CN110115048B - 微机电***和微机电***麦克风封装物 - Google Patents

微机电***和微机电***麦克风封装物 Download PDF

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Abstract

微机电***和微机电***麦克风封装物。一种微机电***(MEMS)包括膜片，该膜片具有第一面和第二面。第一面暴露于环境压力。第二面包括从该第二面延伸的多个指状物。MEMS还包括背板，该背板包括多个空隙。多个指状物中的各个指状物延伸到多个空隙中的相应一个空隙中。MEMS还包括绝缘体，该绝缘***于膜片的一部分与背板的一部分之间。膜片被构造为响应于环境压力的变化而相对于背板移动。

Description

微机电***和微机电***麦克风封装物
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年12月28日提交的美国临时专利申请No.62/439,803的权益和优先权，此处以引证的方式将该申请的整个内容并入。
技术领域
本发明涉及微机电***和微机电***麦克风封装物。
背景技术
提供以下描述来辅助读者的理解。所提供的信息或所引用的参考文献均不被视为现有技术。
微机电***(MEMS)用于诸如智能电话和平板电脑这样的电子装置中。MEMS麦克风可以将声能转换成电信号。通常，随着传统MEMS麦克风变小，MEMS麦克风的质量降低。然而，使用MEMS麦克风的装置内的空间极小，并且消费者和/或装置制造商所要求的MEMS麦克风的质量不断提高。
发明内容
通常，本说明书描述的主题的一个方面可以具体实施在用于将声能转换成电信号的设备中。一种例示性微机电***(MEMS)包括膜片，该膜片具有第一面和第二面。第一面暴露于环境压力(environmental pressure)。第二面包括从该第二面延伸的多个指状物。该MEMS还包括背板，该背板包括多个空隙。多个指状物中的各个指状物延伸到多个空隙中的相应一个空隙中。该MEMS还包括绝缘体，该绝缘***于膜片的一部分与背板的一部分之间。膜片被构造为响应于环境压力的变化而相对于背板移动。
一种例示性***包括微机电***(MEMS)和处理电路。该MEMS包括膜片，该膜片具有第一面和第二面。第一面暴露于环境压力。第二面包括从该第二面延伸的多个指状物。该MEMS还包括背板，该背板包括多个空隙。多个指状物中的各个指状物延伸到多个空隙中的相应一个空隙中。该MEMS还包括绝缘体，该绝缘***于膜片的一部分与背板的一部分之间。膜片被构造为响应于环境压力的变化而相对于背板移动。处理电路在工作上联接到该MEMS，并且被构造为：跨膜片和绝缘体施加恒定电压,并且基于膜片与背板之间的电容生成电信号。该电信号表示环境压力的变化。
一种制造微机电***(MEMS)元件的例示性方法包括以下步骤：将空隙形成到基板中；以及将保形涂层涂敷到包括空隙的基板的表面上。该方法还可以包括以下步骤：将非保形涂层涂敷到保形涂层的至少一部分上；以及将导电层涂敷到非保形涂层上。导电层包括分别与空隙中的一个空隙对应的指状物。该方法还包括以下步骤：去除保形涂层和非保形涂层的内部部分，使得指状物不附接到空隙中的相应一个空隙。该方法还包括以下步骤：在导电层的顶部上涂敷覆盖层，从而密封内部容积，该内部容积至少部分由基板、非保形涂层以及覆盖层限定。
一种制造微机电***(MEMS)元件的例示性方法包括以下步骤：在基板上方沉积保形涂层；以及在保形涂层上方沉积第一导电层。该方法还包括以下步骤：形成穿过第一导电层、保形涂层以及基板的一部分的第一沟槽。该方法还包括以下步骤：填充第一沟槽。第一沟槽填充有与第一导电层的顶面齐平的材料。该方法还包括以下步骤：形成第二沟槽，该第二沟槽穿过第一导电层和填充第二沟槽的材料的一部分。该方法还包括以下步骤：通过用导电材料填充第二沟槽形成从第一导电层延伸的指状物；以及从第一导电层与基板之间的容积去除材料。
前述发明内容仅是例示性的，并且不旨在以任何方式限制。除了上述的例示性方面、实施方式以及特征之外，还将通过参照附图和具体实施方式阐明另外的方面、实施方式以及特征。
附图说明
通过结合附图的以下描述和所附权利要求，本公开的前述和其他特征将变得更加明显。应理解，这些附图仅描绘了根据本公开的若干实施方式，因此不被认为限制本公开的范围，将通过使用附图来以附加的特征和细节描述本公开。
图1A至图1C是传统声麦克风的剖面图。
图2A至图2C是根据例示性实施方式的低压MEMS声元件的剖面图。
图3是根据例示性实施方式的、沿着图2A的线299的低压MEMS声元件的剖面图。
图4是根据例示性实施方式的、沿着图2A的线298的低压MEMS声元件的剖面图。
图5A至图5F是例示了根据例示性实施方式的、生产低压MEMS声元件的方法的图。
图6是根据例示性实施方式的、生产低压MEMS声元件的方法的流程图。
图7A至图7G是例示了根据例示性实施方式的、生产低压MEMS声元件的方法的图。
图8是根据例示性实施方式的、生产低压MEMS声元件的方法的流程图。
图9A至图9L是例示了根据例示性实施方式的、生产低压MEMS声元件的方法的图。
图10是根据例示性实施方式的、生产低压MEMS声元件的方法的流程图。
图11是根据例示性实施方式的、用于将声能转换成电信号的电路图。
图12A和图12B是根据例示性实施方式的、具有低压MEMS声元件的顶部端口MEMS麦克风的剖面图。
图13A和图13B是根据例示性实施方式的、具有低压MEMS声元件的底部端口MEMS麦克风的剖面图。
