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CN111479179B - 微机电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了微机电系统。一种如本文所描述的实施例包括具有第一微机电系统(MEMS)换能器元件、第二MEMS换能器元件和半导体衬底的MEMS。第一MEMS换能器元件和第二MEMS换能器元件布置在半导体衬底的顶面处，并且半导体衬底包括在声学上耦接至第一MEMS换能器元件和第二MEMS换能器元件的共享的腔体。

Description

微机电系统
本申请是申请日为2014年11月5日、申请号为201410635314.9、发明名称为“用于MEMS换能器的系统和方法”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明总的涉及传感器技术，并且特别的实施例中，涉及用于MEMS换能器(transducer)的系统和方法。
背景技术
换能器将信号从一个域(domain)转换至另一个域，并且常常在传感器中被使用。日常生活中所见的一种具有换能器的常见传感器是将声波转换为电信号的麦克风。
基于传感器的微机电系统(MEMS,microelectromechanical system)包括使用微加工技术生产的换能器系列。MEMS(比如，MEMS麦克风)通过对换能器中的物理状态的变化进行测量以及对将由连接至MEMS传感器的电子进行处理的信号的传送来从环境收集信息。MEMS设备可使用类似于那些用于集成电路的微加工制造技术来制造。
MEMS设备可被设计为起以下作用：振荡器、谐振器、加速计、陀螺仪、压力传感器、麦克风、微反射镜(micro-mirror)。许多MEMS设备使用用于将物理现象转换为电信号的电容检测技术。在此种应用中，使用接口电路将传感器中的电容变化转换为电压信号。然而，当寄生效应存在时微型化传感器，这些接口电路的设计可变得具有挑战性。例如，耦接的寄生电容的存在可降低传感器的有效增益，其结合小尺寸的MEMS传感器可导致设备将更容易受到机械或电气噪音的影响。
发明内容
一种如本文所描述的实施例包括具有第一微机电系统(MEMS)换能器元件、第二MEMS换能器元件和半导体衬底的MEMS。第一MEMS换能器元件和第二MEMS换能器元件布置在半导体衬底的顶面处，并且半导体衬底包括在声学上(acoustically)耦接至第一MEMS换能器元件和第二MEMS换能器元件的共享的腔体。
附图说明
为了更完整的理解本发明及其优点，现参考了下述结合附图的具体实施方式，其中：
图1示出了一种实施例换能器系统的方框图；
图2示出了一种使用两个偏置电压的实施例换能器系统的示意图；
图3示出了使用两个放大器的另一种实施例换能器系统的示意图；
图4示出了一种使用多个MEMS设备的进一步实施例换能器系统的示意图；
图5示出了一种实施例换能器接口电路的简化方框图；
图6示出了一种实施例换能器接口电路的更详细的方框图；
图7示出了一种实施例MEMS换能器的示意图；
图8a-8d示出了实施例声音端口配置的示意图；
图9示出了一种实施例制造顺序的示意图；
图10示出了另外一种的实施例制造顺序的示意图；
图11a-11b示出了一种实施例换能器系统的示意图；
图12a-12c示出了实施例换能器配置的示意图；
图13示出了一种实施例双背板(dual backplate)MEMS换能器的示意图；
图14示出了一种实施例双背板MEMS换能器系统的示意图；
图15示出了另一种实施例双背板MEMS换能器系统的示意图；
图16示出了另外一种的实施例双背板MEMS换能器系统的示意图；
图17示出了一种运行换能器系统的实施例方法的方框图；以及
图18a和图18b示出了实施例顶部端口麦克风封装的横截面。
除非另有说明，在不同附图中的对应附图标记和符号通常指对应的部件。所绘附图是为了清楚地说明实施例的有关方面，并不一定按比例绘制。
具体实施方式
各种实施例的制造和使用在下文中进行了详细地讨论。然而，应当理解的是，本文所描述的各种实施例适用于各种各样的特定环境。所讨论的特定实施例仅仅说明制造和使用各种实施例的特定方法，并且不应当在受限的范围内进行解释。
描述是相对于特定环境中的各种实施例(也就是麦克风换能器，更具体地，MEMS麦克风)进行的。本文所描述的各种实施例中的一些包括MEMS换能器系统、MEMS麦克风系统、用于换能器系统和MEMS换能器系统的接口电路、产生差分信号的MEMS麦克风以及具有差分信号的多个换能器麦克风系统。在其他实施例中，方面也可被应用于根据本领域已知的任何形式的涉及将物理信号转换至另一个域并与电子相连接的任何类型传感器或换能器的其他应用中。
图1示出了包括MEMS换能器101、MEMS换能器102、放大器110和偏置发生器120的实施例传感器系统100的方框图。如图所示，第一差分信号通过连接112和连接114由MEMS换能器101和102提供给放大器110。放大器110放大第一差分信号，并在输出端116和输出端118处提供第二差分信号。
