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CN112088539B - 麦克风及用于该麦克风的控制电路 - Google Patents

麦克风及用于该麦克风的控制电路 Download PDF

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CN112088539B
CN112088539B CN201980029967.3A CN201980029967A CN112088539B CN 112088539 B CN112088539 B CN 112088539B CN 201980029967 A CN201980029967 A CN 201980029967A CN 112088539 B CN112088539 B CN 112088539B
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Abstract

本申请提供一种麦克风及用于该麦克风的控制电路。麦克风包括限定了腔的壳体、被定位在腔内的多个导体、被定位在腔内的至少一个电介质棒以及换能器振膜。导体被构造成在壳体保持固定的同时响应于压力变化而移动。第一导体响应于由大气压变化引起的压力变化而生成第一电信号。第二导体响应于由声活动引起的压力变化而生成第二电信号。电介质棒相对于腔是固定的，并且在压力变化下保持固定。电介质棒与导体中的至少一个导体相邻。响应于为大气压和/或声压的作用压力，换能器振膜在壳体上施加力，并且使导体的至少一部分相对于电介质棒移位。

Description

麦克风及用于该麦克风的控制电路
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2018年3月21日提交的美国临时专利申请No.62/646,003的权益，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及一种麦克风及用于该麦克风的控制电路。
背景技术
麦克风被部署在各种类型的设备中，诸如，个人计算机、蜂窝电话、移动设备、耳机、头戴受话器和助听器设备。然而，随着设备变小，它们需要更小的麦克风。与较大的麦克风相比，较小的麦克风通常会由于摩擦而经受更大的信号损失并且通常具有更低的信噪比。
发明内容
一种实现方式涉及一种包括电介质梳(dielectric comb)和控制电路的麦克风。该麦克风包括限定了腔(cavity)的壳体、被定位在腔内的多个导体以及被定位在腔内的至少一个电介质棒。多个导体被构造成在壳体保持固定的同时响应于压力变化而移动。压力变化包括由声活动引起的压力变化和由大气压变化引起的压力变化。多个导体包括至少一个第一导体和至少一个第二导体。所述至少一个第一导体被配置成响应于由大气压变化引起的压力变化而生成第一电信号。所述至少一个第二导体被配置成响应于由声活动引起的压力变化而生成第二电信号。所述至少一个电介质棒被定位在腔内并相对于腔固定在固定位置，使得至少一个电介质棒在压力变化下保持固定。至少一个电介质棒中的每一者与多个导体中的至少所述至少一个第一导体或所述至少一个第二导体相邻。控制电路包括大气压处理电路和声活动处理电路。该大气压处理电路电联接至至少一个第一导体并且被配置成接收第一电信号并生成指示由大气压变化引起的压力变化的大气压信号。该声活动处理电路电联接至至少一个第二导体并且被配置成接收第二电信号并生成指示由声活动引起的压力变化的声信号。
在一些实现方式中，麦克风还包括至少一个隔离部，该至少一个隔离部联接到壳体并且可响应于压力变化相对于壳体移动。多个导体联接到该至少一个隔离部。