在以下具体实施方式中，对附图进行参照，附图形成了具体实施方式的一部分。在附图中，类似的附图标记通常标识类似的部件，除非上下文另外表示。在具体实施方式、附图以及权利要求中描述的例示性实施方式不意味着限制。在不偏离本文提出的主题的精神或范围的情况下，可以使用其他实施方式，并且可以进行其他变更。将容易地理解，如本文总体描述且在附图中例示的本公开的方面可以以各种不同的配置来设置、替代、组合和设计，所有这些被明确预期且形成本公开的一部分。
具体实施方式
微机电***(MEMS)声麦克风用于将声信号(例如，气压的变化)转换成电信号。图1A至图1C是传统MEMS声麦克风的剖面图。在图1A至图1C的各图中，MEMS麦克风100包括底座105、底座105中的声端口110、膜片130、背板135、专用集成电路(ASIC)145以及罩120。图1A是MEMS麦克风100的底部端口版本的剖面图，图1B是MEMS麦克风100的顶部端口版本的剖面图，图1C是MEMS麦克风100的盖上MEMS(MEMS-on-lid)版本的剖面图。在另选实施方式中，可以使用任何合适的样式。
参照图1A，随着声能进入声端口110，膜片130相对于固定的背板135移动。膜片130与背板135之间的电容用作表示声能的电信号。ASIC 145处理来自MEMS马达(例如，膜片130和背板135)的电信号，以向另一计算装置(例如，智能电话)提供电信号(例如，数字信号)。在图1B和图1C所例示的实施方式中，声端口110处于罩120中。在图1B的实施方式中，包括膜片130和背板135的MEMS元件安装到底座105，在图1C的实施方式中，MEMS元件安装到罩120。
为了允许膜片相对于背板135移动，外部环境与后腔容积140连通。即，空气粒子可以流过背板135。通常，背板135包括供空气流过背板135的孔或其他手段。然而，这种构造可能引入一些问题。
例如，可能由撞击膜片130的空气粒子引起粘滞损失(或背板损失)。空气粒子与膜片130之间的相互作用可以使膜片130相对于背板135移动。膜片130的运动使得空气穿过背板135中的孔。穿过的空气通过摩擦而加热背板135，从而损失能量。由此，击中膜片130的随机空气粒子可以引起背板135中的热量，并且引起能量损失，这些能量损失将噪声引入到MEMS麦克风中。
如下面更详细描述的，在本文描述的各种实施方式中，没有带有孔(这些孔允许空气穿过孔)的背板135。由此，没有由空气穿过背板135而生成的摩擦和对应的热量。因此，各种实施方式不具有与传统MEMS麦克风的粘滞损失类似的粘滞损失。
在传统MEMS麦克风中，后腔容积140越大，MEMS麦克风的声音质量越佳。然而，随着诸如智能电话和平板电脑这样的装置的小型化，MEMS麦克风的尺寸趋向于更小(例如，具有更小的后腔容积140)，但理想地，由MEMS麦克风产生的声音质量应保持相同甚至提高。如所预期的，在使麦克风的尺寸小型化(例如，减小后腔容积140)的同时提高质量越来越困难。
减小传统MEMS麦克风(例如，如图1A和图1C所示的实施方式)中的后腔容积140增大了热边界层损失。如上面关于粘滞损失提到的，随机空气粒子撞击膜片130并使得膜片移动。膜片130的移动使得能量转移到后腔容积140中。后腔容积140损耗到达罩的能量，该罩是散热器(例如，等温边界条件)。热量从罩120转移到周围空气，因此损失。由此，热边界层损失是能量损失，并且能量损失在MEMS麦克风中产生噪声。
如下面更详细描述的，在本文描述的各种实施方式中，MEMS元件内的减小的气压实质上增大了后腔容积。在较低的气压下，空气分子的密度减小，从而减少热边界层损失。因此，各种实施方式不具有与传统MEMS麦克风的热边界层损失类似的热边界层损失。
一些传统MEMS麦克风跨膜片130和背板135使用恒定电荷。即，由膜片130和背板135形成的电容器两端的电荷在使用期间不变化。在这种构造中，电压的变化与膜片130与背板135之间的间隙的变化成比例。由此，电压的变化可以用于感测声能。然而，这种构造在使膜片130相对于背板135移动所需的力与膜片130与背板135之间的间隙之间存在非线性关系。以下公式示出了该非线性关系：
Fe∝gap-2
其中，Fe是膜片130与背板135之间的静电力，gap是膜片130与背板135之间的距离。为了校正非线性关系，可以使用各种信号处理技术，诸如压缩扩展器(例如，压缩器和扩展器)。然而，需要的信号处理越多，麦克风消耗的电力越多，并且引入到信号中的噪声越多。而且，伴随更多信号处理，更多的逻辑门被用于实现该处理，这增大了麦克风的尺寸。
图2A至图2C是根据例示性实施方式的低压MEMS声元件的剖面图。例示性MEMS元件200包括膜片205、背板215以及绝缘体230。膜片205包括多个指状物210。背板215包括空隙220。在例示性实施方式中，MEMS元件200是“低压”MEMS元件，因为MEMS元件200的内部容积处于比大气压力低的压力(例如，真空压力)。在另选实施方式中，可以使用附加的、更少的和/或不同的元件。
在图2所例示的实施方式中，背板215是刚性的，并且声能不会使背板215移动。在例示性实施方式中，背板215可以安装到另一器件，诸如另一基板或电路板。膜片205是柔性的，并且可以在环境气压变化(例如，借由声能)时相对于背板215移动。背板215和膜片205是导电的，并且背板215与膜片205之间的电容可以用于检测声能。绝缘体230不导电。
图2A至图2C例示了在不同环境压力下的MEMS元件200。图2A例示了在中间环境压力下的MEMS元件200。图2B例示了在正环境压力下的MEMS元件200。图2C例示了在负环境压力下的MEMS元件200。如图2A至图2C例示，声能使得膜片205基于环境压力而移入和移出。即，声能改变由MEMS元件200感测的环境压力。图2A至图2C所示的膜片205的移动仅是例示性的，并不意味着关于比例或尺寸的限制。