根据实施例，MEMS换能器101和102被配置为麦克风，并将声信号转换为电信号。在该实施例中，MEMS换能器101和102可通过共享的声音端口(未示出)接收声信号130，将声信号130转换为电域，并通过连接112和114将差分电信号提供给放大器110。在所示实施例中，偏置发生器120为MEMS换能器101和102提供偏置电压。根据各种实施例，偏置发生器120为MEMS换能器101提供第一偏置电压并且为MEMS换能器102提供第二偏置电压。第一偏置电压可不同于第二偏置电压。在各种实施例中，MEMS换能器101和102接收声信号130，并在连接112和114上产生相等大小的反相电信号，形成差分信号。在一些实施例中，第一偏置电压与第二偏置电压在极性上相反，这使得由MEMS换能器101和102产生的电信号是反相的。
在替代的实施例中，偏置发生器120为MEMS换能器101和102提供相同的偏置电压。在该实施例中，由MEMS换能器101和102产生的电信号可以是同相的。在一些实施例中，MEMS换能器与共享的转换元件(例如，双背板MEMS麦克风)耦接。在该实施例中，偏置发生器可为MEMS换能器101和102提供相同的偏置电压，并且所产生的电信号是反相的。各种配置将参考其余附图进行更详细地讨论。
根据各种实施例，MEMS换能器101和102包括多个换能器元件。在特定实施例中，MEMS换能器101可包括两个换能器元件，并且MEMS换能器102可包括两个换能器元件。MEMS换能器101和MEMS换能器102也可包括多于两个换能器元件。每个MEMS换能器或换能器元件可使用单背板电容式MEMS麦克风来实施。在一些实施例中，每个MEMS换能器使用双背板MEMS麦克风或许多双背板MEMS麦克风来实施。在其他实施例中，MEMS换能器101和102是一个双背板MEMS麦克风中的两个背板。
图2示出了具有耦接至两个MEMS麦克风201和202的两个偏置电压源222和224的实施例换能器系统200的示意图。偏置电压源222为MEMS麦克风201的隔膜(diaphragm)提供第一偏置电压Vmic1，并且偏置电压源224为MEMS麦克风202的隔膜提供第二偏置电压Vmic2。如参考图1所讨论的，MEMS麦克风201和202可声学上耦接至相同的输入声音端口。在一些实施例中，Vmic1和Vmic2的极性可以是相反的。在特定的实施例中，第一偏置电压和第二偏置电压可通过方程式Vmic1＝-Vmic2+2·Voffset相关联，其中Voffset(未示出)是电路205内可帮助偏置差分放大器210的偏置电压。例如，在特定的实施中，Voffset可以是0.5V。在各种实施例中，被提供给MEMS麦克风201和202的偏置电压可使得由MEMS麦克风201和202产生的并且被提供给线212和214的信号反相。线212和214上的反相信号可形成差分信号。
该差分信号被提供给在线216和218上提供放大的差分输出的差分放大器210。差分放大器210被包括在电路205中。在各种实施例中，电路205可在集成电路(IC)上实施。在进一步的实施例中，IC可被附接在具有MEMS麦克风201和202的芯片上，或者电路205可制造在具有MEMS麦克风201和202的制造共享的衬底上。根据所示实施例，MEMS麦克风201和202的背板分别地耦接至线212和214。在替代的实施例中，MEMS麦克风201和202的背板和隔膜以各种其他配置进行耦接。
图3示出了放大器块305中具有两个放大器310和315的另一个实施例换能器系统300的示意图。在所示实施例中，偏置电压源320为MEMS麦克风301和302提供偏置电压Vmic。放大器310具有增益A1，并且放大器315具有增益A2。增益A1和A2可具有相同大小和相反的符号。在此实施例中，放大器块305可接收来自MEMS麦克风301和302的线312和314上的同相信号，并产生线316和318上的放大的差分输出信号。
图4示出了使用多个MEMS设备的进一步实施例换能器系统400的示意图。MEMS换能器401和402可每一个包括多个换能器元件。在特定的实施例中，MEMS换能器401可包括电容式MEMS麦克风401a-401c，并且MEMS换能器402可包括电容式MEMS麦克风402a-402c。该示例仅作例证，因为MEMS换能器401和402可包括其他类型的转换元件以及在每个MEMS换能器中可包括任何数量的元件。MEMS换能器401和402通过两个偏置电压源422和424产生偏置，从而线412和414上的信号可以是反相的并形成差分信号。根据各种实施例，放大器块405接收线412和414上的差分信号，用放大器410放大该差分信号，并且提供线416和418上放大的差分输出信号。
参考图2-4，换能器系统200、300和400是示出换能器和接口电路的各种配置的实施例。这些实施例可被本领域的设计者或工程师理解而根据系统需求彼此结合或替代。根据各种实施例，所示的MEMS换能器可包括耦接至共享的声信号的声换能器。
图5示出了与换能器系统MEMS相连接的实施例换能器接口电路500的简化方框图。接口电路500可被实施为IC或分立部件，并且包括偏置发生器522和524以及放大器510。在所示实施例中，放大器510是差分放大器。在其他实施例中，可使用各种放大器配置。接口电路500通过线512和514从换能器系统MEMS接收转换的电信号，并且通过线523和525将来自正偏置发生器522和负偏置发生器524的偏置电压提供给换能器系统MEMS。在一些实施例中，正偏置发生器522和负偏置发生器524可在具有两个输出电压的单一块中实施。