在一些实现方式中，控制电路还包括电荷泵，该电荷泵电连接至多个导体的至少一部分，以向多个导体的至少所述部分提供偏置电荷。大气压处理电路被配置成对第一电信号进行处理以响应于由大气压变化引起的压力变化来生成电荷泵偏置信号。
在一些实现方式中，电荷泵偏置信号被配置成在多个导体之间产生电力，以使多个导体在与由大气压变化导致的移动方向相反的方向上移动。
在一些实现方式中，电力被配置成使多个导体返回到静止位置，在不存在由大气压变化引起的压力变化的情况下，多个导体将被定位在静止位置处。
在一些实现方式中，麦克风还包括振膜，该振膜伸展到腔中并且在电介质梳上施加力。该压力变化导致振膜的移动。振膜的移动的变化导致多个导体相对于多个电介质棒的移动。
在一些实现方式中，所述振膜包括：第一波纹管(bellow)板；第二波纹管板，该第二波纹管板通过第一顺应性(compliant)结构固定至第一波纹管板；以及第三波纹管板，该第三波纹管板通过第二顺应性结构固定至第二波纹管板。第一波纹管板和第二波纹管板是环形的，并且第三波纹管板是圆形的。
在一些实现方式中，振膜包括由具有第一弹性模量的第一材料形成的第一层和由具有小于第一弹性模量的第二弹性模量的第二材料形成的第二层。
在一些实现方式中，所述腔是真空的。
另一实现方式涉及一种微机电系统(MEMS)换能器，该MEMS换能器包括波纹管振膜。波纹管振膜包括：第一波纹管板、一个或更多个第二波纹管板、第三波纹管板以及多个顺应性结构。第一波纹管板是环形的。一个或更多个第二波纹管板是环形的。第三波纹管板是圆形的。多个顺应性结构连接第一波纹管板、一个或更多个第二波纹管板和第三波纹管板。在静止位置处，第一波纹管板、一个或更多个第二波纹管板和第三波纹管板大致平行。响应于为大气压和声压中的至少一者的作用压力(applied pressure)，所述MEMS换能器伸展到伸展位置，在伸展位置中，第一波纹管板和一个或更多个第二波纹管板相对于第三波纹管板倾斜。
在一些实现方式中，第一位置在没有外部作用力的情况下出现。
在一些实现方式中，第一波纹管板、第二波纹管板和第三波纹管板被构造成响应于作用压力的变化而移动。
在一些实现方式中，多个顺应性结构被配置成在MEMS换能器经受循环载荷时将顺应性水平保持在1nm/Pa至10nm/Pa之间。
在一些实现方式中，第一波纹管板、一个或更多个第二波纹管板和第三波纹管板各自具有大致0.5μm至大致2μm的厚度。
在一些实现方式中，第一波纹管板、一个或更多个第二波纹管板和第三波纹管板中的相邻波纹管板之间的间隔大致为0.5μm至5μm。
在一些实现方式中，一个或更多个第二波纹管板包括三个第二波纹管板。
在一些实现方式中，一个或更多个第二波纹管板包括五个第二波纹管板。
在一些实现方式中，一个或更多个第二波纹管板包括七个第二波纹管板。
另一实现方式涉及一种微机电系统(MEMS)换能器，该MEMS换能器被配置成与麦克风系统一起使用，该麦克风系统包括限定了腔的壳体和被定位在腔内的压力传感器。该MEMS换能器包括第一层和第二层。第一层包括被构造成在压力传感器上施加力的接触壁。第一层由具有第一弹性模量的第一材料形成。第二层形成在第一层上。第二层由具有小于第一弹性模量的第二弹性模量的第二材料形成。第一层和第二层的至少一部分被固定到壳体以相对于壳体偏转(deflection)。第二层被构造成在偏转期间接收由壳体施加在MEMS换能器上的集中应力并将该集中应力作为分布应力传递到第一层。
在一些实现方式中，第一层具有100nm至1μm的厚度，以维持腔中的真空。
在一些实现方式中，第一弹性模量在50Gpa至200GPa之间。
在一些实现方式中，第二弹性模量在1Gpa至10GPa之间。
