CN102301746B - 声能换能器 - Google Patents

Abstract

提供了说明性的声换能器。单片半导体层限定了平板，两个或更多柔性延伸部以及支撑结构的至少一部分。传送到所述平板的声压导致所述柔性延伸部的拉伸应变。柔性延伸部表现出响应于拉伸应变而变化的电特性。可以从变化的电特性得到对应于所述声压的电信号并对其进行处理以便进一步使用。

Description

声能换能器

背景技术

声能以波的形式通过物理媒介进行传播。这样的声能通常在传播频率处于人类听力范围内时被称作声音。声能的电子检测与多个技术研发的领域密切相关，包括声音记录、声纳、健康科学等。

麦克风是表现出依据传入到其的声能而变化的某一电特性的换能器。这种变化的电特性是对所检测的声能的幅度、频率和/或其他方面进行仿真的电信号，或者能够轻易转换为所述电信号。

因此，此后所描述的实施例是为了改进的麦克风设计而研发的。

附图说明

现在将参考附图通过实例对这里的实施例进行描述，其中：

图1描绘了根据一个实施例的麦克风的平面图；

图1A描绘了图1的麦克风的正视图；

图1B描绘了图1的麦克风的侧视图；

图2描绘了根据一个实施例的挠曲（flexure）层的等距（isometric）视图；

图3描绘了根据另一个实施例的挠曲层的等距视图；

图4描绘了根据这里的教导的说明性麦克风操作的侧截面视图；

图5描绘了根据一个实施例的系统的框图。

具体实施方式

介绍

这里的教导提供了用于麦克风和其他声换能器的器件。平板（plate）在声压的影响下产生位移。两个或更多挠曲部（flexure）在各个方向上远离所述平板而延展并且受到声压所导致的拉伸应变的影响。所述挠曲部支撑一个或多个传感器，或者被掺杂（doped）或以其他方式被配置为表现出响应于所述拉伸应变而变化的电特性。从所述挠曲部所表现出的变化的电特性得到对应于所述声压的电信号。

在一个实施例中，一种设备包括挠曲层，其限定了平板以及第一柔性（flexible）部分和第二柔性部分。所述第一和第二柔性部分中的每一个都被配置为表现出响应于传输到所述平板的声压的变化的电特性。所述第一柔性部分和第二柔性部分在各自相反的方向上远离所述平板而直接延展。

在另一个实施例中，一种麦克风包括单片材料的挠曲层。所述挠曲层被形成为限定平板、第一柔性延伸部和第二柔性延伸部。所述第一和第二柔性延伸部在各自相反的方向上远离所述平板而延展。所述麦克风还包括覆盖所述挠曲层所限定的平板的脊突层（spinelayer）。所述麦克风进一步包括覆盖所述脊突层的膜层。所述第一和第二柔性延伸部均被配置为表现出依据传入所述膜层的声压而变化的电特性。

在又另一个实施例中，一种换能器被配置为表现出依据传入的声压而变化的电特性。所述换能器包括单片半导体层，所述单片半导体层被配置为限定平板、第一延伸部和第二延伸部。所述第一延伸部和第二延伸部在各自相反的方向上远离所述平板而延展。所述第一和第二延伸部中的每一个都被配置为使得所述电特性在性质上是压阻式或压电式的。所述单片半导体层进一步限定支撑结构的至少一部分。所述支撑结构限定接近于所述平板的声腔。

第一说明性实施例

图1描绘了根据一个实施例的麦克风部件（麦克风）100的平面图。还同时参见了图1A和1B，它们分别描绘了麦克风100的正视图和侧视图。麦克风100包括膜102。膜102可由任意适当的半柔性材料所形成，作为非限定性示例，所述半柔性材料诸如镍、钽铝合金、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、硅、SU-8或其他光可限定（photo-definable）聚合物等。还可以使用其他材料。设置膜102以使得声能（例如，声波等）在麦克风100的典型操作期间传入其上。

