MEMS設備和方法與流程

2023-12-03 12:55:56

本發明涉及微機電系統(mems)設備和方法，具體地，涉及與換能器有關的mems設備和方法，所述換能器例如是電容式麥克風。

多種mems設備正變得越來越受歡迎。mems換能器，尤其是mems電容式麥克風，越來越多地用在可攜式電子設備(諸如行動電話和可攜式計算設備)中。

使用mems製造方法形成的麥克風設備通常包括一個或多個膜，其中用於讀出/驅動的電極被沉積在所述膜和/或基底上。在mems壓力傳感器和麥克風的情況下，通常通過測量所述電極之間的電容來實現讀出。在輸出換能器的情況下，通過靜電力來移動所述膜，所述靜電力是通過使跨所述電極施加的電位差變化生成的。

圖1a和圖1b分別示出了已知的電容式mems麥克風設備100的示意圖和立體視圖。電容式麥克風設備100包括一個膜層101，該膜層101形成一個柔性膜，該柔性膜響應於由聲波所生成的壓力差而自由移動。第一電極103機械地聯接至該柔性膜，且它們一起形成電容式麥克風設備的第一電容板。第二電極102機械地聯接至大體剛性的結構層或背板(back-plate)104，它們一起形成電容式麥克風設備的第二電容板。在圖1a示出的實施例中，第二電極102被嵌入在背板結構104中。

該電容式麥克風被形成在基底105上，該基底105例如是矽晶片，該矽晶片可以具有在其上形成的上部氧化物層106和下部氧化物層107。該基底中以及任何覆蓋層中的腔108(在下文中稱為基底腔)被設置在膜下方，且可以使用「背部蝕刻(back-etch)」穿過基底105來形成。基底腔108連接至定位在膜正下方的第一腔109。這些腔108和109可以共同提供聲學容積，從而允許膜響應於聲學激勵而移動。置於第一電極103和第二電極102之間的是第二腔110。

多個孔(在下文中稱為排出孔(bleedhole)111)連接第一腔109和第二腔110。

又一些多個孔(在下文中稱為聲學孔112)被布置在背板104中，以便允許空氣分子自由移動穿過該背板，使得第二腔110與該背板的另一側上的空間一起形成聲學容積的一部分。膜101因此被支撐在兩個容積之間，一個容積包括腔109和基底腔108，另一個容積包括腔110和該背板上方的任何空間。這些容積被定尺寸使得該膜可以響應於經由這些容積中的一個進入的聲波而移動。通常，入射聲波到達該膜所穿過的容積稱為「前容積(frontvolume)」，而另一個容積稱為「後容積(backvolume)」，所述另一個容積可以是基本上密封的。

在一些應用中，該背板可以被布置在前容積中，以使得入射聲音經由背板104中的聲學孔112到達該膜。在這樣的情況下，基底腔108可以被定尺寸為提供至少一個合適的後容積的相當大一部分。

在其他應用中，該麥克風可以被布置為使得，在使用時可以經由基底腔108接收聲音，即該基底腔形成一個到膜的聲學通道的一部分和前容積的一部分。在這樣的應用中，背板104形成通常由某個其他結構(諸如合適的封裝件)封閉的後容積的一部分。

還應注意，雖然圖1示出背板104被支撐在膜的、與基底105相對的側上，但是如下這樣的布置是已知的，其中背板104被形成為距基底最近，其中膜層101被支撐在背板104上方。

在使用時，響應於與入射在麥克風上的壓力波對應的聲波，該膜從其平衡位置略微變形。下部電極103和上部電極102之間的距離被對應地更改，從而引起這兩個電極之間的電容的改變，所述電容的改變隨後通過電子電路系統(未示出)檢測。排出孔允許第一腔和第二腔中的壓力在相對長的時段(就聲學頻率而言)內平衡，這減小了例如由溫度變化等引起的低頻壓力變化的影響，但不會在期望的聲學頻率下影響靈敏度。

本領域技術人員將理解，mems換能器通常被形成在晶片上，之後被單切(singulated)。正越來越多地提出，至少某個電子電路系統(例如用於換能器的讀出和/或驅動)也被提供作為具有換能器的集成電路的一部分。例如，mems麥克風可以被形成為具有至少某個放大器電路系統和/或某個用於使麥克風偏置的電路系統的集成電路。換能器和任何電路系統所期望的區域的佔地面積(footprint)將決定可以在一個給定的晶片上形成多少個設備，從而影響mems設備的成本。因此，通常期望減少在晶片上製造mems設備所期望的佔地面積。

除了適合於在可攜式電子設備中使用之外，這樣的換能器應能夠耐受對可攜式設備的預期處置和使用，所述可攜式設備的預期處置和使用可以包括該設備被意外掉落。

如果設備(諸如行動電話)遭受墜落，這不僅會導致由於撞擊而產生的機械衝擊，而且還會導致入射在mems換能器上的高壓力脈衝。例如，行動電話可能在該設備的一個面上具有用於mems麥克風的聲音埠。如果該設備墜落到該面上，則一些空氣可以被墜落中的設備壓縮，且被迫進入聲音埠中。此壓縮可以導致入射在換能器上的高壓力脈衝。已經發現，在常規mems換能器中，高壓力脈衝可以潛在地導致換能器的損壞。

為了幫助防止可能由這些高壓力脈衝所導致的任何損壞，已經提出，mems換能器可以被設置有可變通氣部(vent)，所述可變通氣部可以在前容積和後容積之間提供流動路徑，該流動路徑具有在使用時可以變化的尺寸。在高壓力情形下，所述可變通氣部在所述容積之間提供相對大的流動路徑，以便在所述容積之間提供相對迅速的均衡，從而減小膜上的高壓力事件的程度和/或持續時間。然而，在換能器的預期正常操作範圍以內的較低壓力下，該流動路徑的尺寸(如果有的話)則較小。

因此，可變通氣部結構(ventstructure)用作一種類型的壓力釋放閥，以在相對高的壓力差下減小作用在膜上的壓力差。然而，與在具有固定面積從而具有固定尺寸的流動路徑的膜中可能存在的排出孔不同，可變通氣部具有響應於壓力差而變化的流動路徑尺寸。因此，可變通氣部允許通氣的程度取決於作用在通氣部上的壓力差，所述壓力差顯然取決於第一容積和第二容積中的至少一個的壓力。該可變通氣部因此提供可變的聲學阻抗。

一種所提出的可變通氣部結構具有一個可移動部分，該可移動部分可移動，以便打開在膜的任一側上的容積之間延伸的孔。圖2a和圖2b例示這樣已知的可變通氣部結構。圖2a例示諸如上文關於圖1a和圖1b描述的換能器的柔性膜101(為了清楚起見，省略了換能器結構的其餘部分)。該膜被支撐在包括腔109的第一容積和包括腔110的第二容積之間。如上文描述的，該膜通常將具有多個排出孔111，所述排出孔111被定尺度並且被布置為在換能器上產生調諧效應並且減小低頻壓力變化的影響。然而，這樣的排出孔被設計為在感興趣的聲學頻率下對動態壓力變化具有有限的影響，從而提供對突然高壓力事件的非常有限的響應。

因此，圖2a的換能器結構還包括由可移動部分202形成的可變通氣部結構201，如由圖2b例示的，該可移動部分202相對於一個孔可移動，所述孔在此情況下是穿過膜101的孔。可移動部分202被布置為在平衡壓力下(即當第一容積和第二容積處於大體上相同的壓力時)佔據該孔的區域的至少一些，且可能佔據該孔的區域的大部分。該可移動部分響應於該孔兩側(即在前容積和後容積之間從而膜兩側)的局部壓力差而可移動，以便使該孔的尺寸變化，該孔被打開以提供流動路徑，從而使通氣部允許所述容積之間的壓力均衡的程度變化。換句話說，在平衡時，該可移動部分可以有效地閉合該孔的至少一部分，但該可移動部分可移動，以便使該孔被閉合的程度變化。