另一实现方式涉及一种用于微机电系统(MEMS)麦克风的控制电路。控制电路包括大气压处理电路和声活动处理电路。该大气压处理电路被配置成接收来自所述MEMS麦克风的可移动感测结构的第一多个导体的、响应于可移动感测结构的移动而生成的第一信号，并对第一信号进行处理以生成指示大气压变化的信号。该声活动处理电路被配置成接收来自可移动感测结构的第二多个导体的第二信号。声活动处理电路被配置成对第二信号进行处理以生成指示声活动的信号。
在一些实现方式中，控制电路还包括连接到可移动感测结构的电荷泵。大气压处理电路被配置成控制电荷泵以基于指示大气压变化的信号向可移动感测结构的至少第一多个导体中的一个或更多个导体提供偏置信号。
在一些实现方式中，偏置电荷的大小被调整成对可移动感测结构进行偏置以补偿大气压变化。
在一些实现方式中，第二信号具有高频部分和低频部分。声活动处理电路包括被配置成去除第二信号的低频部分的滤波器。
在一些实现方式中，第二信号具有幅度。声活动处理电路包括反馈电路，该反馈电路被配置成确定第二信号的幅度。响应于幅度超过预定阈值，声活动处理电路被配置成生成反馈信号，以减小第二信号的幅度，以防止声活动处理电路的过载。
在一些实现方式中，第二多个导体与第一多个导体不同。
另一实现方式涉及一种麦克风，该麦克风包括限定了腔的壳体、被定位在腔内的多个导体、被定位在腔内的至少一个电介质棒以及换能器振膜。多个导体被构造成在壳体保持固定的同时响应于压力变化而移动。压力变化包括由声活动引起的压力变化和由大气压变化引起的压力变化。多个导体包括至少一个第一导体和至少一个第二导体。该至少一个第一导体被配置成响应于由大气压变化引起的压力变化而生成第一电信号。该至少一个第二导体被配置成响应于由声活动引起的压力变化而生成第二电信号。该至少一个电介质棒被定位在腔内并相对于腔固定在固定位置，使得至少一个电介质棒在压力变化下保持固定。至少一个电介质棒中的每一者与多个导体中的至少一个导体相邻。换能器振膜包括：第一波纹管板、一个或更多个第二波纹管板、第三波纹管板以及多个顺应性结构。第一波纹管板是环形的。一个或更多个第二波纹管板是环形的。第三波纹管板是圆形的。多个顺应性结构连接第一波纹管板、一个或更多个第二波纹管板和第三波纹管板。在静止位置处，第一波纹管板、一个或更多个第二波纹管板和第三波纹管板大致平行。响应于为大气压和声压中的至少一者的作用压力，所述MEMS换能器伸展到伸展位置，在伸展位置中，第一波纹管板和一个或更多个第二波纹管板相对于第三波纹管板倾斜，并且MEMS换能器在电介质梳上施加力。该力使多个导体的至少一部分相对于电介质棒的至少一部分移位。
另一实施方式涉及一种麦克风，该麦克风包括限定了腔的壳体、被定位在腔内的多个导体、被定位在腔内的至少一个电介质棒以及换能器。多个导体被构造成在壳体保持固定的同时响应于压力变化而移动。压力变化包括由声活动引起的压力变化和由大气压变化引起的压力变化。多个导体包括至少一个第一导体和至少一个第二导体。该至少一个第一导体被配置成响应于由大气压变化引起的压力变化而生成第一电信号。该至少一个第二导体被配置成响应于由声活动引起的压力变化而生成第二电信号。该至少一个电介质棒被定位在腔内并相对于腔固定在固定位置，使得至少一个电介质棒在压力变化下保持固定。至少一个电介质棒中的每一者与多个导体中的至少一个导体相邻。该换能器包括第一层和第二层。第一层包括被构造成在压力传感器上施加力的接触壁。第一层由具有第一弹性模量的第一材料形成。第二层被形成在第一层上。第二层由具有小于第一弹性模量的第二弹性模量的第二材料形成。第一层和第二层的至少一部分被固定到壳体以相对于壳体偏转。第二层被构造成在偏转期间接收由壳体施加在MEMS换能器上的集中反作用力并将集中应力作为分布应力传递到第一层。第一层在电介质梳上施加力。该力使多个导体的至少一部分相对于电介质梳的至少一部分移位。