形成膜102以便限定一个或多个通过孔或开口（vent）104。每个开口104被配置为允许周边气体（例如，空气等）在麦克风100的典型操作期间通过那里。此后对麦克风100的操作提供进一步的详细阐述。

麦克风100还包括脊突（层）106。脊突106接合到膜102并且通常处于膜102之下。脊突106可以由任意适当材料所形成。在典型实施例中，脊突层106由硅、氧化硅或其他适当半导体材料所形成。在任意情况下，脊突106被配置为对麦克风100提供额外的结构刚性和强度。

麦克风100进一步包括挠曲层108。挠曲层108由诸如硅、半导体材料等的适当材料所形成。也可以使用其他材料。挠曲层108进一步被配置为限定一对柔性延伸部（或挠曲部）110。柔性延伸部110在分别相反的方向上远离挠曲层108而延展。

每个挠曲部110被配置为在传入膜102的声压的影响下弹性应变。该应变接着被传送到一个或多个传感器（图1-1B中未示出），所述传感器表现出响应于声压的变化的电特性。在另一个实施例中，每个挠曲部110被掺杂或以其他方式修改以便表现出压阻或压电特性，并且不包括这样的离散传感器。在任意情况下，每个挠曲部110的电特性可以电耦合至其他电路（未示出）从而得到对应于传入膜102的声压的电信号。

典型地，包括挠曲部110的挠曲层108由诸如硅之类的半导体所形成并且使用诸如掩膜、蚀刻等已知技术进行成型，但并非必须如此。一对挠曲部110将挠曲层108机械耦合到周围的支撑结构（未示出）。在一个或多个实施例中，所述支撑结构（未示出）和（包括柔性延伸部110的）挠曲层108在性质上是连续的，由单片材料层进行蚀刻、切割或以另外方式适当形成。

脊突106是覆盖挠曲层108的主体区域（bulkarea）并与其连续接合的材料的连续片或层。因此，脊突106覆盖挠曲层108除挠曲部110之外的所有部分。继而，膜102覆盖脊突106并与其连续接合。膜102由超出脊突106的区域并从其向外延伸的总体区域所限定。以下在表1中提供了麦克风100的实施例的说明而非限定性的尺寸（1μΜ=1×10^-6米）：

表1

部件	宽度	长度	厚度
				膜102	400μΜ	400μΜ	0.1μΜ
脊突106	300μΜ	300μΜ	6μΜ
				挠曲部110	6μΜ	25μΜ	2μΜ

注意到，挠曲层108的主要部分与覆盖的脊突106为同样的面积尺寸。挠曲层108的该主要部分在这里被称作挠曲层108的“平板区域”或“平板”。

第二说明性实施例

图2描绘了根据一个实施例的说明而非限定性的挠曲层200的等距视图。挠曲层200被理解为作为麦克风（例如，100）的一部分，所述麦克风包括诸如作为非限定示例的膜（例如，102）、脊突（例如，106）等的其他部件（未示出）。因此，挠曲层200是根据本教导的较大麦克风构造的一部分，并且为了简要而没有示出各种相关联的部件。挠曲层200由硅所形成，从而限定了如随后所描述的整体单片结构。

挠曲层200限定了平板区域（平板）202。平板202占挠曲层200的主体（即，大部分材料）。平板202被理解为与相应面积的材料脊突层（未示出）相接合。

挠曲层200还限定了一对柔性延伸部（或挠曲部）210。柔性延伸部210在各自相对的边缘212和214远离挠曲层200而进行延展。因此，柔性延伸210部在各自相反的方向上远离平板202而延展。柔性延伸部210将平板202耦合到支撑结构216。柔性延伸部210被配置为在声压218的影响下表现出拉伸应变，导致如双箭头220所指示的平板202的移位。

柔性延伸部210均支持多个压阻传感器222。压阻传感器222均被配置为提供依据传送到挠曲层200的平板202的声压218而变化的电阻抗（即，表现出电特性）。相应电阻抗被理解为耦合到其他电路（未示出）以便按照需要进行电信号的得到、放大、滤波、数字量化、信号处理等，从而能够适当利用所检测到的声压218。