根据各种实施例，放大器510放大在线512和514上所接收的转换的电信号，并在线516和518上提供差分输出信号。在一些实施例中，接口电路500可与换能器系统MEMS制造在相同的裸片上。在其他实施例中，换能器系统MEMS和接口电路500可制造在分开的裸片上，并且可附接至相同的芯片或附接在相同封装中。
图6示出了包括放大器610和615的实施例换能器接口电路600的更详细的方框图，放大器610和615从声换能器601接收转换的电信号、放大该电信号并且向端子616和618提供输出差分信号。在所示实施例中，接口电路600被实施为IC，并且包括其他的功能块，其包括状态机630、低压差调节器(LDO)632、带隙(bandgap)电压基准634、振荡器(OSC)636、控制器和内存块640、电荷泵(CP)622和624、激波恢复638以及偏置电压650。接口IC根据系统要求可包括其他的功能块或更少的功能块，并且接口电路600仅仅以说明实施例为目的。
根据所示实施例，电荷泵622和624是如早前讨论的偏置电压发生器的特定实施。电荷泵622可向端子623提供负偏置电压，并且电荷泵626可向端子625提供正偏置电压。在所示实施例中，声换能器601被示意性地示为双背板MEMS麦克风。在各种实施例中，声换能器601可被实施为在本文中讨论的任何配置或其组合。根据声换能器601的实施方式，放大器610和615以及电荷泵622和624被配置为匹配。在所示实施例中，放大器610和615是具有相同增益AB的单端(single ended)放大器。声换能器601通过端子625被电荷泵624偏置，并且可向输入端612和614提供差分信号。
例如，在接口电路600之内，状态机630可向开关644和646提供控制信号，以根据运行的各种模式(比如，启动、低功率、常规和激波恢复)通过偏置电压650偏置输入端612和614。激波恢复638也可向开关646和644提供控制信号。低压差调节器632可向整个接口电路600提供调节的电压，并且带隙电压基准634可提供参考电压。例如，振荡器636可被用于所有的同步块(比如，状态机630与控制器和存储器640)。控制器和存储器640可设置接口电路600之内的电压、阈值以及各种其他块的运行模式。根据一些实施例，控制器和存储器640可存取可编程存储器中的设置和值，并且通过分布在整个各种功能块中的控制信号设置接口电路600。电荷泵622和624可被配置为向端子623和625提供用于声换能器偏置的各种偏置电压。
图7示出了被实施为单背板电容式MEMS麦克风的实施例MEMS换能器700的示意图，该单背板电容式MEMS麦克风包括均被制造在衬底710上的有孔的背板702和可偏离膜或隔膜704。在所示的实施例中，遍及背板702具有孔，以允许气压均衡。背板702和隔膜704制造在衬底710中的腔体714之上。在各种实施例中，腔体714在声学上耦接至封装或芯片中的声音端口(未示出)。通过焊盘708实现电耦接至隔膜704，通过焊盘706实现电耦接至背板702，以及通过焊盘712实现电耦接至衬底710。
根据实施例，声波通过声音端口进入换能器系统并传播至腔体714中。声波导致隔膜704的偏离和振动，改变隔膜704和背板702之间的距离。因为背板702和隔膜704均由导电材料制成，该两个结构形成电容器的平行板电极。当隔膜704被声波移动时，背板702和隔膜704之间的电容随着距离的变化而改变，并且因此在焊盘706上可测量到输出电压的变化。该输出电压可被馈送给接口电路，并且MEMS换能器700可与多个本文所描述的其他MEMS换能器耦接。隔膜和背板的尺寸、分开距离、位移、输出电压和声压强水平之间的数学关系对本领域技术人员而言是众所周知的。
图8a-8d示出了具有顶视图800、820、840和860和横截面801、821、841和861的实施例声音端口配置的示意图。图8a示出了一种实施例麦克风，其在信号声音端口804之上具有制造在相同的裸片上并布置在衬底(比如，载体芯片810)上的两个换能器元件802。在各种实施例中，载体芯片810可包括除载体芯片之外的其他衬底类型。在一些实施例中，载体芯片810是半导体衬底。
图8b示出了一实施例麦克风，其具有在声音端口804之上具有制造在分开的裸片上并且布置在附接至垫片或第二载体芯片808的载体芯片810上的两个换能器元件802。对于在声音端口804之上的相同裸片上制造多个MEMS，这种相同配置也是有可能的。
图8c示出了在声音端口804之上具有制造在相同裸片之上并布置在载体芯片810上的四个换能器元件802的实施例麦克风。为了更好的传播声音，衬底810中的区812可被移除(例如，被蚀刻)。