可移動部分202可以通過穿過膜材料101蝕刻一個或多個通道203來限定，使得該可移動部分通過一個或多個連接點204附接到膜101的其餘部分，從而該可移動部分可以從該膜的其餘部分偏轉。該通氣部可以被配置為使得可移動部分202在mems換能器的正常預期操作範圍以內的壓力差下基本上不被偏轉，從而保持該孔閉合，但是在可以潛在地導致膜損壞的較高壓力差下移動以增大流動路徑的尺寸，例如較少地閉合該孔。

圖2a的頂部部分例示在正常操作中的柔性膜101，在正常操作中，第二容積110中的壓力大於第一容積中的壓力。膜101因此從膜平衡位置向下偏轉。然而，壓力差在該設備的正常預期操作範圍以內，即在操作壓力閾值以下，從而可變通氣部201的可移動部分202保持基本上閉合。圖2的下部部分例示可移動部分202已經從膜的其餘部分偏轉以暴露該膜中的孔，從而提供穿過該膜的流動路徑。圖2a例示膜形成可變通氣部結構201的兩個可移動部分，但是應理解，在實踐中可以存在更多這樣的通氣部。

因此，這樣的可變通氣部結構對於提供可以更好地耐受高壓力事件的mems換能器(尤其是麥克風)是非常有用的。然而，需要注意可變通氣部的設計，尤其是當可變通氣部被形成在換能器的膜中時。在已知的可變通氣部的情況下，通常在高壓力釋放和聲學壓力下的性能之間存在折衷方案，因為如果通氣部容易打開，則換能器的聲學性能可能會退化，但是如果通氣部太難打開，則它可能不會在高壓力事件期間提供足夠的額外流動。可以通過增加通氣部的數目來增加流動，但是如果在膜本身中形成太多的通氣部，則這可能使膜的性能退化，或導致膜的區域中的應力集中增加。通氣部可以替代地被形成在流動路徑中，例如穿過側壁結構，但這通常增加換能器結構的尺寸和成本，會增大換能器晶片所期望的面積。

應理解，mems換能器的膜層。當材料的原子由於力的作用而從其平衡位置移位時，就稱為該材料處於應力下。因此，增加或減少膜層的原子之間的原子間距離的力在膜內引起應力。例如，當在平衡時(即，當膜兩側沒有出現壓力差或出現可忽略的壓力差時)，膜層表現出固有的(inherent)或內在的(intrinsic)殘餘應力。此外，應力可以在膜層內出現，這是例如由於以與該基底成固定關係來支撐該膜的方式或由於入射在膜上的聲學壓力波。

根據本發明的mems換能器意在響應於在膜表面上表現為瞬時應力波的聲學壓力波。因此，應理解，當在平衡時在膜層內表現出的應力可以潛在地對換能器的性能具有不利影響。

本發明的多個實施方案總體上涉及改進換能器結構的效率和/或性能。本發明的多個方面還涉及減輕和/或重分布膜層內的應力。

根據本發明的一個方面，提供了一種mems換能器，所述mems換能器包括一個相對於基底被支撐的膜，所述膜包括一個中心區域和多個應力分布臂，所述多個應力分布臂從所述中心區域橫向延伸。

優選地，所述應力分布臂用於以與所述基底成固定關係來支撐膜層。優選地，每個應力分布臂包括一個或多個安裝結構，所述安裝結構以與所述基底成固定關係來支撐膜層。因此，所述膜可以藉助於設置在每個應力分布臂上的一個或多個安裝部分而被直接地或間接地安裝到所述基底。優選地，所述安裝部分被設置在所述膜層的周界處或附近。所述安裝部分的位置可以有效地限定所述膜層的邊界。

所述應力分布臂優選地被布置和/或被配置為在所述膜內提供受控的應力分布。在一個優選的實施方案中，所述應力分布臂相對於所述膜的所述中心區域布置，使得跨越所述膜或跨越至少所述膜的所述中心區域的應力分布是基本上均勻的或以受控的方式變化。所述應力分布臂優選地以規則的距離間隔圍繞所述膜的所述中心區域布置。此布置可以減輕特別是在所述膜的所述中心區域中出現應力集中區域，電極通常被聯接到所述膜的所述中心區域，從而在所述膜的所述中心區域進行感測(即，膜的移動)。

根據一個實施例，所述膜的形狀可以是大體上正方形的或矩形的，且多個應力分布臂中的一個可以從所述中心區域向外朝向所述膜的一個周界拐角延伸。接近於所述周界拐角，所述應力分布臂被設置有一個或多個安裝結構，所述安裝結構有效地限定所述膜的邊界邊緣。

所述膜可以被布置在所述換能器的基底上方，使得所述膜的所述中心區域基本上覆蓋所述基底的一個腔。

包括一個中心區域和一個或多個應力分布臂的所述膜可以被認為形成所述膜的第一區域。所述膜也可以包括至少一個第二區域，所述第二區域可以通過一個或多個通道與所述第一區域分離。

根據本發明的另一方面，提供了一種mems換能器，所述mems換能器包括一個膜，所述膜具有第一膜區域和第二膜區域，其中所述第一膜區域通過一個或多個通道與所述第二膜區域分離。所述第一膜區域可以包括一個中心區域和多個支撐臂，所述多個支撐臂從所述中心區域橫向延伸，每個支撐臂具有一個或多個安裝部分，所述安裝部分以與所述基底成固定關係來支撐膜層。所述支撐臂還被布置和/或被配置為使得在平衡時在所述膜中出現的應力分布是受控的。優選地，所述支撐臂被布置和/或被配置為最小化/減輕在所述膜的所述中心區域中(特別是，在所述膜的中心附近)發生任何應力集中。所述膜的所述第二膜區域可以被布置在所述膜的周界處、在兩個相鄰的應力分布臂之間的區域中。

所述第一區域可以被認為包括所述膜的「活性(active)區域」。因此，包括一個中心區域和一個或多個應力分布臂的所述膜可以被認為是第一或活性膜區域。此外，所述第二區域可以被認為包括所述膜的「非活性(inactive)區域」。所述第一/活性區域可以被認為是換能器膜的、用於感測的和/或是「動態的」區域。所述膜的、通過通道與所述第一/活性區域分離的所述第二/非活性區域在感測方面可以被認為是非動態的，使得所述膜的此部分的任何移動是可忽略的。例如，在包括根據本發明的一個方面的mems換能器的麥克風設備的情況下，所述第一/活性區域響應於聲學激勵(例如，進入與所述膜相鄰的容積的聲波)的移動被測量。所述換能器可以包括第一電極和第二電極，所述電極中的一個被聯接到第一或活性膜區域，並且所述電極之間的電容被測量以感測或測量所述聲學激勵。

因此，所述mems換能器還可以包括一個被聯接到所述膜的所述第一/活性區域的電極。

所述膜的所述第二/非活性區域仍然將充當mems換能器的前容積和後容積之間的聲學屏障。因此，存在與將所述第二/非活性區域作為所述mems換能器的一部分相關聯的優點。然而，所述第二/非活性區域的移動(其將是零或是可忽略的)未被測量。

根據本發明，提供了一種mems換能器，所述mems換能器包括：一個膜層，包括：

一個活性膜區域，活性區域包括多個臂，用於支撐所述活性膜區域；和

多個非活性膜材料區域，所述多個非活性膜材料區域未被直接連接到所述活性膜區域。

所述膜的所述第一區域和/或第二區域可以設置有至少一個通氣部結構，所述通氣部結構具有一個可移動部分，所述可移動部分響應於所述通氣部結構兩側的壓力差而偏轉，以提供穿過所述膜的流動路徑。優選地，與所述第二區域相比，所述第一區域設置較少的通氣部結構。