随着膜片205相对于背板215移入和移出，指状物210移入和移出空隙220。膜片205与背板215之间的电容主要基于指状物210与背板215的交叠来确定。即，指状物210伸进空隙220中越多(从而增大指状物210与背板215的交叠)，电容越大。类似地，指状物210伸进空隙220中越少(从而减小指状物210与背板215的交叠)，电容越小。虽然在指状物210附接到的、膜片205的部分(例如，跨绝缘体230的部分)与背板215之间存在一些电容，但这种电容与指状物210与背板215之间的电容相比可忽略。因此，图2B中的膜片205与背板215之间的电容大于图2C中的膜片205与背板215之间的电容。
在例示性实施方式中，MEMS元件200可以与膜片205与背板215间的恒定电压一起使用。这种构造与上面关于图1A至图1C的MEMS麦克风100讨论的构造形成对比，因为在MEMS元件200中电压恒定且电荷变化，而在MEMS麦克风100中电压变化且电荷恒定。
在膜片205与背板215间使用恒定电压的实施方式中，电荷的变化与由膜片205和背板215形成的电容器的面积的变化成比例。电容器的面积主要由指状物210与背板215之间的交叠量来确定。由此，电荷的变化可以用于感测声能。这种构造在使膜片205相对于背板215移动所需的力与由膜片205和背板215形成的电容器的面积之间存在线性关系。以下公式示出了该线性关系：
Fe∝area
其中，Fe是膜片205与背板215之间的静电力，而area是由膜片205和背板215形成的电容器的面积。由于电容器的面积与静电力之间的线性关系，如果电容器两端存在恒定电压，则电容的变化与电容器的电荷的变化成线性比例。由此，可以监测电荷的变化，以确定膜片205相对于背板215的移动。在一些实施方式中，在信号处理期间使用电荷放大器。
如上面参照图1A至图1C的MEMS麦克风100讨论的，可能由于空气粒子与膜片130的表面相互作用而将噪声引入到来自MEMS麦克风100的电信号中。在MEMS麦克风100中，膜片130的两侧都暴露于空气。即，空气从环境侧(例如，经由声端口110)以及从后腔容积140与膜片130相互作用。
在例示性实施方式中，膜片205与背板215之间的容积225可以具有比环境气压低的低压。例如，容积225可以处于真空条件下。通过抽空容积225中的一些或全部空气，更少的空气粒子与膜片205的表面相互作用，从而降低噪声。
在例示性实施方式中，可以基于环境压力调节膜片205的位置。例如，在海平面，膜片205可以处于中间位置，如图2A中。然而，如果将MEMS元件200运输到海平面以上的位置(或具有较低环境气压的任何其他位置)，则在容积225内的绝对压力恒定的情况下膜片205将移动离开背板215，诸如在图2C的实施方式中。类似地，如果将MEMS元件200运输到海平面以下的位置(或具有较高环境气压的任何其他位置)，则在容积225内的绝对压力恒定的情况下膜片205将移动得更靠近背板215，诸如在图2B的实施方式中。为了补偿在中间条件(例如，没有环境压力的变化)下膜片205相对于背板215的位置的差异，可以调节膜片205的位置，使得膜片205处于中间位置(例如，如图2A中)。
可以使用任何合适的手段来测量并补偿环境压力的变化。例如，在例示性实施方式中，可以跨膜片205和背板215施加偏置电压，从而在膜片205与背板215之间施加静电力。来自偏置电压的静电力可以用于迫使膜片205和背板215更紧密，以补偿周围压力(ambientpressure)的变化。在例示性实施方式中，可以由ASIC确定膜片205与背板215之间的电容，并且ASIC可以调节偏置电压，以使电容处于预定电容。例如，ASIC可以确定预定时间段期间的平均电容。ASIC可以确定预定时间段期间的平均电容是否对应于没有(或最小的)声能施加到膜片205的时间段。可以将预定时间段期间的平均电容与对应于例如中间膜片205位置的预定电容进行比较。可以将偏置电压调节成使得下一预定时间段期间的平均电容是(或接近)预定电容。
在一些实施方式中，MEMS元件200可以用作压力传感器。例如，MEMS元件200可以用于确定绝对周围压力。如上面参照图2A和图2B讨论的，膜片205根据周围压力而移入或移出。因此，膜片205与背板215之间的电容变化。在例示性实施方式中，膜片205与背板215之间的电容可以用于确定周围压力。例如，膜片205与背板215之间的电容可以用于在查找表中查找对应的周围压力。在另一示例中，可以确定电容与周围压力之间的数学关系。在这种示例中，可以至少部分基于MEMS元件200的特性(诸如指状物210的数量、膜片205的移动量等)来确定数学关系。
如上面提到的，膜片205与背板215之间的电容随着气压的微小变化(诸如由声波引起的变化)而显著变化。在例示性实施方式中，可以使用一段时间(例如，0.1秒、0.5秒、1秒、5秒等)的平均电容来确定周围压力。随着时间的推移，由声波引起的变化将抵消。由此，使用一段时间的平均电容表示没有声波的周围气压。
如上面讨论的，在一些实施方式中，使用偏置电压来补偿周围压力的变化。在这种实施方式中，可以使用用于使膜片205与背板215之间的电容处于预定电容的电压量来确定周围压力。例如，可以将偏置电压的量与查找表进行比较，以确定周围压力。
图3是根据例示性实施方式的、沿着图2A的线299的低压MEMS声元件的剖面图。在图3所示的实施方式中，膜片205包括三十四个指状物210。在另选实施方式中，可以使用额外的或更少的指状物210。例如，膜片210可以在一平方毫米中包括约140,000、175,000或210,000个指状物210。在这种示例中，指状物210可以为0.5、0.8、1、1.2或1.5微米(μm)宽。可以使用任何其他合适数量或尺寸的指状物210。例如，膜片210可以包括少于140,000个指状物210或多于210,000个指状物210。在另一示例中，指状物可以小于0.5μm宽或大于1.5μm宽。