另一实现方式涉及一种用于制造微机电(MEMS)换能器的方法。该方法包括在具有相反的第一表面和第二表面的基板的第一表面上(over)沉积热氧化物层。该方法还包括沉积一个或更多个掺杂氧化物层和一个或更多个未掺杂氧化物层。一个或更多个掺杂氧化物层和一个或更多个未掺杂氧化物层交替地间隔。一个或更多个掺杂氧化物层中的一个掺杂氧化物层与热氧化物层相邻。该方法还包括蚀刻掉一个或更多个掺杂氧化物层的一部分以暴露一个或更多个未掺杂氧化物层的表面。该方法还包括在热氧化物层、一个或更多个掺杂氧化物层和一个或更多个未掺杂氧化物层的表面上沉积振膜层。该方法还包括蚀刻掉基板的第二表面的一部分以暴露热氧化物层。该方法还包括从振膜层蚀刻掉一个或更多个掺杂氧化物层、一个或更多个未掺杂氧化物层以及热氧化物层的一部分。振膜层限定了通过热氧化物层固定到基板的第一表面并且可相对于基板移动的振膜换能器。
在一些实现方式中，振膜层是多晶硅材料或氮化硅材料。
在一些实现方式中，振膜层具有在0.5μm至2μm的厚度。
在一些实现方式中，使用低压化学气相沉积来沉积振膜层。
在一些实现方式中，掺杂牺牲氧化物是磷硅酸盐玻璃，并且未掺杂牺牲氧化物是硅酸盐玻璃。
附图说明
图1是根据本公开的实现方式的麦克风系统的示意表示。
图2是例示了根据本公开的实现方式的图1的麦克风系统的工作的流程图。
图3是根据本公开的实现方式的包括电介质梳和波纹管振膜的麦克风系统的截面图。
图4是根据本公开的一些实现方式的图3的麦克风系统的示例电介质梳的示意图。
图5是根据本公开的一些实现方式的电介质梳与集成电路之间的接口的示意表示。
图6是根据本公开的实现方式的用于图3的麦克风系统的另一示例电介质梳的俯视图的表示。
图7是电介质梳的沿着图6的线7-7截取的截面图的表示。
图8是图7的电介质梳的截面图的局部视图。
图9A例示了在真空中的图3的电介质梳。图9B例示了受到由于大气压而引起的力的图3的电介质梳。图9C例示了施加静电力以抵消(offset)由于大气压引起的力的一部分的图3的电介质梳。
图10是根据本公开的另一实现方式的麦克风的电介质梳的截面图的表示。
图11是在真空中的图3的波纹管振膜的截面图。
图12是受到由大气压和/或声压施加的分布力的图3的波纹管振膜的截面图。
图13是根据本公开的另一实现方式的包括电介质梳和振膜的麦克风系统的截面图。
图14是根据本公开的实现方式的图13的振膜的倒置侧视图。
图15是例示了根据本公开的实现方式的图13的振膜的受到分布的部分的应力和偏转的图。
图16是图15的振膜的细节图。
图17是根据本公开的实现方式的包括电介质梳的图3和/或图13的麦克风系统的控制环路的表示。
图18是根据本公开的一些实现方式的图17的控制环路的感测环路的表示。
图19是根据本公开的实现方式的包括电介质梳的图3和/或图13的麦克风的模拟控制系统的表示。
图20是根据本公开的实现方式的包括电介质梳的图3和/或图13的麦克风的包括数字部件和模拟部件的控制系统的表示。
图21是例示了根据本公开的实现方式的图3和/或图13的麦克风系统的工作过程的流程图。
图22是例示了根据本公开的实现方式的图3和/或图13的麦克风系统的反馈响应过程的流程图。
图23是根据本公开的一些实现方式的由于声力引起的电介质梳的位移与电介质梳的电容的曲线图。
图24是根据本公开的一些实现方式的由于声力引起的电介质梳的位移的导数(derivative)与电介质梳的电容的导数的曲线图。
图25是根据本公开的一些实现方式的由于声力引起的电介质梳的位移与电介质梳的电容的曲线图。
图26是根据本公开的一些实现方式的由于声力引起的电介质梳的位移的导数与电介质梳的电容的导数的曲线图。
图27是根据本公开的一些实现方式的受到由大气压施加的分布力的波纹管振膜的截面图。
图28是根据本公开的一些实现方式的受到由大气压施加的分布力的波纹管振膜的截面图。
图29是根据本公开的一些实现方式的受到由大气压施加的分布力的波纹管振膜的截面图。