所述膜的所述第一區域和/或第二區域可以設置有一個或多個排出孔。優選地，與所述第二區域相比，所述第一區域設置較少的排出孔。

優選地，包括所述第一膜區域和所述第二膜區域的所述膜的形狀是非圓形。因此，所述膜的形狀可以是大體上正方形的或矩形的。所述膜可以包括四個側邊。替代地，所述膜可以具有多邊形形狀。

根據另一方面，提供了一種晶片，所述晶片包括至少一個使本發明的任何一個方面具體化的換能器。因此，一個晶片可以包括至少一個mems換能器，所述mems換能器具有一個相對於基底被支撐的膜，所述膜包括一個中心區域和多個應力分布臂，所述多個應力分布臂從所述中心區域橫向延伸，每個應力分布臂具有一個或多個安裝部分，所述安裝部分以與所述基底成固定關係來支撐膜層。

優選地，所述晶片是矽晶片，且包括一個換能器區域，在所述換能器區域處換能器被設置在所述晶片上。矽晶片的所述換能器區域的形狀典型的是正方形或矩形。根據優選的實施方案所述膜的形狀可以優選地是大體上正方形或矩形，由於所述膜的形狀，所述換能器可以是基於利用大體上矩形或正方形膜區域的設計。這在製造具有一個或多個mems換能器的矽晶片時是特別有利的，因為應理解，這樣的設計與等效圓形設計相比，對於給定的換能器靈敏度需要較少面積。

本發明的多個方面還涉及減輕和/或擴散和/或重分布在所述膜中、在安裝結構的區域中出現的應力，所述安裝結構用於以與所述基底成固定關係來支撐膜的位置。

根據本發明的另一方面，提供了一種mems換能器，所述mems換能器包括一個膜和至少一個安裝結構，所述至少一個安裝結構用於相對於一個基底支撐所述膜，以提供一個柔性膜，且所述mems換能器還包括一個或多個應力擴散結構，所述一個或多個應力擴散結構設置在所述膜中，以便擴散所述安裝結構的區域中的應力。

所述應力擴散或重分布結構可以包括延伸穿過所述膜的縫。所述縫的形態可以是彎曲的或弓形的。因此，所述縫可以是c形的或u形的，且可以彎曲至少180度，以在所述縫的端部之間限定一個口或開口。所述應力擴散結構有利地用來以受控的方式改變所述膜中出現的局部應力分布。優選地，所述應力擴散縫接近於所述安裝結構設置，使得所述彎曲縫的口背對由所述或每個安裝結構限定的邊界，且通過所述縫與所述安裝結構的區域分離。以此方式，本發明的優選實施方案的仿真已經證明，在所述膜內、在所述安裝結構處或附近出現的應力被引導到所述縫的彎曲部周圍並且被集中在所述彎曲部的任一側。所述彎曲部的邊界部分內的膜應力也被示出為被減小。優選地，多個應力擴散結構被設置成行。在此實施例中，仿真示出，在相鄰的應力擴散結構之間出現一系列應力集中區域和在所述應力擴散結構的邊界部分中的一系列減小應力區域。以此方式控制應力已經證明，改進了所述膜的靈敏度。具體而言，根據一些實施例，應力被示出為更均勻地分布在所述膜的所述中心區域處。所述膜的順從性和/或柔性被增強。

雖然所述縫將有效地使所述膜的一部分與所述膜的其餘部分分離，但是所述縫被定尺度為使得所述膜的、由所述縫限定的部分不充當由於所述膜兩側的壓力差而變形的折翼。因此，所述縫的邊界彎曲部中的部分響應於所述膜兩側的壓力差而表現出最小的遠離所述膜的平面的偏轉。

根據本發明的又一方面，提供了一種mems換能器，所述mems換能器包括一個相對於一個基底被支撐的膜，所述膜包括一個中心區域和多個應力分布臂，所述多個應力分布臂從所述中心區域橫向延伸，其中每個應力分布臂包括一個或多個安裝結構，所述安裝結構相對於所述基底支撐膜層，且其中設置一個或多個應力擴散結構以便使所述安裝結構的區域中的應力擴散。

一般而言，提供了一種mems換能器，所述mems換能器具有一個柔性膜，所述mems換能器包括至少一個應力重分布特徵。所述mems換能器可以是電容式麥克風。所述柔性膜可以被支撐在第一容積和第二容積之間，且一個通氣部結構可以被設置以允許所述第一容積和所述第二容積之間的流動路徑。所述通氣部結構可以包括一個可移動部分，所述可移動部分可移動，以便打開從所述第一容積延伸到所述第二容積的孔。所述可移動部分可以靜止地佔據所述孔的區域的至少一些且可能地佔據大部分，但是響應於所述孔兩側的局部壓力差而可移動，以便使孔的尺寸變化，所述孔被打開以提供流動路徑。換句話說，所述可移動部分在平衡時可以有效地閉合所述孔的至少一部分，但是可移動以便使所述孔閉合的程度變化。所述可移動部分優選地被布置為，在正常操作壓力差下，保持所述孔(即，孔徑)閉合，但是在會潛在地對所述膜造成損壞的較高壓力差下，使所述流動路徑的尺寸增加更大，例如使所述孔閉合較小。因此，所述通氣部可以被看作可變孔徑。

因此，所述通氣部結構充當一種類型的壓力釋放閥，以減小作用在所述膜上的壓力差。然而，與所述膜中的具有固定面積從而具有固定尺寸的流動路徑的排出孔(如果有的話)不同，所述可變通氣部具有響應於壓力差而變化的流動路徑尺寸，即孔徑。因此，所述通氣部允許通氣的程度取決於作用在所述通氣部上的壓力差，所述壓力差顯然取決於所述第一容積和所述第二容積中的至少一個的壓力。因此，所述通氣部結構提供了可變聲學阻抗。

所述換能器可以包括一個背板結構，其中所述柔性膜層相對於所述背板結構被支撐。所述背板結構可以包括穿過所述背板結構的多個孔。

所述換能器可以是電容式傳感器，諸如麥克風。所述換能器可以包括讀出(即，放大)電路系統。所述換能器可以被定位在具有聲音埠(即，聲學埠)的封裝件內。所述換能器可以被實施在電子設備中，所述電子設備可以是以下中的至少一個：可攜式設備；電池供電設備；音頻設備；計算設備；通信設備；個人媒體播放器；行動電話；平板設備；遊戲設備；以及語音控制設備。

任何給定的方面的特徵可以與任何其他方面的特徵組合，且本文描述的多種特徵可以在一個給定的實施方案中以任何組合的方式實施。

為以上方面中的每個方面提供了相關聯的製造mems換能器的方法。

為了更好地理解本發明，且為了示出如何實施本發明，現在將通過實施例的方式參考附圖，在附圖中：

圖1a和圖1b例示已知的mems麥克風結構的截面視圖和立體視圖；

圖2a和圖2b例示已知的可變通氣部的一個實施例；

圖3a例示根據本發明的一個實施方案的換能器結構；

圖3b例示圖3a中示出的換能器結構上的變化；

圖4例示晶片上的多個換能器的形成；

圖5例示可以用在根據一個實施方案的換能器中的可變通氣部的一個實施例；

圖6例示根據一個實施方案的換能器的橫截面；

圖7例示根據本發明的一個實施方案的另一換能器結構；

圖8a-圖8c例示多種應力重分布結構；

圖9以平面視圖例示換能器的背板；

圖10例示根據另一實施方案的換能器的橫截面；

圖11a至圖11f例示多種mems換能器封裝件。

具體實施方式

在換能器(諸如上文關於圖1a和圖1b描述的換能器)中，膜層由諸如氮化矽的材料形成，且可以被沉積為在平衡時在膜中具有固有的殘餘應力。因此，膜被形成為圍繞其基本上整個周界被支撐。因此，膜可以被認為處於張力下，類似於在框架之上拉伸的鼓皮。因此，為了提供一致的行為和均勻的應力分布，膜通常被形成為大體上圓形的結構。