在图3所示的实施方式中，指状物210具有正方形或矩形的横截面形状。在另选实施方式中，可以使用任何合适的形状，诸如圆形、椭圆形、六边形、八边形、五角星形等。还如图3所示，空隙220的横截面形状与指状物210的形状匹配。即，空隙220是正方形或矩形，但具有更大面积，使得指状物210不接触背板215以及与背板215短接。在另选实施方式中，空隙220的横截面形状可以与指状物210的横截面形状不同。
在各种实施方式中，膜片205移动约0.001、0.005、0.01、0.05、0.1、0.5或1纳米每帕斯卡(nm/Pa)。在另选实施方式中，膜片205可以移动少于0.001nm/Pa或大于1nm/Pa。在各种实施方式中，指状物的宽度为0.1、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、5或10微米(μm)。在另选实施方式中，指状物的宽度可以小于0.1μm或大于10μm。在各种实施方式中，指状物210的端部与空隙220的底部之间的距离为1、2、3、4、5、10或20微米(μm)。在另选实施方式中，指状物210的端部与空隙220的底部之间的距离可以小于1μm或大于20μm。在各种实施方式中，指状物210与基板215之间的交叠的长度为1、2、3、4、5、10或20微米(μm)。在另选实施方式中，指状物210与基板215之间的交叠的长度可以小于1μm或大于20μm。在各种实施方式中，空隙220的深度为1、2、3、4、5、10、15、20或30微米(μm)。在另选实施方式中，空隙220的深度小于1μm或大于20μm。
在图3所示的实施方式中，背板215的横截面形状是矩形。在另选实施方式中，可以使用任何合适的形状。例如，背板215的横截面形状可以是正方形、圆形、椭圆形、六边形、八边形、五角星形等。通过改变指状物210和/或空隙220的横截面形状，可以改变背板215与膜片205之间的电容。即，通过增大指状物210与相应空隙220之间的表面积，增大了背板210与膜片205之间的电容。
图4是根据例示性实施方式的、沿着图2A的线298的低压MEMS声元件的剖面图。在图4所示的实施方式中，绝缘体230绕MEMS元件200的外周包围指状物210。在例示性实施方式中，绝缘体230在膜片205与背板215之间建立密封，使得容积235可以具有与环境压力不同的压力。
图5A至图5F是例示了根据例示性实施方式的、生产低压MEMS声元件的方法的图。图6是根据图5A至图5F中例示的实施方式的、生产低压MEMS声元件的方法的流程图。在另选实施方式中，可以执行附加的、更少的和/或不同的步骤。而且，图5A至图5F以及图6不意味着关于操作顺序的限制。例如，在另选实施方式中，可以同时执行两个或更多个操作。
图5A包括基板515。基板515可以是导电材料，诸如背板215的材料。基板515包括空隙530。在操作605中，可以在基板515中形成空隙530。可以利用任何合适的方法(诸如蚀刻(例如，深反应离子蚀刻)、激光钻孔、机械圆形钻孔(mechanical circular drilling)、冲压等)在基板515内形成空隙530。
在操作610中，如图5B所示，可以向基板515的上表面涂敷保形涂层(conformalcoating)535。保形涂层535可以覆盖基板515的顶表面和空隙530的内表面。可以使用任何合适的方法来沉积保形涂层535，诸如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。在操作615中，如图5C所示，可以向保形涂层535的上表面涂敷非保形涂层540。非保形涂层540可以涂敷到保形涂层的顶表面和空隙530的底部，但不涂敷到空隙530的侧面。可以使用任何合适的方法来涂敷非保形涂层540。
在操作620中，如图5D所示，可以在非保形涂层540的顶部上涂敷导电层545。导电层545可以是任何合适的材料，诸如膜片205的材料。例如，导电层545可以是多晶硅。导电层545可以包括填充保形涂层535之间的空隙530的指状物510。指状物510可以对应于MEMS元件200的指状物210。
如图5D所示，导电层545可以包括空隙550。在操作625中，如图5E所示，可以去除保形涂层535和非保形涂层540的内部部分。可以使用任何合适的方法来去除保形涂层535和非保形涂层540的内部部分，诸如使用稀释的氟化氢(HF)的湿法蚀刻。例如，蚀刻材料可以流过空隙550，以溶解或以其他方式使保形涂层535和非保形涂层540的内部部分液化。如图5E所示，保形涂层535和非保形涂层540的外部部分可以保留，从而形成MEMS元件200的绝缘体230。
在操作630中，如图5F所示，可以在导电层545上方涂敷覆盖层555。在例示性实施方式中，覆盖层555在低压(例如，真空或海平面的负表压)下形成。例如，可以在包含基板515、非保形涂层540、导电层545等的真空室内施加低压之后形成覆盖层555。可以以任何合适的方式来涂敷覆盖层555，诸如低压化学气相沉积(LPCVD)或超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)。覆盖层555可以密封容积525，使得容积525具有比大气压力低的低压。例如，容积525内的压力可以为约十毫巴。在另选实施方式中，容积525内的压力可以高于或低于十毫巴。
图7A至图7G是例示了根据例示性实施方式的、生产低压MEMS声元件的方法的图。图8是根据图7A至图7G中例示的实施方式的、生产低压MEMS声元件的方法的流程图。图7A至图7G以及图8分别与图5A至图5F以及图6类似，但提供了将偏置电压用于补偿周围压力的变化。在另选实施方式中，可以执行附加的、更少的和/或不同的步骤。而且，图7A至图7G以及图8不意味着关于操作顺序的限制。例如，在另选实施方式中，可以同时执行两个或更多个操作。