图8d示出了在声音端口804之上具有制造在相同裸片803之上并且布置衬底844b上的两个换能器元件802的实施例麦克风。衬底844b被附接至衬底844a。在所示实施例中，衬底844b和衬底844a可以是PCB、封装或外壳的第一层和第二层。在特定实施例中，衬底844a和844b均是PCB。衬底844a和衬底844b可由PCB材料、环氧、塑料、合成物、金属、玻璃、陶瓷或其任何组合制成。如图所示，衬底844b可具有布置在两个换能器元件802下面的开口845b，并且衬底844ab可具有布置在衬底844b的开口845b下面的更窄的开口845a。声音端口804可被形成于包括衬底844a和衬底844b中的开口845a和845b的腔体中。根据各种实施例，衬底844a和844b可以是相同的封装或者PCB。在该实施例中，开口845a和845b可以是蚀刻成的、钻孔成的，或者以本领域已知的任何方法形成的。例如，在另一个实施例中，衬底844a和844b可以是两个分开的结构(比如，衬底或者PCB)。在该实施例中，开口845a和845b可在衬底844a和844b通过钻孔、蚀刻或其他机制被结合在一起时形成，或者开口845a和845b可在衬底844a和844b通过类似机制结合在一起之前形成。在一些实施例中，衬底844a和/或衬底844b可以是由任何半导体材料、金属、塑料、氧化物、任何复合材料和/或其任何组合组成的半导体衬底。
在图8a-8d中的各种实施例麦克风可被附接至具有与外部声音端口(未示出)对准的声音端口804的封装。在一些实施例中，在PCB中载体芯片810可在声音端口之上的PCB上布置。载体芯片810也可以是换能器元件802所附接至的封装或电路板的一部分。在各种实施例中，载体芯片810和第二载体芯片808可以是半导体材料(比如，硅)、印刷电路板(PCB)、聚合物、玻璃、铝或合成物。在一些实施例中，载体芯片810和第二载体芯片808不由相同材料制成。图8a-8d中所示的声音端口配置是说明性的，并且可延伸为包括所需的任何数量的换能器元件、垫片或载体芯片、和/或封装附件。在所描述的实施例中，载体芯片810和第二载体芯片808可以是任何形状(例如，环形)，并且并不受所描述的矩形截图限制。根据一个实施例，声音端口804和/或腔体714以声导材料进行填充。
图9示出了包括步骤910、920、930、940和950的实施例制造顺序900的示意图。在所示实施例中，MEMS换能器902被制造在衬底904上。衬底904可包括许多材料，并被示为体硅(bulk silicon)。制造顺序900中的步骤910包括将蚀刻掩模905放置在衬底904上，与MEMS换能器902相对。在各种实施例中，将蚀刻掩模905放置在衬底904上可包括沉积光刻抗蚀剂层、根据由蚀刻掩模905定义的图案暴露光刻抗蚀剂，并使光刻抗蚀剂显影。在其他实施例中，将蚀刻掩模905放置在衬底904上可包括沉积第一掩模材料(比如，二氧化硅)的层。第一掩模材料的层然后可根据光刻工艺和湿法化学蚀刻或等离子蚀刻进行图案化，以形成蚀刻掩模905。
制造顺序900中的步骤920包括在衬底904上将第二蚀刻掩模915放置蚀刻掩模905之上。放置蚀刻掩模915可包括与放置蚀刻掩模905的类似步骤。在各种实施例中，放置蚀刻掩模915可包括沉积第二掩模材料(比如，光刻抗蚀剂、碳)的层或者氮化硅和二氧化硅的堆叠，并以光刻工艺和湿法化学蚀刻或等离子蚀刻进行图案化以形成蚀刻掩模915。
例如，制造顺序900中的步骤930包括采用深反应离子蚀刻(DRIE,deep-reaction-ion-etch)工艺依据蚀刻掩模915在衬底904中蚀刻腔体925。如图所示，腔体925被蚀刻至不等于衬底904的厚度的深度。制造顺序900中的步骤940包括以等离子蚀刻或湿法化学蚀刻移除蚀刻掩模915，并且例如在衬底904中根据蚀刻掩模905以DRIE工艺蚀刻腔体935。最后，制造顺序900中的步骤950包括通过将MEMS麦克风942附接至封装944、以盖948密封并耦接至IC 946中的感应电子来封装MEMS麦克风942。根据各种实施例，MEMS麦克风942和IC 946可在相同裸片上组合。封装944可实施为印刷电路板(PCB)、结构聚合物材料或任何其他结构材料。
图10示出了包括步骤1010、1020和1030的进一步实施例制造顺序1000的示意图。在所示实施例中，MEMS换能器1002被制造在衬底1004上。制造顺序1000中的步骤1010包括在衬底1004上放置蚀刻掩模1015。制造顺序1000中的步骤1020包括根据由蚀刻掩模1015定义的图案在衬底1004中蚀刻腔体1025。
制造顺序1000中的步骤1030包括将MEMS麦克风1042附接至载体芯片1035。载体芯片1035可例如由聚合物、铝、玻璃或钢形成。制造顺序中的步骤1040包括通过将MEMS麦克风1042附接至封装1044、耦接至IC 1046并以盖1048围合来封装MEMS麦克风1042。在各种实施例中，步骤和材料可类似于参考图9和制造序列900所描述的那些。
在一些实施例中，载体芯片1035可在MEMS麦克风1042被附接至载体芯片1035之前，被附接至封装或PCB。在替代的工艺中，载体芯片1035用相同的大小的玻璃或硅的晶片进行加工，并且以与包括MEMS麦克风1042和衬底1004的晶片相同的间隔(即，节距)进行加工。例如，在该实施例中，MEMS麦克风晶片可以以阳极键合工艺、共晶键合工艺或聚合键合工艺与载体芯片1035键合。MEMS麦克风1042和所键合的载体芯片103然后可被切割和封装。