例如，為了形成圖1a中例示的換能器結構，一個或多個基礎層(baselayer)可以被形成在基底105上，然後一個犧牲材料層可以被沉積且被圖案化，以形成大體上圓形的形狀。犧牲材料用來限定將形成腔109的空間。然後，一個或多個層可以被沉積在犧牲材料上，以形成膜101。排出孔111連同諸如參考圖2a或圖2b描述的任何通氣部結構可以被形成在膜層中。然後，又一犧牲材料層可以被沉積在膜的頂部上，並且被圖案化以限定腔110。然後，背板層可以被沉積。為了形成基底腔108，可以執行背部蝕刻。為了確保犧牲材料限定腔109，而不是本體背部蝕刻(這將是不太準確的)限定腔109，確保基底腔的開口小於腔109並且被定位在腔109的區域內。然後可以移除犧牲材料，以留下腔109和110且釋放膜。因此，膜層延伸到也支撐背板的側壁結構中。柔性膜自身被支撐並且被約束在所有側上，並且形狀是大體上圓形的。

雖然此類型的方法產生良好的設備屬性，但是圓形膜的使用傾向於導致矽晶片的使用效率有些低。

出於多種原因，最通常和/或成本有效的是以大體上矩形的區域塊處理矽區域。因此，矽晶片上指定用於mems換能器的區域的形狀通常是大體正方形或矩形。此區域需要足夠大，以包含大體上圓形的換能器結構。這在矽晶片的使用方面傾向於是效率低的，因為此指定換能器區域的拐角區域未被有效地使用。這限制了可以在一個給定的晶片上製造的換能器結構和電路的數目。當然，可以通過減小換能器的尺寸來將更多個換能器置於一個晶片上，但是這將對所產生的靈敏度具有影響，因此是不期望的。

因此，在一些實施方案中，換能器是基於更有效率地利用大體上矩形的或正方形的區域的設計。與等效圓形設計相比，針對給定的換能器靈敏度，此設計需要較小的面積。

圖3a例示了根據本發明的一個實施方案的換能器300的一個實施例。圖3a例示了換能器膜101，因此表示穿過該換能器的截面，但是背板可以具有基本上相同的形狀。該膜不是基本上圓形的，在此實施例中，作為替代，該膜具有多邊形形狀。一般而言，該膜具有將基本上填充由該膜的周界限定的正方形區域的形狀。換句話說，如果考慮將完全包含膜101的儘可能小的正方形區域，則該膜將覆蓋大比例的這樣區域的，例如該膜可以覆蓋至少90％的這樣的正方形區域。應理解，對於直徑為d的圓形膜，最小的這樣的正方形區域將具有側邊d。因此，圓的面積(π.d2/4)將覆蓋約78％的這樣的正方形的面積(d2)。

圖3a中例示的整個區域設置有一膜材料層。然而，在圖3a中例示的實施例中，該膜材料層被分成第一膜區域301和多個第二區域302，該第一膜區域301在本文中將稱為活性膜區域或僅稱為活性膜，該第二區域302將稱為非活性膜區域或非活性膜。非活性膜區域302由圖3a中的陰影區域例示，其中非陰影區域對應於活性膜301。

因此，活性膜是中心區域，例如，膜電極103將被定位在該中心區域，該中心區域由多個臂303支撐。在一些實施方案中，所述臂可以基本上均勻地圍繞該膜的周界分布。所述臂的大體上均勻的分布會有助於避免不期望的應力集中。在圖3中例示的實施例中，存在四個臂303，從而存在四個分立的非活性膜區域302，但是應理解，在其他實施方案中可以存在更多或更少的臂，但是優選地將存在至少三個臂。

因此，在活性膜區域301的材料和非活性膜區域302的材料之間存在一個或多個通道或間隙304。方便地，在製造期間，一連續的膜材料層可以被沉積，然後可以穿過該膜材料蝕刻通道304，以形成活性區域和非活性區域。通道可以被成形為使得所述臂的側邊緣表現出平滑的或連續的輪廓，而非由一個或多個直線形成。這被例示在圖3b中。

活性膜區域301的每個臂303可以包括至少一個安裝件305，用於相對於該基底且也可能相對於背板來支撐活性區域301的膜層。在非活性膜區域內也可以存在安裝件306，用於支撐非活性膜區域。

安裝件305和306可以採取多種形式。例如，安裝件可以包括換能器結構的側壁，且膜層可以延伸到該側壁中。然而，在一些實施例中，安裝件可以是膜材料與基底或從基底隆起的支撐結構接觸的區域。安裝件也可以包括該背板或用於該背板的支撐結構與該膜接觸的區域。因此，膜在安裝件處被有效地保持在適當的位置，且被防止相對於該基底和/或該背板的任何大的移動。

因此，該膜層的材料可以在內在應力內沉積，如先前描述的。活性區域301的多個臂全部大體上輻射狀遠離活性膜的中心，因此，可以用以有效地保持該膜處於張力中。如所提及的，所述臂可以圍繞活性膜均勻地間隔開。此外，活性膜301的安裝點(例如，安裝件305)全都可以與活性膜的中心基本上等距離，即使在大體上正方形的膜層的情況下。這是可能的，因為正方形布置的「側邊」處的膜材料已經被分離成未被直接連接到活性膜區域的非活性膜區域。因此，這種布置意味著，在平衡時以及當活性膜受入射壓力激勵而被偏轉時，活性膜中的應力分布是大體均勻的。因此，活性膜將以與圍繞其周界被約束的圓形膜類似的方式運轉。如果是所有側邊被限制的正方形膜或圖3a中例示的多邊形膜，則這將不是該情況。

這樣的設計是有利的，因為它提供了這樣的活性膜區域，該活性膜區域具有的響應與半徑等於活性膜的中心與臂的安裝件305之間的距離的圓形膜的響應類似。然而，製造這樣的對應的圓形膜換能器將需要較大矩形區域的基底。因而，通過使用諸如圖3a中例示的設計，與具有類似性能的圓形膜相比，換能器在晶片上所期望的面積可以被減小。

因此，總而言之，在本發明的一些實施方案中，mems換能器可以包括一個膜層，該膜層被形成到一個活性膜區域內，該活性區域包括用於支撐該活性膜區域的多個臂。所述臂可以圍繞該活性膜的周界基本上均勻地分散開。膜層也可以包括多個非活性膜材料區域，所述非活性膜材料區域未直接連接到該活性膜區域。該活性膜區域的臂可以包括一個或多個安裝件，每個臂的安裝件與該活性膜的中心大體上等距。該活性膜可以處於內在應力下。

本領域技術人員應理解，之前已經提出了多種設計的mems換能器，所述mems換能器具有隔膜，該隔膜的中心部分被臂支撐。然而，在這樣的已知設計中，隔膜通常不處於內在應力下，且這樣的臂的目的常常是減小應力；然而，在圖3a中例示的實施方案中，臂維持該活性膜中的內在應力。

此外，這樣的已知設計不包括非活性膜區域。在本發明的實施例的設計中，基本上整個由安裝件305限定的區域包括膜材料。換句話說，如果想要通過在相鄰的臂的安裝件305之間繪製直線來限定一個形狀，則這樣的形狀的基本上所有區域將包括膜材料，即活性膜材料或非活性膜材料。例如，由安裝件305限定的至少90％的區域或由安裝件305限定的至少95％的區域將包括膜材料。在圖3a的設計中，此區域的唯一不包括膜材料的部分是排出孔111和通道304(連同用於通氣部307的任何通道，如下文將討論的)。

優選地，活性區域和非活性區域之間的間隙可以是相對小的，即恰好足以分離這些區域，例如，大約幾微米左右。因此，在平衡位置處，活性區域可以與膜的非活性區域位於同一平面內。因此，在平衡時，換能器的前容積和後容積之間的唯一顯著的流動路徑會是穿過為低頻壓力均衡而設置的任何排出孔111。