图7A包括基板715。基板715可以是导电材料，诸如背板215的材料。基板715包括空隙730。在操作805中，可以在基板715中形成空隙730。可以利用任何合适的方法在基板715内形成空隙730，诸如蚀刻(例如，深反应离子蚀刻)、激光钻孔、机械圆形钻孔、冲压等。
在操作810中，如图7B所示，可以向基板715的上表面涂敷保形涂层735。保形涂层735可以覆盖基板715的顶表面和空隙730的内表面。可以使用任何合适的方法来沉积保形涂层735，诸如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。在操作815中，如图7C所示，可以向保形涂层735的上表面涂敷非保形涂层740。可以将非保形涂层740涂敷到保形涂层的顶表面和空隙730的底部，厚至足以用足够的材料填充空隙730，使得空隙730中的非保形涂层740的顶表面在基板715的顶表面上方。可以使用任何合适的方法来涂敷非保形涂层740。
在操作820中，如图7D所示，可以在非保形涂层740的顶部上涂敷导电层745。导电层745可以是任何合适的材料，诸如膜片205的材料。例如，导电层745可以是多晶硅。导电层745可以包括不延伸到空隙730中的指状物710。指状物710可以对应于MEMS元件200的指状物210。
如图7D所示，导电层745可以包括空隙750。在操作825中，如图7E所示，可以去除保形涂层735和非保形涂层740的内部部分。可以使用任何合适的方法来去除保形涂层735和非保形涂层740的内部部分，诸如使用稀释的氟化氢(HF)的湿法蚀刻。例如，蚀刻材料可以流过空隙750，以溶解或以其他方式使保形涂层735和非保形涂层740的内部部分液化。如图7E所示，保形涂层735和非保形涂层740的外部部分可以保留，从而形成MEMS元件200的绝缘体230。
在操作830中，如图7F所示，可以在导电层745上方涂敷覆盖层755。在例示性实施方式中，覆盖层755在低压(例如，真空)下形成。可以以任何合适的方式来涂敷覆盖层755，诸如低压化学气相沉积(LPCVD)或超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)。覆盖层755可以密封容积725，使得容积725具有比大气压力低的低压。例如，容积725内的压力可以为约十毫巴。在另选实施方式中，容积725内的压力可以高于或低于十毫巴。在例示性实施方式中，覆盖层755是不导电的。
在操作835中，如图7G所示，可以在覆盖层755上方涂敷偏置层760。在例示性实施方式中，偏置层760可以是导电的。例如，偏置层760可以是与导电层745相同的材料。如上面讨论的，可以跨偏置层760和基板715施加偏置电压，从而形成电容器。由偏置电压产生的静电力可以用于使导电层745(连同覆盖层755和偏置层760一起)移入或移出容积725。
例如，在中间周围压力下，如图2A的膜片205所示，导电层745可以跨MEMS元件是笔直的。在周围压力降低时，如图2C的膜片205所示，导电层745可以移动离开容积725和基板715。可以跨偏置层760和基板715施加或调节偏置电压。如图2A的膜片205所示，由偏置电压生成的静电力可以使导电层745返回到笔直位置。在例示性实施方式中，容积725内的气压被设置为使得膜片205在最小操作周围压力(诸如海平面处的周围气压)下处于中间位置。在要在比海平面处的周围气压更大的周围压力下使用MEMS元件的实施方式中，容积725内的气压可以是允许膜片205在该更大的周围压力下(或以上)处于中间位置的压力。
如在图7D至图7G中看到的，指状物710不延伸到它们相应的空隙730中。在例示性实施方式中，可以利用偏置电压调节MEMS元件的膜片，使得指状物710在正常操作期间延伸到相应空隙730中。在另选实施方式中，与图5D至图5F所示的实施方式中相同，指状物710可以延伸到空隙730中。
图9A至图9L是例示了根据例示性实施方式的、生产低压MEMS声元件的方法的图。图10是根据图9A至图9L中例示的实施方式的、生产低压MEMS声元件的方法的流程图。在另选实施方式中，可以执行附加的、更少的和/或不同的步骤。而且，图9A至图9L以及图10不意味着关于操作顺序的限制。例如，在另选实施方式中，可以同时执行两个或更多个操作。
如图9A和图10所示，在操作1005中，在基板915上方沉积保形涂层940。在各种实施方式中，保形涂层940是约8、10、11、13、15或20μm厚的氧化物层。在另选实施方式中，保形涂层940可以是任何其他合适的厚度，诸如小于8μm厚或大于20μm厚。在另选实施方式中，基板915对应于背板215。在一些实施方式中，基板915可以在电气或电子部件的顶部上形成。例如，基板915可以在ASIC的顶部或上方形成，从而形成包括MEMS元件和处理电路在内的单个部件。
如图9B和图10所示，在操作1010中，在保形涂层940上方沉积第一导电层945。第一导电层945可以是任何合适的材料，诸如膜片205的材料。例如，第一导电层945可以是多晶硅。在各种实施方式中，第一导电层945为约0.5、0.8、1、1.2或1.5μm厚。在另选实施方式中，第一导电层945是任何其他合适的厚度，诸如小于0.5μm或大于1.5μm厚。
如图9C和图10所示，在操作1015中，可以在第一导电层945、保形涂层940以及基板915中形成沟槽(trench)930。沟槽930不完全穿过基板915。在例示性实施方式中，沟槽930对应于空隙220。可以使用用于形成沟槽930的任何合适方法。例如，可以使用深度氧化物蚀刻来形成沟槽930。在各种实施方式中，沟槽930可以为约10、13或16μm深。在另选实施方式中，沟槽930可以具有任何其他合适的深度，诸如小于10μm或大于16μm深。