图11a-11b示出了实施例换能器系统1100的示意图。图11a示出了具有通过电连接1112耦接至IC 1110的两个MEMS换能器1102的实施例换能器系统1100的顶视图。MEMS换能器1102和IC 1110被附接至板1106。在各种实施例中，板1106可包括PCB、聚合物、聚合物合成材料或其他结构材料。IC 1110还可通过电连接1114耦接至结合垫1108。根据各种实施例，电连接1112和1114是焊线。在其他实施例中，电连接1112和1114可以是在PCB 1106上的预布线的(pre-routed)连接。
图11b示出了实施例换能器系统1100的底视图，显示了覆盖MEMS换能器1102的感应元件的声音端口1104。在各种实施例中，声音端口1104向外部环境打开，并且声波通过声音端口1104传播以达到MEMS换能器1102。MEMS换能器1102将声信号转换为电信号，并将电信号馈送给IC 1110。根据各种实施例，IC 1110向键合焊盘1108提供放大的差分信号，由底视图示为具有用于外部链接的更大的物理区域。在一些实施例中，键合焊盘1108可被耦接至外部电线，被放置在埋置系统封装中，或者被耦接至片上系统(SoC,system-on-chip)。
图12a-12c示出了具有换能器系统1200、1210和1220的实施例换能器配置的示意图。图12a示出了具有两个中每个具有单个换能器元件的换能器1202和1204的实施例换能器系统1200。例如，根据各种实施例，换能器1202和1204可包括电容式MEMS麦克风(比如，单背板或双背板MEMS麦克风)。如参考本文所包括的其他附图所描述的，换能器1202和1204可分别地通过耦接至隔膜垫或膜焊盘1和2的偏置电压发生器(未示出)以相同的或不同的偏置电压进行偏置。换能器1202和1204也可通过背板焊盘1和2提供差分信号。
图12b示出了具有两个中每个具有两个换能器元件的换能器1202和1204的实施例换能器系统1210。如图所示，对于换能器1202的两个换能器元件均耦接至背板焊盘1和膜焊盘1，并且对于换能器1204的两个换能器元件均耦接至背板焊盘2和膜焊盘2。根据各种实施例，换能器1202和1204可具有相同的偏置电压或不同的偏置电压，并且可提供差分输出信号。
图12c示出了具有两个具有不等数量的换能器元件的换能器1202和1204的实施例换能器系统1220。换能器1202具有三个换能器元件，并且换能器1204具有一个换能器元件。再次，换能器1202的换能器元件具有分别耦接至背板焊盘1和膜焊盘1的共同的背板和隔膜。如图12a-12c中所示的配置仅仅是说明，并且不应被解释为受限的意义。在此，多于四个换能器元件中很容易被预期到，并且可使用其任何配置。
如图12a-12c所示，一些实施例MEMS也可包括可用于减少寄生电容的影响的防护垫。在该情况下，防护1引脚和防护2引脚可被连接至接口电路，该接口电路提供在背板处生成的相同信号。
图13示出了具有均耦接至第一衬底1310的第一背板1302和在隔膜1306的相对侧面上的第二背板1304的实施例双背板MEMS换能器1300的示意图。第二衬底1308可通过界面层1318与第一衬底1310分开，并且第一衬底1310可被钝化层1320覆盖。电接触1312、1314和1316被制为穿过钝化层1320和第一衬底1310分别达到背板1302、背板1304和隔膜1306。
根据实施例，入射声音端口1330的声波将穿过有孔的背板1302传播，并使隔膜1306偏离。随着隔膜1306偏离，隔膜1306与背板1302和1304之间的间隔距离将改变，从而改变电容。电容的改变如同电接触1312、1314和1316上的电压变化是可测量的。根据各种实施例，隔膜1306可具有由电接触1316施加的偏置电压，并且背板1302和1304可通过电接触1312和1314提供差分信号输出。在各种实施例中，因为背板1302和1304位于隔膜1306的相反侧面上，所以去往电接触1312和1314的输出信号是反相的。
图14示出了具有耦接至放大器1410的两个双背板MEMS麦克风1402和1404的双背板MEMS换能器系统1400实施例的示意图。每个双背板MEMS麦克风1402和1404可包括下背板(LBP,lower backplate)、隔膜(DIA)和上背板(UBP,upper backplate)。双背板MEMS麦克风1402和1404由偏置电压发生器1420通过电阻器1408和电容器1406进行偏置。在各种实施例中，用于双背板MEMS麦克风1402和1404的共享的声音端口(未示出)上的入射声可被转换为线1412和1414上的差分信号。放大器1410接收该差分信号并提供线1416和1418上的放大的差分输出信号。各种组合、替代和配置可根据参考本文所包括的附图进行描述的各种实施例进行实施。
图15示出了具有耦接至两个单端放大器1510和1515的两个双背板MEMS麦克风1502和1504的实施例双背板MEMS换能器系统1500的示意图，该两个单端放大器1510和1515分别具有增益Ap和An。根据各种实施例，Ap在符号和大小上等于An。在其他实施例中，Ap与An符号相反但大小相等。