在图2中一共描绘了两个压阻传感器222。在另一个实施例中，使用了不同数量的压阻（或压电）传感器。在又另一个实施例中（未示出），柔性延伸部已经被掺杂或以其他方式修改以便表现出依据传输（传送或耦合）到挠曲层的声压而变化的压阻、压电或其他电特性。

在典型操作期间，声压218传入到覆盖并机械耦合到挠曲层200的膜。请参见图1-1B的类似图示。声压218被理解为由包括振幅和频率在内的各种特征所限定。此外，声压218的振幅、频率和/或其他特征实质上可以是恒定或时变的。所述膜将声压218耦合或传输到脊突，所述脊突进而将所述声压218传输到挠曲层200的平板202。

挠曲层200利用柔性延伸部210的拉伸应变而产生位移。挠曲部210的拉伸应变进一步耦合到两个压阻传感器222，所述压阻传感器222通过产生相应变化的电阻抗而进行响应。所述电阻抗或信号被理解为通过线路或其他适当的传导路径而耦合到电路（未示出）。如所描绘的，压阻传感器222位于各自延伸部210的末端部分附近从而在操作期间受到最大应变。

挠曲层200（包括平板202和挠曲部210）和支撑结构216的至少一部分由单层的半导体材料所形成。因此，挠曲层200和支撑结构216是通过蚀刻、切割和/或其他适当操作所形成的单片结构。在典型且非限制的实施例中，支撑结构216和/或其他（多种）材料（未示出）限定了声腔，平板202利用挠曲部210而悬于所述声腔内。也可以使用用于支撑平板202的其他配置。随后提供与这样的声腔相关的进一步的说明细节。

第三说明性实施例

图3描绘了根据一个实施例的说明且非限制性的挠曲层300的等距视图。挠曲层300被理解为作为麦克风（例如，100）的一部分，所述麦克风包括诸如作为非限制性示例的膜（例如，102）、脊突（例如，106）等的其他部件（未示出）。因此，挠曲层300是根据本教导的较大麦克风构造的一部分，并且为了简要而没有示出各种相关联的部件。挠曲层300由硅所形成，从而限定了如随后所描述的整体单片结构。

挠曲层300包括平板302和四个柔性延伸部（或挠曲部）304。挠曲部304在各自不同的方向上远离平板302而延展。每个挠曲部304被掺杂或以其他方式修改以便表现出压阻特性。这些压阻特性为了简要而被描绘为离散区域306。然而，半导体领域的技术人员将会意识到对各个挠曲部304的这种压阻掺杂或修改可以包括改变体积和相对形状以便获得所需性能。

在任意情况下，所述四个挠曲部304被配置为表现出依据传输到平板302的声压308而变化的电阻抗。平板302通过四个柔性延伸部304机械耦合至支撑结构310并且由支撑结构310所支撑。典型地，经掺杂的区域306位于各挠曲部304的末端部分附近以使得在操作期间最大应变被耦合至经掺杂的区域306，但并非必须如此。

在典型操作期间，声压308传入到覆盖并机械耦合至挠曲层300的平板302的膜。请参见图1-1B的类似图示。声压308被理解为由各种特征所限定，所述特征实质上可以分别是恒定或时变的。所述膜将声压308耦合或传输到脊突，所述脊突进而将所述声压308传输到平板302。这样的声压308使得产生如双箭头312所示的平板302的移位。

平板302的移位通过柔性延伸部304的拉伸应变而发生。挠曲部304的拉伸应变进一步耦合到压阻区域306，所述压阻区域306通过产生相应变化的电阻抗而进行响应。这些电阻抗或信号被理解为通过线路或其他适当传导路径耦合到电路（未示出）。

挠曲层300（包括平板302和四个挠曲部304）和支撑结构310的至少一部分由单层的半导体材料所形成。因此，挠曲层300和支撑结构310是通过蚀刻、切割和/或其他适当操作所形成的单片结构。在典型且非限制的实施例中，支撑结构310和/或其他（多种）材料（未示出）限定了声腔，平板302利用挠曲部304而悬于所述声腔内。也可以使用支撑平板302的其他配置。随后提供与这样的声腔相关的进一步的说明细节。