如图9D和图10所示，在操作1020中，可以填充沟槽930。在例示性实施方式中，用氧化物来填充沟槽930。例如，沟槽填充材料935可以是与保形涂层940相同的材料。在例示性实施方式中，可以使用高密度等离子体(HDP)和/或化学气相沉积，之后进行化学机械平坦化(CMP)。沟槽930可以被填充为使得沟槽填充材料935的顶部与第一导电层945的顶部齐平(例如，通过CMP)。
如图9E和图10所示，在操作1025中，可以在第一导电层945和保形涂层940中形成沟槽975。沟槽975可以具有与沟槽930的中心轴线同轴的中心轴线。在例示性实施方式中，可以使用深度氧化物蚀刻来形成沟槽975。在各种实施方式中，沟槽975为约5、5.5、6、6.5或7μm深。在另选实施方式中，沟槽975可以为任何合适的深度，诸如小于5μm或大于7μm深。如图9F和图10所示，在操作1025中，可以在沟槽975中形成指状物910。在例示性实施方式中，指状物910对应于指状物210。可以通过用导电材料(例如，第一导电层945的导电材料)填充沟槽930来形成指状物910。指状物910的顶侧可以与第一导电层945的顶侧齐平。
如图9G和图10所示，在操作1030中，在第一导电层945中形成释放孔950。释放孔950在第一导电层945中对齐为，使得不在存在指状物910的位置形成释放孔950。在各种实施方式中，释放孔950的直径为约1、1.5、1.8、2、2.2、2.5或3μm。在另选实施方式中，释放孔950可以为任何合适的直径，诸如小于1μm或大于3μm。
如图9H和图10所示，在操作1035中，在第一导电层945中的释放孔950上方沉积覆盖层955。覆盖层955可以填充释放孔950。在各种实施方式中，覆盖层955可以为约10、12、15、20、25、30、35、36或40纳米(nm)厚。在另选实施方式中，覆盖层955可以为任何合适的厚度，诸如小于10nm或大于40nm。覆盖层955可以沉积在第一导电层945的顶表面的顶部上。如图9H所示，覆盖层955不延伸到第一导电层945的外周。
如图9I和图10所示，在操作1040中，将不导电层960形成到覆盖层955上。在例示性实施方式中，不导电层960被图案化到覆盖层955上，并且具有释放孔。在图9I所示的实施方式中，不导电层960中的释放孔与指状物910对齐。在另选实施方式中，释放孔被设置为使得不导电层960中的释放孔不与第一导电层945中的释放孔950对齐。不导电层960还沿着第一导电层945的外周(例如，围绕覆盖层955)形成于第一导电层945的顶部上。在例示性实施方式中，不导电层960是氮化硅。在各种实施方式中，不导电层960为在覆盖层955上方约0.5、0.8、1、1.2或1.5μm厚。在另选实施方式中，不导电层960可以为任何合适的厚度，诸如小于0.5μm或大于1.5μm。
如图9J和图10所示，在操作1045中，在指状物910与基板915之间形成容积925。在例示性实施方式中，通过经由第一导电层945中的释放孔950和不导电层960中的释放孔去除沟槽填充材料935、覆盖层955以及保形涂层940的一部分，来形成容积925。例如，经由释放孔950和不导电层960中的释放孔蚀刻除了第一导电层945和指状物910之外的、基板915与不导电层960之间的材料并将其转移出容积925。
如图9K和图10所示，在操作1050中，密封容积925。在不导电层960的顶部上沉积不导电密封剂965。如图9K所示，密封剂965可以流过不导电层960中的释放孔，并且可以部分涂敷第一导电层945。在另选实施方式中，密封剂965被沉积为使得在将第一导电层945粘附到不导电层960的同时，尽可能少的密封剂965穿过不导电层960中的释放孔。在另一些实施方式中，比图9K所示更多的密封剂965穿过不导电层960中的释放孔。如图9K所示，密封剂965填充不导电层960中的释放孔，以形成容积925的气密密封。在另选实施方式中，在低压下时涂敷密封剂965，使得在密封容积925时，容积925内部的压力小于海平面处的周围压力。例如，可以在容积925内的压力为约75至100毫托(即，约10至14帕斯卡)时涂敷密封剂。在另选实施方式中，通过低压化学气相沉积(LPCVD)来形成密封剂965。密封剂965覆盖不导电层960的顶表面的至少一部分。
如图9L和图10所示，在操作1055中，在不导电层960上方(例如，在密封剂965上方)沉积第二导电层970。第二导电层970经由密封剂965和/或不导电层960连接到第一导电层945，使得第一导电层945和第二导电层970作为膜片(例如，膜片210)一起移动。第二导电层970可以用作调节第一导电层945的位置的控制电极。如上面讨论的，可以将第二导电层970与基板915之间的静电力调节为使得第一导电层945处于中间位置。
图11是根据例示性实施方式的、用于将声能转换成电信号的电路图。电路1100包括输入信号1105、MEMS元件1110、电容器1115、差分电荷放大器1120、反馈电容器1125以及解调器1130。在另选实施方式中，可以使用附加的、更少的和/或不同的元件。而且，在另选实施方式中，可以使用任何合适的电路。
在例示性实施方式中，输入信号1105包括高频载波信号。MEMS元件1110可以是图2A至图2C的MEMS元件200。可以在MEMS元件1110两端(例如，跨膜片205和背板215)施加恒定电压。电容器1115可以是匹配电容器(例如，具有相同电容)。在例示性实施方式中，电容器1115具有与处于中间位置(例如，图2A所示的位置)的MEMS元件1110的电容匹配的电容。MEMS元件1110和电容器1115按惠斯通(Wheatstone)电桥布置。来自惠斯通电桥的信号输入到差分电荷放大器1120中。可以将反馈电容器1125的大小设定为增益匹配。从差分电荷放大器1120输出的信号可以输入到解调器1130中，该解调器可以解调来自差分电荷放大器1120的信号，以获得表示施加到MEMS元件1110的声能的电信号。