图16示出了具有两个双背板MEMS麦克风1602和1604、两个放大器1610和1615和两个开关1606和1608的另外的双背板MEMS换能器系统1600实施例的示意图。在各种实施例中，开关1606和1608通过耦接和去耦接偏置电压发生器1622和1624来接通和关闭一个或者两个MEMS麦克风1602和1604。在其他实施例中，偏置电压发生器被配置为设置MEMS麦克风1602和1604的灵敏度。在特定实施例中，偏置发生器1622提供较高的灵敏度和较高的功率消耗，而偏置发生器1624提供较低的灵敏度和较低的功率消耗。在该实施例中，开关1606和1608可根据系统用途和需求被打开或关闭，以在高灵敏度模式或在低功率模式下运行。根据各种实施例，放大器1610和1615可以是差分放大器。在替代的实施例中，放大器1610和1615可以是单端放大器。在一些实施例中，开关1606和1608可被省略，并且不同的偏置电压由硬件实现。
图17示出了包括步骤1710、1720和1730的用于运行换能器系统1700的实施例方法的方框图。步骤1710包括通过声学上耦接至第一换能器元件和第二换能器元件的声音端口接收声信号。根据实施例，每个换能器元件包括背板和隔膜。步骤1720包括生成在换能器元件的隔膜处的差分信号，以及步骤1730包括放大该差分信号。
图18a示出了包括麦克风1802、集成电路(IC)1804、封装板1806和盖1808的实施例顶侧端口麦克风封装1800的横截面。根据各种实施例，麦克风1802制造在相同的IC 1804上，并位于声音端口1812之下。在其他实施例中，声音端口可位于封装的其他部分中，并且可在麦克风之上或不在麦克风之上。IC 1804可通过球形栅格阵列(BGA,ball grid array)1810被附接至封装板1806。如图所示，盖1808可被附接至封装板1806，并且可包括封装声音端口1812。
在各种实施例中，麦克风1802是MEMS麦克风。麦克风1802可包括多个换能器元件，或可包括多个分开的麦克风芯片，每个芯片具有单个换能器或多个换能器。在替换实施例中，麦克风1802可被制造在分开的IC上，并通过其他的BGA、电子晶片级BGA(eWLB,electronic wafer level BGA)或本领域已知的任何方法键合至IC 1804。IC 1804可以是任何集成电路、ASIC、FPGA或类似芯片。
图18b示出了包括麦克风1822、集成电路(IC)1824、封装1826和盖1828的另一个实施例顶侧端口麦克风封装1820的横截面。根据各种实施例，麦克风1822和IC 1824被附接至盖1828。如上文中参考其他附图所详细描述的，声音端口1832声学上耦接至麦克风1822的腔体或共享的腔体。例如，盖1828可被附接至封装1826，并且封装1826可包括用于耦接至电子系统(比如，在手机封装中或PCB上的埋置系统)的电连接1834。IC 1824可通过内部布线1836被耦接至麦克风1822。其他的电连接可将IC 1824耦接至电连接1834。该电连接可包括在盖1828和封装1826中的轨迹，和/或其他的内部布线(未示出)。在各种实施例中，盖1828和封装1826可包括PCB。
在各种实施例中，麦克风1802和1822可根据任一本文所描述的实施例实施，并且更具体地，可根据如上所述图8a-8d、图9和图10实施。因此，麦克风1802和1822可包括许多换能器或MEMS换能器元件、衬底、垫片和/或载体芯片。在替换的实施例中，麦克风1802和1822是其他类型的MEMS换能器。在各种实施例中，封装板1806、封装1826、盖1808和盖1828可由PCB、陶瓷、聚合物、玻璃、合成物、金属、半导体或其任何组合组成。
本文所描述的一个实施例包括具有第一微机电系统(MEMS)换能器元件、第二MEMS换能器元件和半导体衬底的MEMS。第一MEMS换能器元件、第二MEMS换能器元件布置在半导体衬底的顶面处，并且半导体衬底包括声学上被耦接至第一MEMS换能器元件和第二MEMS换能器元件的共享的腔体。进一步的实施例包括耦接至第一MEMS换能器元件和第二MEMS换能器元件的偏置发生器以及具有耦接至第一MEMS换能器元件和第二MEMS换能器元件的输入端的放大器。在此情况下，放大器提供其输出端上的差分输出信号。
在各种实施例中，偏置发生器包括耦接至第一MEMS换能器元件并配置为提供第一偏置电压的第一偏置发生器以及耦接至第二MEMS换能器元件并配置为提供第二偏置电压的第二偏置发生器。放大器和偏置发生器可被布置在集成电路(IC)上，并且可电耦接至第一MEMS换能器元件和第二MEMS换能器元件。在一些实施例中，放大器和偏置发生器可被集成在衬底上。第一MEMS换能器元件可包括多个第一MEMS换能器元件，并且第二MEMS换能器元件可包括多个第二MEMS换能器元件。在进一步的实施例中，MEMS还可包括耦接至共享的腔体的单个声音端口。
根据实施例，MEMS包括覆盖第一半导体衬底内的第一腔体的布置在第一半导体衬底的顶面处的第一MEMS换能器元件、覆盖第二半导体衬底内的第二腔体的布置在第二半导体衬底的顶面处的第二MEMS换能器元件、具有共享的腔体的第三衬底以及具有声音端口的第四衬底。第一衬底和第二衬底可被布置在第三衬底上，至少以第一腔体的一部分和第二腔体的一部分覆盖共享的腔体。第三衬底可不同于第一半导体衬底和第二半导体衬底。此外，第三衬底可布置在第四衬底上，共享的腔体的至少一部分覆盖声音端口。第四衬底可不同于第一半导体衬底、第二半导体衬底和第三衬底。