響應於入射壓力激勵，活性膜將以與上文討論的常規膜類似的方式被偏轉。應理解，膜的非活性區域可以不被偏轉到相同的程度，因此當活性膜移動時，在膜的活性區域和非活性區域之間可以存在打開的小流動通道。然而，這樣的流動通道可能是相對小的，增加的聲導可被限制，因此對換能器性能的影響也可被限制。在設計換能器且設計例如排出孔111的數目時，可考慮膜的活性區域和非活性區域之間的任何流動的影響。

如上文提及的，整個換能器結構可以具有圖3a中例示的大體形狀。具體而言，背板可以是與例示的膜相同的大體形狀。背板可以通過安裝點305和/或306處的支撐件而被支撐在膜上方，且背板的外邊緣基本上不會延伸超出膜材料層的邊緣。如上文提及的，這對於在晶片上製造多個換能器且可能地連同相關聯的電子電路系統會是有利的。

圖4例示了晶片400的至少一部分，具有在所述晶片400上製造的多個換能器300。晶片400可以是已經被處理以產生多個設備並且處於單切之前的晶片。在此實施例中，每個換能器具有相關聯的電路系統401區域。該電路系統區域可以包括用於操作和/或讀出換能器的電路系統。例如，該電路系統可以包括電壓偏置電路，諸如電荷泵浦。附加地或替代地，讀出電路系統可以包括放大器電路系統，諸如低噪聲放大器或其他讀出或信號處理電路系統。換能器300將通過導電路徑402連接到電路系統，導電路徑402通常可以至少部分地隱埋在多個其他層(諸如鈍化層)下面。電路系統區域可以包括用於在使用中形成電連接的接觸區域。

可以看到的是，換能器300和電路系統401被裝配到製造區域403中，且有效率地利用該製造區域。因此，可以更有效率地使用晶片的面積，即，與原本使用圓形換能器設計的情況相比，產生更大數目的換能器，且所形成的換能器的靈敏度沒有任何顯著損失。

如上文提及的，已經提出在mems換能器結構中使用可變通氣部(例如諸如關於圖2a和圖2b例示的可變通氣部)，以在高壓力情形下充當一種類型的壓力釋放閥，該通氣部在高壓力差下打開以提供較大的流動路徑，但是在mems換能器的正常操作範圍以內的壓力差下具有較小的(如果有的話)流動路徑。因此，通氣部結構被設計為在第一壓力差範圍以內基本上閉合，但是在第二、較高的壓力差範圍時打開以允許相對顯著增加的流動，所述第一壓力差範圍對應於換能器的操作壓力差的正常範圍。注意，閉合位置不一定對應於無流動，可以對應於正常操作所期望的限定的流動路徑尺寸，例如，對應於在第一壓力差範圍以內提供至少一些低頻均衡。wo2014/045040描述了可以使用的許多不同的可變通氣部設計。

返回參考圖3a，如上所述，活性膜301相對於非活性膜區域302的移動可以在膜的任一側上的容積(例如，前容積和後容積)之間提供某種有限程度的通氣。這可以在高壓力情形下提供某種有限通氣。然而，可能有利的是，提供一些可變通氣部307用於在高壓力情形下通氣和/或用於提供調諧的靈敏度響應，如上文描述的。

在一些實施方案中，至少一個可變通氣部307可以被定位在非活性膜區域302中。在一些實施方案中，所存在的任何可變通氣部307中的大多數或大體上全部可被定位在非活性膜區域302中。附加地或替代地，排出孔111中的一些、大多數或大體上全部可以被定位在膜的非活性區域中。

如上文討論的，在諸如參考圖1a和圖1b所描述的常規mems麥克風換能器中，膜層通常是基本上一致的圓形膜，該圓形膜圍繞基本上整個周界被支撐。在這樣的常規設計中，在被支撐件所限定的周界內的整個膜層實際上是活性膜。因此，在膜中所形成的任何可變通氣部被形成在活性膜中。

這意味著，通氣部的尺寸、形狀和位置需要被認真地控制。如果在膜中存在太多通氣部，通過蝕刻穿過膜所形成的通氣部的存在可能更改膜中的應力，並且使總體性能退化。如果通氣部相對於其他膜特徵和/或彼此未被正確放置，或再次如果存在太多通氣部結構，則結果可能是以不期望的方式在膜的一部分中集中應力，尤其是對於如上文描述的具有內在應力的膜。然而，如果存在太少通氣部或它們太小，則所提供的益處可以是使通氣部最小化，並且在高壓力情形下可能不存在穿過膜的、足以防止損壞的增加的流動。

在諸如參考圖3a所描述的一個實施方案中，膜層被分成多個非活性區域302以及用於感測的活性區域301。非活性區域302包括膜材料並且繼續充當換能器的前容積和後容積之間的聲學屏障。因此，可變通氣部307可以被放置在非活性區域中，如圖3a中例示的。這樣的通氣部結構可以例如如wo2014/045040中描述的那樣操作，以提供具有可變尺寸的流動路徑，該流動路徑隨著膜兩側的壓力差而變化，且可以例如在高壓力差下打開，以提供一個顯著的附加流動路徑用於在所述容積之間通氣。然而，因為通氣部結構被形成在該膜的非活性區域302中，所以通氣部結構的存在(或不存在)對該膜的活性部分(即，活性膜區域301)的應力不具有影響。因此，與對於形成在活性膜中的通氣部相比，在可變通氣部結構的尺寸和間距的設計上可以存在更大的自由度。除了關於限定通氣部的通道的尺寸以及例如通道對低頻衰減的影響的常見關注之外，對個體通氣部的尺寸不存在限制，因此，與形成在活性膜中的通氣部的情況相比，所述通氣部可以更大。

此外，如果可變通氣部結構被形成在非活性膜302中，則在那個位置處可以存在連接到膜的一個或多個附加材料，以便定製可變通氣部的屬性，例如柔性或應力處置能力，而不影響活性膜301的性能。

因此，圖3a例示的是，每個非活性膜區域302可以設置有一個或多個可變通氣部307。可變通氣部可以具有任何合適的結構。例如，可變通氣部307可以具有根據wo2014/045040中描述的變體中的任何一個的結構，wo2014/045040的內容通過引用的方式納入本文。

然而，通過至少一些已知的可變通氣部設計，可能難以在設備的正常操作範圍以內、在保持通氣部足夠閉合以便對換能器的操作(例如mems麥克風的聲學靈敏度)具有最小影響與通氣部在高壓力情形下打開到足夠的程度以提供足夠的通氣之間實現適當的平衡。

因此，本發明的一些實施方案利用具有改進的操作特性和/或可以對給定的壓力差提供更調諧的響應的可變通氣部。

因此，在一些實施方案中，可變通氣部結構可以包括至少一個可移動部分，所述可移動部分可移動以提供一個流動路徑，該流動路徑的尺寸隨著膜材料兩側的壓力差而變化。所述可移動部分可以具有至少第一區段或節段和第二區段或節段，其中通氣部的第一區段相對於通氣部的第二部分可移動。換句話說，可移動部分的第一區段和第二區段二者都可以被偏轉遠離平衡位置，但是此外可移動部分的第二區段可以被偏轉遠離可移動部分的第一區段。第一區段可以經由由可移動部分的材料所形成的活動鉸鏈而被聯接到第二區段。因此，本發明的實施方案的可移動部分可以具有至少兩個折翼部分，而不是被布置為如具有關於圖2b所描述的可變通氣部的基本上單個折翼。

可移動部分可以相對於通氣孔布置，以在平衡位置處至少部分地充當通氣部蓋並且至少部分地阻塞通氣孔。在一些實施方案中，通氣孔可以被形成在換能器的膜層中。可移動部分充當可移動通氣部蓋，且可以通過蓋兩側的足夠的局部壓力差而被偏轉遠離其平衡位置。可移動蓋的第一區段可以被聯接到通氣孔的一個側壁，例如，周圍的膜材料，使得第一區段可以從平衡位置偏轉，例如從平衡位置旋轉地偏轉。因此，第一區段可以有效地以鉸鏈方式聯接到通氣孔的壁的側邊。第二區段可以被聯接(例如，被鉸接)到第一區段，以使得第二區段可以相對於第一區段旋轉地偏轉。因此，第二區段可以有效地以鉸鏈方式聯接到第一區段。第二區段可以僅經由第一區段連接到通氣孔的側壁，因此它的可能移動可以通過與第一區段的連接而被充分限定。