说明性操作

图4是描绘处于说明且非限定性操作条件下根据一个实施例的麦克风部件（麦克风）400的侧截面视图。麦克风400包括膜402。膜402在性质上是半刚性的，其被配置为在传入声压404的影响下弹性变形（应变）并且在没有声压404时返回基本上平坦的静止状态。

麦克风400还包括脊突层406和挠曲层408。挠曲层408被配置（即，形成）为限定了一对柔性延伸部或挠曲部410。膜402、脊突层406和挠曲层408利用蚀刻、切割和/或半导体领域技术人员所知的其他适当技术由相应材料层所限定。麦克风400包括硅或其他半导体材料的基础衬底412。

形成麦克风400的各材料层从而限定声腔414。声腔414利用膜402内所形成的一个或多个开口416以及利用通向开口420的通道418而流动耦合到与麦克风400相关的周围环境。在另一个实施例中，可以使用通道和/或开口的其他组合。周围气体（例如，空气等）在麦克风400的正常操作期间被允许利用开口416进入或离开声腔414。

挠曲层408耦合至周围材料层并被所述周围材料层所支撑，其利用一对挠曲部610从所述周围材料层所形成。此外，膜402覆盖脊突层406和挠曲层408，其在麦克风400的材料层的至少一部分上向外延展。继而，脊突层406与形成它的材料层分开地限定。以这种方式，挠曲层408通常悬（即，被支撑）于声腔414内。

如所描绘的，声压404传入膜402。声压404利用脊突406而被耦合（即，传输）到挠曲层408。响应于声压404，麦克风部件400通过挠曲部410以及膜402的挠曲部的拉伸应变而移位。

挠曲部410被理解为包括（即，表现出）依据所传入的声压404而变化的电特性。该特性在性质上可以是压阻式和/或压电式的，并且可以利用一个或多个适当传感器（未示出；见图2的传感器218）和或各挠曲部410的掺杂（未示出，见图3的压阻区域306）或其他处置方式来提供。在任意情况下，利用挠曲部410的电特性而得到对应于声压404的电信号。

说明性系统

图5是描绘根据另一个实施例的系统500的框图。系统500为了理解本教导而描绘并且本质上是说明而非限制性的。因此，可以使用多个其他系统、操作情形和/或环境。

所述系统包括麦克风502。麦克风502包括根据本教导的膜、脊突和挠曲层。出于理解的目的，假设麦克风502包括与图1的麦克风100相一致的部件。也可以使用根据本教导的其他配置。系统500还包括放大器504和信号处理506。

在典型操作中，麦克风502响应于传入的声能508向放大器504提供电信号（即，变化的电特性）。放大器504增加所述电信号的振幅和/或功率，所述电信号接着被提供至信号处理电路506。继而，依据所需要的任意适当信号处理，信号处理电路506对所放大的电信号进行数字量化、对该信号进行滤波、识别和/或检测信号内的特定内容。经处理的信号接着可以按照需要而送至任意适当用途（例如，记录、经由示波器或其他仪器进行显示、利用扬声器进行可听呈现，等等）。信号处理领域的技术人员将会意识到可以在得到表示声压508的电信号时执行多种处理步骤，并且无需为了理解本发明而进一步详细阐述。

在一个或多个实施例中，根据本教导的麦克风（即，声换能器）被形成为集成装置的一部分。例如，在这样的实施例中，连同麦克风部件在共用衬底（或模块）上形成放大、信号处理和/或其他电路。以这种方式，本教导可以作为多种类型的微电子机械系统（MEMS）的一部分而集成。