在各种实施例中，第三衬底可包括载体芯片，并且第四衬底可包括印刷电路板(PCB)。共享的腔体可宽于声音端口。在一些实施例中，第一衬底和第二衬底是同一个衬底。MEMS还看包括耦接至第一MEMS换能器元件和第二MEMS换能器元件以及放大器的偏置发生器。放大器可具有耦接至第一MEMS换能器元件和第二MEMS换能器元件的输入端以及配置为提供差分输出信号的输出端。在进一步的实施例中，第一MEMS换能器元件包括多个第一MEMS换能器元件，并且第二MEMS换能器元件包括多个第二MEMS换能器元件。
根据实施例，一种操作声换能器系统的方法包括使用第一换能器元件和第二换能器元件通过共享声音端口接收声信号、在第一换能器元件和第二换能器元件的输出端处生成第一差分信号，以及以放大器放大第一差分信号。此外，该方法还包括在放大器的输出端处生成第二差分信号。在一些实施例中，接收声信号包括通过在衬底中形成的并声学上耦接至共享声音端口的单个腔体接收声信号。在此实施例中，第一换能器元件和第二换能器元件在腔体之上的衬底上形成。在进一步的实施例中，生成在第一换能器元件和第二换能器元件处的第一差分信号包括生成来自第一换能器元件的第一信号和生成来自第二换能器元件的第二信号。第二信号可与第一信号是反相的。
根据实施例，一种制造换能器系统的方法包括：(1)在半导体层的顶面上形成第一MEMS麦克风和第二MEMS麦克风，(2)将第一蚀刻掩模应用在半导体衬底的底面上，(3)将第二蚀刻掩模应用在半导体衬底的底面上，根据第二掩模从半导体衬底的底面蚀刻半导体衬底的一部分，并在第一MEMS麦克风和第二MEMS麦克风的底侧暴露之前停止蚀刻，以及(4)移除第二掩模，并且根据第一蚀刻掩模蚀刻半导体衬底的一部分，直至第一MEMS麦克风和第二MEMS麦克风的底侧被暴露。第一蚀刻掩模包括与MEMS麦克风对准的第一开口，并且第二蚀刻掩模包括与第一MEMS麦克风和第二MEMS麦克风对准并对应于第一MEMS麦克风和第二MEMS麦克风的第二开口和第三开口。
根据实施例，一种换能器系统，包括第一机械刚性背板、与第一机械刚性背板邻近的并被配置为电耦接至第一偏置电压的第一可偏离隔膜、第二机械刚性背板、与第二机械刚性背板邻近的并被配置为电耦接至第二偏置电压的第二可偏离隔膜以及具有电耦接至第一机械刚性背板和第二机械刚性背板的输入端的放大器。在一些实施例中，放大器具有配置为提供差分输出信号的输出端。放大器可以是差分放大器。
在各种实施例中，换能器系统还包括配置为生成第一偏置电压和第二偏置电压的偏置电压发生器。第一偏置电压可不同于第二偏置电压。此外，放大器和偏置电压发生器可布置在集成电路(IC)上。在一个实施例中，第一机械刚性背板和第一可偏离隔膜包括多个第一机械刚性背板和多个第一可偏离隔膜，并且第二机械刚性背板和第二可偏离隔膜包括多个第二机械刚性背板和多个第二可偏离隔膜。
在各种实施例中，第一机械刚性背板和第二机械刚性背板是双背板MEMS麦克风，并且第一可偏离隔膜和第二可偏离隔膜是双背板MEMS麦克风的单个隔膜。在另一个实施例中，放大器包括第一单端放大器和第二单端放大器。第一单端放大器可具有与第二单端放大器的第二增益基本相等小大和相反符号的第一增益。
根据实施例，MEMS包括具有在第二腔体之上布置的第一腔体的印刷电路板(PCB)和与第一腔体邻近地布置在PCB的顶面处的MEMS换能器。第一腔体可大于第二腔体。此外，MEMS换能器包括半导体衬底、布置在半导体衬底的顶面处的覆盖在半导体衬底中形成的第三腔体的第一MEMS换能器元件，以及布置在半导体衬底的顶面处的覆盖在半导体衬底中形成的第四腔体的第二MEMS换能器元件。在此实施例中，第一腔体、第二腔体、第三腔体和第四腔体全部声学上进行耦接。在各种实施例中，PCB包括包括第一腔体的第一层和包括第二腔体的第二层。第一MEMS换能器元件和第二MEMS换能器元件可一起包括双背板MEMS麦克风或者一起形成双背板MEMS麦克风。
本文所描述的实施例的优点可包括存在干扰时的鲁棒性能(robustperformance)，以低二阶失真(low 2nd order distortion)、用于具有高动态范围的给定供应电压的大的信号摆幅(signal swing)的线性换能器操作，以及在高声压水平(HSL,highsound level)条件下的良好性能。具有双背板MEMS的实施例可有利于使用拓扑上的简单ASIC和高空间利用率。多个单背板MEMS可具有低制造成本、低噪音并且有物理鲁棒性。
虽然本发明已参照说明性实施例进行了描述，该描述并不旨在被理解为限制性意义。参考具体实施方式，本发明的各种变化和说明性实施例的组合以及其他实施例对于本领域的技术人员是显而易见的。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这种改变或实施例。

Claims (19)

1.一种微机电系统MEMS，包括：
第一MEMS换能器元件；
第二MEMS换能器元件；
半导体衬底，包括共享的腔体，所述共享的腔体延伸穿过所述半导体衬底的整个厚度，其中所述第一MEMS换能器元件和所述第二MEMS换能器元件被布置在所述半导体衬底的顶面处，并且均被布置在所述共享的腔体之上且声学上被耦接至所述共享的腔体；以及
基板，包括声音端口，所述声音端口声学上被耦接至所述共享的腔体，其中所述半导体衬底被布置在所述基板上，并且其中所述第一MEMS换能器元件和所述第二MEMS换能器元件被定位在距所述声音端口相等距离处，