提供一個可移動部分作為通氣部蓋，其中可移動部分或蓋包括至少兩個區段，其中第二區段能夠相對於第一區段移動，且其中第二區段的移動可以由它與第一區段的連接而被完全限定是有利的，因為它允許通氣部的打開被更容易地調節到所期望的特性，且可以提供在所施加的壓力差的情況下更好的聲導分布圖。

圖5以平面視圖例示了這樣的可變通氣部結構307的一個實施例。在此實施方案中，至少一個可變通氣部結構被形成在非活性膜區域302中，流動路徑從而是穿過此部分膜的路徑，然而其他布置是可能的。因此，可變通氣部結構可以包括一個穿過非活性膜302的通氣孔，且該膜的一部分被形成為可移動部分501，該可移動部分501充當通氣部蓋，且在受到局部壓力差時，可移動部分501提供對該孔的可變程度的阻塞。

可移動蓋部分501由伸展穿過膜的至少一個通道502限定。通過蝕刻穿過膜材料所形成的通道502可以是薄的通道，且將可移動蓋部分502與膜的其餘部分分離。蝕刻至少一個通道502以使可移動蓋部分501以這種方式與非活性膜302的其餘部分部分地分離意味著，可移動蓋部分501可以被偏轉遠離該膜的其餘部分的表面。在通氣部被形成在非活性膜區域中的情況下，通氣部的可移動部分501也可以由上文討論的通道304部分地限定，所述通道304使活性膜301與非活性膜區域302分離。

在圖5的實施方案中，通道502被配置為不僅允許蓋部分501相對於非活性膜302可移動，而且還允許蓋的一個區段相對於蓋的另一區段可移動。

因此，在圖5的實施方案中，可移動部分或通氣部蓋501包括第一折翼部分501a以及第二折翼部分302b。第一折翼部分501a經由連接區域503a連接到膜101的其餘部分。此連接區域由通道502限定，從而此連接區域具有的形狀和尺寸允許可移動蓋的第一區段501a響應於作用在膜上的足夠高的壓力差而被偏轉遠離膜。連接區域503a提供第一區段501a和膜的其餘部分之間的有效地鉸鏈連接，所述其餘部分限定穿過膜的通氣孔的側壁。應理解，鉸鏈連接部被形成為活動鉸鏈，即由與膜和可移動蓋的第一區段501a相同的材料形成，且鉸鏈是通過移除連接部的任一側上的材料使得該連接部形成一個頸部部分來提供的。在此實施方案中，不需要特殊處理連接區域本身來形成該活動鉸鏈，即該連接區域不需要被變薄或以其他方式被特別削弱。該連接部由通道502的位置簡單地限定。因此，此連接區域503a允許蓋501的第一區段501a遠離該膜的其餘部分的鉸鏈(即，旋轉)移動。因此，應理解，在圖5的實施方案中，該可移動蓋的第一區段501a被有效地鉸接到膜的其餘部分。

可移動蓋的第二區段501b通過連接區域503b連接到第一區段501a。此連接區域也由通道502限定，以便此連接區域具有的形狀和尺寸允許所述可移動蓋的第二區段501b響應於足夠高的壓力差而被偏轉遠離第一區段501a。連接區域503b同樣可以提供第一區段501a和第二區段501b之間的活動鉸鏈連接部，同樣，不需要對連接區域503b進行特殊處理，該連接區域503b同樣可以形成一個頸部部分。因此，此連接區域503b允許第二區段501b遠離第一區段501a的旋轉或樞轉(即，鉸鏈)移動。應理解，因此，在圖5的實施方案中，可移動蓋的第二區段501b有效地被鉸接到第一區段501a，且經由第一區段501a僅連接到膜的其餘部分。

可移動蓋部分501的第一區段501a和第二區段501b優選地被布置為使得，它們的平衡位置(即，當不存在作用在可變通氣部結構上的大壓力差時，它們所採取的位置)基本上在非活性膜302的平面內。換句話說，在平衡處，蓋501的第一區段501a基本上不偏轉遠離膜材料的其餘部分，且第二區段501b基本上不偏轉遠離第一區段501a。因此，在平衡位置中，蓋501基本上覆蓋或阻塞穿過非活性膜的流動路徑的至少一部分。在此實施方案中，流動路徑在平衡位置處基本上完全閉合，但是在一些實施方案中，通氣部可以被設計為在平衡處提供某一限定的流動尺寸。

當然，應理解，通道502表示空氣流動穿過該膜的路徑，然而，類似於上文討論的通道304，通道502可以被形成有非常窄的寬度，因此，當可移動蓋501的區段501a和501b這二者都在平衡位置中時，可能不存在或存在非常有限的空氣流動穿過該通道。

無論可變通氣部的設計如何，應理解，同一換能器中的不同通氣部可以具有不同的設計，可變通氣部中的至少一些可以被定位在非活性膜區域302中。如所提及的，這意味著，期望的通氣性能可以通過活性膜中較少的通氣部來實現，可能地，未在活性膜301中設置任何通氣部。

當被定位在非活性膜區域302中時，任何可變通氣部307應優選地被定位成當通氣部打開時在膜的任一側上的容積之間提供相對直接的流動路徑。

如先前在至少一些實施方案中所描述的，可以通過使用適當圖案化的犧牲材料來準確地限定膜層101和基底之間的腔108。基底腔108被蝕刻以與此腔109聯合，但是為了避免不太準確的背部蝕刻(所述背部蝕刻形成基底腔)限定膜，基底腔的開口的邊緣在腔109的區域內。圖3a例示了基底腔的開口的邊緣308。這意味著，在實踐中，膜的周界(活性區域301和非活性區域302這二者)覆蓋在材料支架(shelf)(即，基底層)。

方便地，可變通氣部307被布置為至少部分地覆蓋基底腔108的開口，換句話說，通氣部被布置為使得，在通氣部打開時，穿過通氣部的流動路徑在基底腔和膜的另一側上的腔之間提供合理的直接路徑。因此，圖3a例示的是，對於具有多個鉸鏈折翼部分的可變通氣部結構，至少端部折翼覆蓋基底腔的開口，即向內延伸超出由基底層形成的支架或曲形架(dog-leg)。

圖6例示了根據本發明的mems換能器的橫截面。具體而言，這是圖3a中示出的膜層沿著線x-x』的橫截面。圖6也例示了背板104和基底105(其可以包括基礎基底和在基礎基底上所形成的一個或多個基底層)。如在圖6中可以看到的，在此實施方案中，可變通氣部結構307被定位在腔108之上，以在可變通氣部結構307打開時提供直接流動路徑。這也允許可變通氣部結構307打開而不與基底的任何部分碰撞。在此實施方案中，在背板104中也存在孔601，孔601被定位在可變通氣部307將打開的位置中。孔601可以是背板中的常見聲學孔中的一個，但在一些實施方案中，可以大於典型的孔。在使用中，當通氣部打開時，孔601再次允許前容積和後容積之間的直接流動路徑，且可以提供可變通氣部通向背板，而不會不期望地接觸背板的空間。

圖3和圖6還例示的是，排出孔111中的至少一些可以被定位在非活性膜區域中。將排出孔定位在非活性區域中可以提供上文關於可變通氣部結構所討論的類似益處，即，孔未被定位在活性膜301中從而不影響活性膜301的應力或性能。因此，與常規設計相比，用於排出孔111的設計約束會是寬鬆的。然而，排出孔可以被定位在非活性膜302的、覆蓋基底層105的支架或曲形架的區域中，例如，定位在基底腔的開口區域外部。這意味著，排出孔不在前容積和後容積之間提供直接流動路徑，作為替代，流動路徑是曲折的。這減小了在聲學頻率下對排出孔的影響，同時仍然允許低頻響應。