在传统MEMS麦克风中，使用第一级放大器来放大来自MEMS元件的信号。第一级放大器具有闪烁噪声，这是放大器的物理限制。噪声在低频(诸如最高到约1,000Hz)下最突出。可以使用电路1100通过以下方式来消除闪烁噪声：在第一放大级之前调制到更高频率(例如，高于300,000Hz)，并且稍后在信号链中解调回原始或声频率。例如，输入信号1105可以是高频载波信号。高频载波可以具有例如100,000Hz至1,000,000Hz(即，1MHz)的频率。解调器1130可以通过去除高频载波来解调信号，从而留下来自MEMS元件1110的声信号。
图12A是根据例示性实施方式的、具有低压MEMS声元件的MEMS麦克风的剖面图。MEMS麦克风1200包括MEMS元件200、底座1205、专用集成电路(ASIC)1245、罩1220以及罩1220中的声端口1210。在另选实施方式中，可以使用附加的、更少的和/或不同的元件。
图12A(和图12B)的MEMS麦克风1200是顶部端口麦克风，因为MEMS麦克风1200可以安装到底座1205处的另一器件(例如，印刷电路板)。在另选实施方式中，可以通过将MEMS麦克风1200安装到罩1220处的另一器件而将MEMS麦克风1200作为底部端口麦克风来安装。在这种实施方式中，该另一器件可以包括与声端口1210流体连通的声端口。
在图12A所例示的实施方式中，MEMS元件200安装到底座1205。MEMS元件200从声端口1210偏移，以防止或阻止灰尘或碎屑进入到MEMS麦克风1200中并遮蔽MEMS元件200。在另选实施方式中，MEMS元件200可以安装在任何合适的位置中。例如，MEMS元件200可以以不遮蔽声端口1210的方式安装到罩1220。
图12B是根据例示性实施方式的、具有低压MEMS声元件的顶部端口MEMS麦克风的剖面图。图12A的MEMS麦克风1200与图12B的MEMS麦克风1200类似，除了MEMS元件200安装(或形成)在ASIC 1245的顶部上。例如，图9L中的MEMS元件的基板915可以形成在ASIC 1245的顶部上。在这种实施方式中，第一导电层945和第二导电层970均可以经由焊线或基板915中的过孔电连接到ASIC 1245。通过将ASIC 1245与MEMS元件集成，因为ASIC 1245和MEMS元件可以同时制造并且不需要在稍后组装在一起，所以可以简化制造，并且可以降低成本。
图13A和图13B是根据例示性实施方式的、具有低压MEMS声元件的底部端口MEMS麦克风的剖面图。除了声端口1210的位置之外，图13A和图13B分别与图12A和图12B类似。在图12A和图12B中，声端口1210处于罩1220中。在图13A和图13B所例示的实施方式中，声端口1210处于底座1205中。在例示性实施方式中，针对外部电路板的电触点可以位于底座1205的底侧上。在这种实施方式中，外部电路板可以具有与声端口1210对应的声端口，以允许声能穿过外部电路板并穿过声端口1210。
虽然图12A、图12B、图13A以及图13B例示了每个MEMS麦克风1200使用一个MEMS元件200，但在另选实施方式中，可以使用任何合适数量的MEMS元件200。例如，在一些实施方式中，可以使用一个MEMS元件200来感测声能，并且可以使用另一MEMS元件200来确定周围压力。在另一示例中，可以使用多个MEMS元件200来提供冗余、备份、验证等。
本文所述的主题有时例示了被包含在不同的其它部件内或与其连接的不同部件。应理解，这种所描绘的架构仅是示例性的，并且实际上可以实施实现相同功能的许多其他架构。在概念意义上，实现相同功能的部件的任意排列被有效“关联”为使得实现期望功能。因此，无论架构或中间部件如何，在本文被组合为实现特定功能的任意两个部件可以被看作彼此“关联”，使得实现期望的功能。同样，如此关联的任意两个部件也可被视为彼此“在工作上连接”或“在工作上联接”，以实现期望功能，并且能够如此关联的任意两个部件还可被视为彼此“在工作上可联接”，以实现期望功能。在工作上可联接的具体示例包括但不限于：物理上能配套的和/或物理上交互的部件和/或可无线交互的和/或无线交互的部件和/或逻辑上交互的和/或逻辑上可交互的部件。
关于本文大致任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可针对上下文和/或应用按需从复数转化为单数和/或从单数转化为复数。为了清楚起见，本文可以明确地阐述各种单数/复数互易。
本领域技术人员将理解，通常，本文且特别是所附权利要求(例如，所附权利要求的正文)所用的术语通常意为“开放”术语(例如，术语“包括”应被解释为“包括但不限于”，术语“具有”应被解释为“至少具有”，等等)。
本领域技术人员还将理解，如果所引入权利要求叙述的特定数量是有意的，则这种意图将在权利要求中明确叙述，并且在这种叙述不存在时，不存在这种意图。例如，作为理解的帮助，所附权利要求可以包含引入权利要求叙述的引入性短语“至少一个”和“一个或更多个”的使用。然而，这种短语的使用不应该被解释为暗示：一个权利要求叙述通过不定冠词“一”或“一个”的引入将包含这种所引入的权利要求叙述的任何特定权利要求限于只包含一个这种叙述的发明，即使当同一权利要求包括引入性短语“一个或更多个”或“至少一个”以及不定冠词(诸如“一”或“一个”)(例如，“一”和/或“一个”通常应被解释为意指“至少一个”或“一个或更多个”)的时候；这同样适用于用来引入权利要求叙述的定冠词的使用。另外，即使明确叙述了特定数量的所引入的权利要求叙述，本领域技术人员也将认识到，这种叙述通常应被解释为意指至少所叙述的数量(例如，在没有其它的修饰语的情况下，仅陈述“两个叙述”通常意指至少两个叙述，或两个或更多个叙述)。