其中所述第一MEMS换能器元件的第一端由所述半导体衬底的具有第一厚度的第一半导体衬底部分直接支撑，其中所述第一MEMS换能器元件的第二端和所述第二MEMS换能器元件的第一端由所述半导体衬底的具有第二厚度的第二半导体衬底部分直接支撑，所述第二厚度小于所述第一厚度，并且其中所述第二MEMS换能器元件的第二端由所述半导体衬底的具有所述第一厚度的第三半导体衬底部分直接支撑。
2.根据权利要求1所述的MEMS，进一步包括：
放大器，具有被耦接至所述第一MEMS换能器元件和所述第二MEMS换能器元件的输入端，以及具有被配置为提供差分输出信号的输出端；以及
偏置发生器，被耦接至所述第一MEMS换能器元件和所述第二MEMS换能器元件。
3.根据权利要求2所述的MEMS，其中所述偏置发生器包括：
第一偏置发生器，被耦接至所述第一MEMS换能器元件并且被配置为提供第一偏置电压；以及
第二偏置发生器，被耦接至所述第二MEMS换能器元件并且被配置为提供第二偏置电压。
4.根据权利要求2所述的MEMS，其中所述放大器和所述偏置发生器被布置在集成电路(IC)上，并且被电耦接至所述第一MEMS换能器元件和所述第二MEMS换能器元件。
5.根据权利要求2所述的MEMS，其中所述放大器和所述偏置发生器被集成在所述半导体衬底上。
6.根据权利要求2所述的MEMS，其中，
所述第一MEMS换能器元件包括第一机械刚性背板、以及与所述第一机械刚性背板邻近的第一可偏离隔膜；
所述第二MEMS换能器元件包括第二机械刚性背板、以及与所述第二机械刚性背板邻近的第二可偏离隔膜；
所述放大器具有被耦接至所述第一机械刚性背板和所述第二机械刚性背板的输入端；并且
所述偏置发生器被耦接至所述第一可偏离隔膜和所述第二可偏离隔膜。
7.根据权利要求6所述的MEMS，其中所述第一机械刚性背板和所述第二机械刚性背板一起包括双背板MEMS麦克风，并且其中所述第一可偏离隔膜和所述第二可偏离隔膜一起包括所述双背板MEMS麦克风的单个隔膜。
8.根据权利要求2所述的MEMS，其中所述放大器包括差分放大器。
9.根据权利要求2所述的MEMS，其中所述放大器包括第一单端放大器和第二单端放大器，其中所述第一单端放大器具有与所述第二单端放大器的第二增益基本相等大小并且相反符号的第一增益。
10.根据权利要求1所述的MEMS，其中所述第一MEMS换能器元件包括多个第一MEMS换能器元件，并且所述第二MEMS换能器元件包括多个第二MEMS换能器元件。
11.根据权利要求1所述的MEMS，其中所述基板包括印刷电路板。
12.根据权利要求1所述的MEMS，其中所述基板包括陶瓷衬底。
13.一种微机电系统MEMS，包括：
第一MEMS换能器元件，被布置在第一半导体衬底的顶面处，覆盖所述第一半导体衬底内的第一腔体；
第二MEMS换能器元件，被布置在第二半导体衬底的顶面处，覆盖所述第二半导体衬底内的第二腔体；
第三衬底，包括共享的腔体，所述共享的腔体延伸穿过所述第三衬底的整个厚度，其中所述第一半导体衬底和第二半导体衬底被布置在所述第三衬底上，至少所述第一腔体的一部分和所述第二腔体的一部分覆盖所述共享的腔体，并且所述第三衬底不同于所述第一半导体衬底和所述第二半导体衬底；以及
第四衬底，包括声音端口，所述声音端口具有与所述第一MEMS换能器元件以及所述第二MEMS换能器元件等距间隔开的开口，其中所述第三衬底被布置在所述第四衬底上，所述共享的腔体的至少一部分覆盖所述声音端口，并且所述第四衬底包括与所述第一半导体衬底、所述第二半导体衬底和所述第三衬底不同的材料，
其中所述第一半导体衬底和所述第二半导体衬底是相同衬底，并且其中所述第一MEMS换能器元件的第一端由所述相同衬底的具有第一厚度的第一半导体衬底部分直接支撑，其中所述第一MEMS换能器元件的第二端和所述第二MEMS换能器元件的第一端由所述相同衬底的具有第二厚度的第二半导体衬底部分直接支撑，所述第二厚度小于所述第一厚度，并且其中所述第二MEMS换能器元件的第二端由所述相同衬底的具有所述第一厚度的第三半导体衬底部分直接支撑。
14.根据权利要求13所述的MEMS，其中所述第三衬底包括载体芯片。
15.根据权利要求13所述的MEMS，其中所述第四衬底包括印刷电路板(PCB)。
16.根据权利要求13所述的MEMS，其中所述共享的腔体比所述声音端口更宽。
17.根据权利要求13所述的MEMS，进一步包括：
放大器，具有被耦接至所述第一MEMS换能器元件和所述第二MEMS换能器元件的输入端，以及具有被配置为提供差分输出信号的输出端；以及
偏置发生器，被耦接至所述第一MEMS换能器元件和所述第二MEMS换能器元件。
18.根据权利要求13所述的MEMS，其中所述第一MEMS换能器元件包括多个第一MEMS换能器元件，并且所述第二MEMS换能器元件包括多个第二MEMS换能器元件。
19.根据权利要求13所述的MEMS，其中，
所述第一MEMS换能器元件包括第一机械刚性背板、以及与所述第一机械刚性背板邻近的第一可偏离隔膜；并且
所述第二MEMS换能器元件包括第二机械刚性背板、以及与所述第二机械刚性背板邻近的第二可偏离隔膜。
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