圖6還例示了可以支撐膜層101的安裝件306的形式的一個實施例。在此實施例中，安裝件306包括膜層與基底接觸的區域。在此實施例中，背板104在安裝區域中也與膜層101接觸。因此，膜101在此區域中被保持固定在基底105和背板306之間。安裝區域的傾斜側壁有助於應力分布，且避免使用時的分層。

在圖3a的實施方案中，活性膜包括多個具有安裝件305的臂。圖3a例示了一個橫跨所述臂橫向延伸的總體安裝結構，然而，實際上通常優選地是使用多個安裝件。

圖7例示了根據本發明的一個實施方案的換能器，其中使用相同的附圖標記來標識與圖3a中所標識的部件類似的部件。

圖7以平面視圖例示膜。再次，所示出的整個區域包括膜材料，且膜層被通道304分成活性膜區域301和非活性膜區域302。再次，活性膜可以由多個臂303支撐，所述多個臂303圍繞活性膜被均勻地間隔開。

在圖7中例示的實施例中，針對每個臂具有多個安裝件305。安裝件305可以具有如上文闡述的相同的總體結構。

安裝結構305以與基底成固定關係來支撐膜層。因為安裝件305是活性膜301的最內固定部分，所以它們有效地限定活性膜301的柔性部分的周界邊緣。安裝結構305可以沿著膜的周界邊緣彼此間隔開。

如上文提及的，臂區域303支撐膜的活性區域，且膜中可能存在內在應力。膜的偏轉在活性膜和臂區域中創建多種附加的應力。因此，在一些實施方案中，在臂區域303中可以存在一個或多個應力重分布或應力擴散結構701，以避免在臂區域中(具體地，在安裝件處)的任何不期望的應力集中。

應力重分布結構可以包括位於膜材料中的彎曲縫或弓形縫。每個縫可以在柔性膜內相對於臂303的一對相鄰的安裝結構305定位，以便被定位在該對安裝結構之間的間隙前方，即，被定位在朝向膜的中心的方向上。縫可以被布置為使得，在膜層上的、源於柔性膜的中心且穿過相鄰的安裝件之間的間隙的任何線將與縫交叉。每個縫可以描述一個彎曲路徑，所述彎曲路徑相對於柔性膜的中心是凹的並且彎曲至少180°。

在一些實施方案中，縫可以是大體u形或c形縫，且通常小於1微米寬。應力重分布縫改變膜的安裝端中的應力分布，而不會顯著更改活性膜的聲學屬性。為了減輕膜的活性部分中的任何顯著的應力集中，縫是彎曲的，以便提供應力的受控重分布。

應理解，安裝結構處的高應力可以潛在地在活性膜內引起顯著的應力。這在相對緊湊的通氣部設計(諸如，包括如圖3b中示出的大體正方形或矩形的膜的設計)的情況下是特別有問題的，因為由安裝結構所導致的應力對屬性具有成比例的更高更顯著的影響。有利地，設置壓力重分布縫通過使膜與安裝結構的區域部分地斷開，用來緩解安裝區域附近的應力。這可以被看成減小安裝件正前方的彎曲力矩。此外，穿過該區域出現的應力流動線在安裝件的區域中被改變和/或被重分布，且該應力流動線穿過此區域被改變。

通常已知的是，孔可以被設置在膜中，以用於應力釋放。然而，穿過膜的孔提供流動路徑，從而將導致低的聲導，低的聲導將改變膜的聲學響應。因此，此實施方案的弓形縫提供了應力重分布或擴散的益處，但在聲導上沒有任何顯著的增加。縫可以描述大多數圓形路徑，然而，這將導致一個窄的連接區域，所述窄的連接區域將縫內的材料與膜的其餘部分連接。這可以提供一個與通氣部的可移動部分類似的折翼狀結構。縫701的目的是不同的，通氣在此區域中不一定有用。因此，縫可以被設計為使得縫內的區域基本上不充當折翼。

圖8a例示根據本發明的一個實施方案的活性膜301的安裝端，即臂區域303。

在此實施方案中，安裝件305沿著膜的周界散布。在圖8a中例示了四個安裝件305，但是應理解，在不同實施方案中可以使用不同數目的安裝件。應力重分布縫701被定位在安裝件前方。在此實施方案中，縫被定位成使得，針對相鄰的安裝結構之間的每個間隙，存在一個縫701，縫701在朝向膜的中心的方向上定位在間隙的前方。在此實施方案中，縫被定位在臂區域303中，且每個縫的寬度至少與相關的間隙一樣大。縫通常彎曲約180度或更大的角度。

這些u形縫701可以被布置為使得，由虛線801例示的兩個不同且平行的切線可以被繪製到每個縫的路徑，所述路徑將與前方定位有縫的安裝結構交叉。應理解，可以使用不同形狀的縫和/或縫可以被有區別地定位。應理解，可以添加更多縫，以進一步改進應力分布。例如，可以在圖8a中已經存在的縫701之間添加附加的縫。這樣的實施方案被例示在圖8b中。在此實施方案中，應力重分布縫中的至少一些可以在朝向活性膜的中心的方向上基本上完全定位在安裝件305前方。替代地或附加地，在此實施方案中交錯的另一層縫可以更靠近膜的中心添加，如圖8c中示出的。

這樣的應力重分布縫對於所描述的活性膜301被不同的臂303支撐的實施方案特別有用。然而，這樣的原理同樣可以被應用於圖1a和圖1b中示出的常規換能器結構，在所述常規換能器結構中，連續的膜被多個安裝結構圍繞膜的周界支撐。

因此，應力重分布縫允許這樣的實施方案：在該實施方案中，在臂區域303中沒有過度應力集中的情況下實施活性膜301，應力可以是膜層101的固有應力和/或可以是在活性膜偏轉時誘發的應力。

返回參考圖7，在此實施方案中，膜電極103的形狀共形到膜的總體形狀。換句話說，膜電極103的周界可以是非圓形的形狀。在此實施方案中，膜電極103的周界包含活性膜301的相當大比例的內部部分(即，臂區域303內部的區域)。在這樣相對寬的範圍以內設置膜可以有助於提供良好的靈敏度。在此實施方案中，在活性膜中可以不需要可變通氣部孔或排出孔，從而電極可以在此區域上延伸，而不需要為這樣的特徵留出空間。在一些實施方案中，膜電極103可以在膜材料內的整個區域上是大體上連續的。然而，在一些實施方案中，在膜的周界內可能存在缺乏電極材料的區域，例如，在膜電極內可能存在多個孔。

當膜由於入射的聲學壓力波而偏轉時，用於膜電極的金屬材料可以表現出一程度的塑性變形。在一些情況下，這會導致膜在平衡位置處的逐漸永久變形，且導致不期望的偏移或靈敏度損失。使用較少的金屬可以減小此問題的發生，但是通常會被認為減小了靈敏度。然而，應理解，由於存在聲學孔112，所以背板電極中存在孔。換能器的靈敏度主要受膜和背板電極的重疊量的影響，從而應理解，在對應於背板聲學孔的位置中可以省略膜電極材料，而不會顯著影響靈敏度。

在一些實施方案中，背板的元件可以附加地或替代地共形到總體換能器形狀。例如，圖9以平面視圖例示了換能器700的背板104。在此實施方案中，背板與膜一樣被相同的安裝結構305和306支撐。背板電極102的周界也由虛線例示，且可以對應於背板電極的形狀和/或換能器的總體形狀，例如，活性膜的內部部分(即，活性膜的、被臂部分303所支撐的部分)的形狀。