此外，在使用类似于“A、B和C等中的至少一个”的习惯用语的情况下，通常，在本领域技术人员将理解该习惯用语的意义上意指这种解释(例如，“具有A、B和C中的至少一个的***”将包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C和/或具有A、B和C等等的***)。在使用类似于“A、B或C等中的至少一个”的习惯用语的情况下，通常，在本领域技术人员将理解该习惯用语的意义上意指这种解释(例如，“具有A、B或C中的至少一个的***”将包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C和/或具有A、B和C等等的***)。本领域技术人员还将理解，无论是在说明书、权利要求还是在附图中，实际上呈现两个或更多个另选项的任何转折连词和/或短语应被理解为预期包括项中的一个、项中二者之一或两个项的可能性。例如，短语“A或B”将被理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。进一步地，除非另外注释，否则词“近似”、“约”、“大致”等的使用意指正或负百分之十。
已经为了例示和描述的目的而提出了例示性实施方式的前述描述。该描述不旨在穷尽或限制所公开的精确形式，根据上述示教可以进行修改和变更，或者可以从所公开实施方式的实践来获得修改和变更。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等同物来限定。

Claims (18)

1.一种微机电***，该微机电***包括：
膜片，该膜片具有第一面和第二面，其中，所述第一面暴露于环境压力，并且其中，所述第二面包括从所述第二面延伸的多个指状物；
背板，该背板包括多个空隙，其中，所述多个指状物中的各个指状物仅响应于所述环境压力的变化延伸到所述多个空隙中的相应一个空隙中；
绝缘体，该绝缘***于所述膜片的一部分与所述背板的一部分之间；以及
内部容积，该内部容积至少部分由所述膜片、所述背板以及所述绝缘体限定；
其中，所述内部容积的压力小于所述环境压力；并且
其中，所述膜片被构造为响应于所述环境压力的变化而相对于所述背板移动，
其中，在所述膜片移动时，从所述膜片的所述第二面延伸的所述多个指状物不接触所述背板。
2.根据权利要求1所述的微机电***，其中，所述环境压力的变化包括由声能引起的变化。
3.根据权利要求1所述的微机电***，其中，所述膜片相对于所述背板的移动引起所述膜片与所述背板之间的电容的变化。
4.根据权利要求3所述的微机电***，其中，所述膜片与所述背板之间的电容的变化与声能的量成比例。
5.根据权利要求1所述的微机电***，其中，所述膜片和所述背板均为导电的，并且其中，所述绝缘体是电绝缘的。
6.根据权利要求1所述的微机电***，其中，所述膜片相对于所述背板的移动引起所述多个指状物与所述背板之间的交叠的变化。
7.根据权利要求1所述的微机电***，其中，所述内部容积由所述膜片、所述背板和所述绝缘体密封，以形成真空。
8.根据权利要求1所述的微机电***，其中，所述内部容积的压力具有负表压。
9.一种微机电***麦克风封装物，该微机电***麦克风封装物包括：
基板；
微机电***换能器，该微机电***换能器布置在所述基板上并且包括：
膜片，该膜片具有第一面和第二面，其中，所述第一面暴露于环境压力，并且其中，所述第二面包括从所述第二面延伸的多个指状物；
背板，该背板具有多个空隙，其中，所述多个指状物中的各个指状物仅响应于所述环境压力的变化延伸到所述多个空隙中的一个空隙中；以及
绝缘体，该绝缘***于所述膜片的一部分与所述背板的一部分之间；
其中：
内部容积至少部分由所述膜片、所述背板以及所述绝缘体限定；
所述内部容积的压力小于所述环境压力，并且其中，所述膜片被构造为响应于所述环境压力的变化而相对于所述背板移动；并且
在所述膜片移动时，从所述膜片的所述第二面延伸的所述多个指状物不接触所述背板；
处理电路，该处理电路在工作上联接到所述微机电***换能器并且被配置为：
跨所述膜片和所述背板施加恒定电压；以及
基于所述膜片与所述背板之间的电容生成电信号，其中，所述电信号表示所述环境压力的变化；以及
罩，该罩联接到所述基板并且被构造为覆盖所述微机电***换能器和处理电路。
10.根据权利要求9所述的微机电***麦克风封装物，其中，所述处理电路包括联接到所述微机电***换能器的三个匹配电容器，以形成惠斯通电桥。
11.根据权利要求10所述的微机电***麦克风封装物，其中，所述处理电路被配置为跨所述惠斯通电桥施加交流载波信号。
12.根据权利要求11所述的微机电***麦克风封装物，其中，所述处理电路还包括被配置为对所述载波信号的变化进行放大的差分电荷放大器。
13.根据权利要求12所述的微机电***麦克风封装物，其中，所述载波信号的变化由所述膜片与所述背板之间的电容引起。
14.根据权利要求9所述的微机电***麦克风封装物，其中，所述膜片与所述背板之间的电容与声能的量成比例。
15.根据权利要求9所述的微机电***麦克风封装物，其中，所述膜片相对于所述背板的移动引起所述多个指状物与所述背板之间的交叠的变化。
16.根据权利要求9所述的微机电***麦克风封装物，其中，所述内部容积的压力低于周围压力。
17.根据权利要求9所述的微机电***麦克风封装物，其中，所述环境压力的变化由声能引起，并且其中，所述电信号表示所述声能。
18.根据权利要求9所述的微机电***麦克风封装物，其中，所述膜片和所述背板均为导电的，并且其中，所述绝缘体是电绝缘的。
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