
606用于接收控制信号和其他输入信号，并且用于生成评估输出数据。mems振动传感器500可以与asic 604一起集成在单个集成电路上，或者可以是一起制造在公共基板上的单独组件。
63.图7是根据一个实施例的振动感测方法700的框图，该方法包括在步骤702将膜固定到mems器件的保持器；在步骤704将惯性质量固定到膜；在步骤706将分段背板固定到保持器；在步骤708，响应于mems器件的加速度而生成多个背板段信号。
64.图8是根据一个实施例的振动感测方法800的框图，该方法包括在步骤802提供具有膜和背板的mems器件；在步骤804将惯性质量附接到膜；在步骤806将背板分段成第一背板段和第二背板段；在步骤808从第一背板段生成第一信号；在步骤810从第二背板段生成第二信号。
65.这里总结了本发明的示例实施例。还可以从说明书的全部内容和本文中提交的权利要求来理解其他实施例。
66.示例1.根据一个实施例，一种mems振动传感器，包括：膜，包括惯性质量，所述膜被固定到所述mems振动传感器的保持器；以及分段背板，与所述膜隔开，所述分段背板被固定到所述保持器。
67.示例2.根据示例1所述的mems振动传感器，其中所述膜包括椭圆形膜。
68.示例3.根据上述示例中任一项所述的mems振动传感器，其中所述分段背板被配置用于提供多个信号。
69.示例4.根据上述示例中任一项所述的mems振动传感器，还包括被配置用于评估所述多个信号的总和和/或差值的电路。
70.示例5.根据上述示例中任一项所述的mems振动传感器，其中所述电路被配置用于提供指示所述mems振动传感器的x轴加速度的第一评估结果、指示所述mems振动传感器的y轴加速度的第二评估结果、或指示所述mems振动传感器的z轴加速度的第三评估结果。
71.示例6.根据上述示例中任一项所述的mems振动传感器，其中所述分段背板被分段成四个相等的四分之一圆部。
72.示例7.根据上述示例中任一项所述的mems振动传感器，其中所述分段背板被分段成两个相等的半部。
73.示例8.根据上述示例中任一项所述的mems振动传感器，其中所述分段背板包括穿孔背板。
74.示例9.根据上述示例中任一项所述的mems振动传感器，其中所述分段背板包括布置在所述膜之上的顶部分段背板。
75.示例10.根据上述示例中任一项所述的mems振动传感器，还包括布置在所述膜之下并且被固定到所述保持器的底部分段背板。
76.示例11.根据上述示例中任一项所述的mems振动传感器，还包括位于所述顶部分段背板中央的第一孔和/或位于所述底部分段背板中央的第二孔。
77.示例12.根据一个实施例，一种方法包括：将膜固定到mems器件的保持器；将惯性质量固定到所述膜；将分段背板固定到所述保持器；以及响应于所述mems器件的加速度而生成多个背板段信号。
78.示例13.根据示例12所述的方法，还包括评估所述多个背板段信号的总和和/或差
值。
79.示例14.根据上述示例中任一项所述的方法，还包括：将来自第一背板段和第二背板段的第一背板段信号和第二背板段信号相加，以提供第一总和；将来自第三背板段和第四背板段的第三背板段信号和第四背板段信号相加，以提供第二总和；以及计算所述第一总和与所述第二总和之间的差值，以生成指示所述mems器件的x轴加速度或所述mems器件的y轴加速度的信号。
80.示例15.根据上述示例中任一项所述的方法，还包括计算第一背板段信号与第二背板段信号之间的差值，以生成指示所述mems器件的x轴加速度或所述mems器件的y轴加速度的信号。
81.示例16.根据上述示例中任一项所述的方法，还包括计算第一背板段信号和第二背板段信号的总和，以生成指示所述mems器件的z轴加速度的信号。
82.示例17.根据一个实施例，一种方法包括：提供具有膜和背板的mems器件；将惯性质量附接到所述膜；将所述背板分段成第一背板段和第二背板段；从所述第一背板段生成第一信号；以及从所述第二背板段生成第二信号。
83.示例18.根据示例17所述的方法，还包括计算所述第一信号与所述第二信号之间的差值，以生成指示所述mems器件的加速度的信号。
84.示例19.根据上述示例中任一项所述的方法，还包括将所述膜的主轴定向成与所述mems器件的平面加速度方向基本正交。
85.示例20.根据上述示例中任一项所述的方法，还包括计算所述第一信号和第二信号的总和，以生成指示所述mems器件的加速度的信号。
86.虽然已经参考说明性实施例描述了本发明，但该描述不旨在被解释为限制意义。参考该描述，本领域技术人员将清楚说明性实施例以及本发明的其他实施例的各种修改和组合。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这样的修改或实施例。