圖9還例示的是，穿過背板的聲學孔112可以與活性膜共形，從而例如可以被形成在這樣一個區域中，該區域具有大體上對應於活性膜的、被臂部分303支撐的部分的形狀。

圖9還例示的是，較大的孔可以被定位成對應於通氣部307的位置。

因此，在這樣的實施方案中，經由背板所接收的任何入射聲波將基本上被入射在活性膜301上。

從上文的討論將理解的是，非活性膜區域302可以由與活性膜301的材料相同的材料形成。因此，響應於壓力差，會存在非活性膜的一程度的偏轉。

雖然在一些實施方案中非活性膜的這樣有限的偏轉可能沒有問題，但是可以存在連接在非活性膜與基底或背板中的任一個或這兩者之間的至少一個支撐元件。此支撐元件應被定位在任何可變通氣部區域外部，可以防止非活性膜的顯著移動，但是可以不影響活性膜。

圖7和圖9例示的是，可以存在這樣的支撐元件702，該支撐元件702從背板連接到非活性膜302的內邊緣附近。圖10例示了穿過圖7中所示的線y-y』的橫截面。

根據上文描述的實施方案中的任何一個實施方案的一個或多個換能器可以被納入一個封裝件中。圖11a至圖11g例示了多種不同的封裝布置。圖11a至圖11g中的每個示出了定位在封裝件中的換能器元件，但是應理解，在一些實施方案中，可以存在不止一個換能器(例如，換能器陣列)，且多種換能器可以被形成在相同的換能器基底(即，單片換能器基底)上，或可以被形成為具有分立的換能器基底的分立的換能器，每個分立的換能器基底被接合到封裝件基底。

圖11a示出第一布置，其中換能器1100被定位位於封裝件基底1102上的蓋1101內，蓋1101形成殼體的至少一部分。在此實施例中，蓋可以是接合到基底的金屬殼體。封裝件基底可以包括至少一個絕緣層。封裝件基底還可以包括至少一個導電層。封裝件基底可以是半導體材料，或可以由諸如pcb、陶瓷等的材料形成。在蓋1101是金屬的或蓋1101本身包括導電層的情況下，蓋可以被電聯接到基底的導電層，例如，以使得殼體提供針對電磁幹擾(emi)的屏蔽。接合線1103可以將換能器連接到封裝件基底上的接合焊盤。在一些實施方案中，讀出電路系統(例如，放大器電路系統)可以定位在殼體內，所述殼體被形成在封裝件基底中或連接到封裝件基底。穿過封裝件基底的通孔(未示出)可以連接到觸點(即，焊料焊盤)1104，用於將外部電路系統(未示出)電連接到封裝件，以允許將電信號傳輸到換能器1100/傳輸來自換能器1100的電信號。在圖11a中示出的實施例中，在蓋1101中存在一個聲音埠或聲學埠，以允許聲音進入封裝件，且換能器被布置在頂部埠布置中。

圖11b例示了一個替代布置，其中聲音埠被設置在封裝件基底1102中並且可以在使用時被密封。環1105可以是密封環或焊料焊盤環(在形成焊料環時使用)，可以圍繞封裝件的外側上的聲音埠的周界設置，以允許在使用時，在例如將封裝件連接到另一pcb時，對通向聲音埠的聲音路徑進行密封。在此實施方案中，換能器被布置在底部埠布置中，且由殼體1101所限定的容積形成換能器的後容積的一部分。

圖11c例示了一個實施例，在該實施例中，代替將換能器連接到封裝件基底的接合線，換能器結構被倒置，且經由連接部1106而被倒裝(flip-chip)接合至封裝件基底。在此實施例中，聲音埠在封裝件基底中，使得封裝件被布置在底部埠布置中。

圖11d例示了圖11b的實施例的一個替代實施例，其中殼體1107由多種材料面板(例如，pcb等)形成。在此情形下，殼體1107可以包括一個或多個導電層和/或一個或多個絕緣層。圖11d示出了封裝件基底中的聲音埠。圖11e示出了圖11b的布置的一個替代布置，其中殼體1107由多種材料面板(例如，如關於圖11d所描述的pcb等)形成。圖11f示出了另一實施方案，其中換能器結構經由連接部1106被接合至殼體上部層，該殼體上部層例如可以是pcb或分層的導電材料/絕緣材料。然而，在此實施例中，與封裝件的電連接部仍然是經由封裝件基底上的觸點(焊料焊盤)1404，例如封裝件基底中的通孔(未示出)以及在殼體的內側上至換能器的導電跡線(trace)。圖11g例示了圖11c的實施例的一個替代實施例，其中換能器被倒裝接合至殼體1107中的封裝件基底，該殼體1107由材料面板(例如，如關於圖11d描述的pcb等)形成。

一般而言，如圖11h中例示的，一個或多個換能器可以被定位在一個封裝件中，然後該封裝件被操作性地互連到另一基底(諸如母板(motherboard))，如本領域已知的。

雖然多個實施方案描述了mems電容式麥克風，但是本發明也可應用於除麥克風之外的任何形式的mems換能器，例如壓力傳感器或超聲波發射器/接收器。

可以在一系列不同材料系統中有用地實施本發明的實施方案，然而，本文所描述的實施方案對於具有包括氮化矽的膜層的mems換能器是特別有利的。

雖然上文已經關於mems電容式麥克風描述了多個實施方案，但是本發明也可應用於除麥克風之外的任何形式的mems換能器，例如壓力傳感器或超聲波發射器/接收器。

可以在一系列不同材料系統中有用地實施本發明的實施方案，然而，本文所描述的實施方案對於具有包括氮化矽的膜層的mems換能器是特別有利的。

所述mems換能器可以被形成在一個換能器管芯上，且在一些情況下可以與用於換能器的操作的至少一些電子器件集成。在上文描述的實施方案中，注意，對換能器元件的引用可以包括多種形式的換能器元件。例如，換能器元件可以包括單個膜和背板組合。在另一實施例中，一個換能器元件包括多個個體換能器，例如多個膜/背板組合。一個換能器元件的個體換能器可以是類似的，或可以被有區別地配置以使得它們有區別地響應於聲學信號，例如換能器元件可以具有不同的靈敏度。一個換能器元件也可以包括被定位成從不同的聲學通道接收聲學信號的不同的個體換能器。

注意，在本文描述的實施方案中，一個換能器元件可以包括例如一個麥克風設備，該麥克風設備包括一個或多個膜，其中用於讀出/驅動的電極被沉積在所述膜和/或基底或背板上。在mems壓力傳感器和麥克風的情況下，可以通過測量與電極之間的電容有關的信號來獲得電輸出信號。然而，注意，所述實施方案還意在包含通過監測壓阻元件或壓電元件或事實上光源來導出輸出信號。所述實施方案還意在包括換能器元件是電容式輸出換能器，其中通過靜電力來移動所述膜，所述靜電力是通過使跨所述電極施加的電位差變化生成的，包括其中壓電元件是使用mems技術製造的並且被激勵以導致柔性構件動作的輸出換能器的實施例。

注意，上文描述的實施方案可以被用在一系列設備中，所述設備包括但不限於：模擬麥克風、數字麥克風、壓力傳感器或超聲換能器。本發明也可以被用在多種應用中，所述應用包括但不限於：消費品應用、醫療應用、工業應用和汽車應用。例如，典型的消費品應用包括可攜式音頻播放器、可穿戴設備、膝上型計算機、行動電話、pda和個人電腦。實施方案還可以被用在語音激活設備或語音控制設備中。典型的醫療應用包括助聽器。典型的工業應用包括有源噪聲消除。典型的汽車應用包括免提套件、聲學碰撞傳感器(acousticcrashsensor)和有源噪聲消除。

應注意，上文提及的實施方案例示而非限制本發明，在不偏離隨附的權利要求的範圍的前提下，本領域普通技術人員將能夠設計許多替代實施方案。詞語「包括」不排除除了權利要求中所列出的元件或步驟以外的元件或步驟的存在，「一」或「一個」不排除多個，以及單個特徵或其他單元可以實現權利要求中所引用的多個單元的功能。權利要求中的任何附圖標記不應被解釋為限制它們的範圍。