总体上，以上描述意在作为说明而非限制。通过阅读以上描述，不同于所提供示例的许多实施例和应用对于本领域技术人员将是显而易见的。本发明的范围不应当参见以上描述来确定，而是应当参考所附权利要求以及这些权利要求所享有的等同物的完整范围来确定。预期和意图未来在这里所讨论的领域内将进行的研发，并且所公开的系统和方法将结合到这样的未来实施例中。总之，应当理解的是，本发明能够进行修改和变化，并且仅由以下权利要求所限定。

Claims (14)

1.一种用于声换能器的设备，包括：

挠曲层，其限定了平板以及第一柔性部分和第二柔性部分，所述第一柔性部分和第二柔性部分中的每一个都被配置为表现出响应于传输到所述平板的声压的变化的电特性，所述第一柔性部分和第二柔性部分在各自相反的方向上远离所述平板而直接延展；

接合到所述挠曲层的脊突层；和

接合到所述脊突层的膜层，

其中所述膜层将声压传输到所述脊突层，所述脊突层进而将所述声压传输到所述挠曲层的平板。

2.如权利要求1所述的设备，所述平板的形状为矩形。

3.如权利要求1所述的设备，所述挠曲层还限定以与所述第一和第二柔性部分二者都正交的方向远离所述平板而延展的第三柔性部分，所述第三柔性部分被配置为表现出响应于传输到所述平板的声压的变化的电特性。

4.如权利要求1所述的设备，进一步包括限定声腔的支撑结构，所述平板耦合到所述支撑结构并且利用所述第一柔性部分和第二柔性部分被支撑在所述声腔内。

5.如权利要求4所述的设备，包括所述平板和第一柔性部分和第二柔性部分以及至少一部分支撑结构的所述挠曲层由单片半导体层所形成。

6.如权利要求1所述的设备，所述脊突层覆盖所述挠曲层的包括所述平板但是不包括所述第一柔性部分也不包括所述第二柔性部分的该部分。

7.如权利要求6所述的设备，所述脊突层由第一区域所限定，所述膜层由大于所述第一区域的第二区域所限定。

8.如权利要求1所述的设备，所述第一柔性部分和所述第二柔性部分均包括至少一个压阻传感器或压电传感器。

9.一种麦克风，包括：

单片材料的挠曲层，所述挠曲层限定了平板，所述挠曲层还限定了以各自相反的方向远离所述平板而延展的第一柔性延伸部和第二柔性延伸部；

覆盖所述挠曲层的所述平板的脊突层；和

覆盖所述脊突层的膜层，所述第一和第二柔性延伸部均被配置为表现出依据传入所述膜层的声压而变化的电特性；

其中所述膜层将声压传输到所述脊突层，所述脊突层进而将所述声压传输到所述挠曲层的平板。

10.如权利要求9所述的麦克风，进一步包括支撑结构，所述第一柔性延伸部和第二柔性延伸部分别被配置为将所述平板机械耦合到所述支撑结构。

11.如权利要求10所述的麦克风，所述支撑结构被配置为限定声腔，所述平板利用所述第一柔性延伸部和第二柔性延伸部被支撑在所述声腔内。

12.如权利要求9所述的麦克风，所述挠曲层还限定以与所述第一和第二柔性延伸部这二者都不同的方向远离所述平板而延展的第三柔性延伸部，所述第三柔性延伸部被配置为表现出依据传入所述膜层的声压而变化的电特性。

13.如权利要求9所述的麦克风，所述第一柔性延伸部和第二柔性延伸部均被配置为使得所述电特性为依据传入所述膜层的声压而变化的电阻或电压。

14.一种被配置为表现出依据传入声压而变化的电特性的换能器，所述换能器包括：

单片半导体层，其被配置为限定：

平板；

在各自相反的方向上远离所述平板而延展的第一延伸部和第二延伸部，所述第一和第二延伸部中的每一个都被配置为使得所述电特性在性质上是压阻式或压电式；和

支撑结构的至少一部分，所述支撑结构限定接近于所述平板的声腔；

接合到所述单片半导体层的脊突层；和

接合到所述脊突层的膜层，

其中所述膜层将声压传输到所述脊突层，所述脊突层进而将所述声压传输到所述单片半导体层的平板。