图30是例示了根据本公开的一些实现方式的制造波纹管振膜的方法的流程图。
图31例示了根据本公开的一些实现方式的图30的方法的步骤。
图32例示了根据本公开的一些实现方式的图30的方法的另一步骤。
图33例示了根据本公开的一些实现方式的图30的方法的另一步骤。
图34例示了根据本公开的一些实现方式的图30的方法的另一步骤。
图35例示了根据本公开的一些实现方式的图30的方法的另一步骤。
在下面的具体实施方式中，参照形成其一部分的附图。在附图中，除非上下文另有规定，否则相似符号通常标识相似部件。在该具体实施方式、附图以及权利要求书中描述的例示性实现方式不是旨在进行限制。在不脱离在此呈现的主题的精神或范围的情况下，可以利用其它实现方式，并且可以做出其它附图。应当容易地明白，如在本文通常描述且在附图中例示的本公开的各方面可以按宽泛种类的不同配置来布置、代替、组合以及设计，它们全部明确地进行了设想并且成为本公开的一部分。
具体实施方式
微机电系统(MEMS)麦克风的性能损失是由于MEMS设备的背板的粘滞损失而引起的。粘滞损失对麦克风性能的不利影响随着麦克风尺寸的减小而增加。通过在低压或理想真空条件下封装MEMS设备，可以显著降低背板的粘滞损失。然而，在低压或真空条件下的封装使得MEMS设备更易于响应于大气压变化，这会在由MEMS设备感测的声信号和/或数据中产生噪声。海平面的大气压为100kPa，这比声压的动态范围(200Pa)高出约3个数量级。本公开涉及通过生成抵消静电力来抵消大气压的测量波动。
本公开提供了一种与MEMS换能器一起使用的电介质梳。电介质梳包括与电介质绝缘体相邻定位的导体。导体的一部分被适配成感测声活动，并且导体的一部分被适配成感测大气压。由导体的某些部分感测到的大气压信号被用于使用电荷泵生成偏置电压，以抵消大气压并减少由大气压的波动导致的噪声。偏置电压导致相邻导体之间的静电力，该静电力抵消由大气压的波动导致的力。
本公开还提供了一种与MEMS换能器一起使用的波纹管振膜。波纹管振膜包括通过能够伸长而不会变硬的顺应性结构连接的多个板。波纹管振膜被固定在电介质梳上方。波纹管振膜响应于大气压并且响应于声活动而伸展和收缩。波纹管振膜被配置成使得由声活动施加的力导致波纹管振膜伸展到足够远以向电介质梳上施加力。
本公开还提供了一种包括第一层和第二层的分层振膜。第一层由诸如金属之类的相对刚性的材料制成，并且相对较薄。第二层由相对弹性的材料制成，并且比第一层更厚。分层振膜被固定在电介质梳上方，并响应于大气压和响应于声活动而伸展和收缩。第一层足够刚性以在围绕电介质梳的至少一部分的腔中保持真空。第二层被构造成接收由分层振膜相对于MEMS换能器的偏转产生的集中应力，并将这些应力作为分布力施加到第一层。第一层和第二层被配置成使得分层振膜可以经历多个伸展和收缩循环而不会变硬。
如图1所示，一种实现方式涉及一种麦克风设备10，该麦克风设备10包括接触设备14、感测设备18和处理电路22。接触设备14被设计成与感测设备18物理接触。接触设备14被设计成在大气压条件下在感测设备18上施加力。大气压根据海拔和天气条件的变化而改变。因此，如本文所用，术语“大气压”是指介于20kPa(例如，在珠穆朗玛峰的顶峰处)至100kPa(例如，在海平面处)之间的压力。接触设备14施加在感测设备18上的力响应于压力变化而改变。接触设备14可以是任何类型的设备，其被构造成使得接触设备14的至少一部分响应于压力变化而移动并且改变施加在感测设备18上的力。在一些实现方式中，接触设备14被构造成响应于压力的变化而偏转，使得接触设备14的一部分接触感测设备18，而接触设备14的另一部分保持固定。压力的变化可以是环境大气压的变化和/或由声压(例如，声音)导致的压力的变化。感测设备18被构造成当被接触设备14接触时(例如，响应于由接触设备14施加的力)移动。
感测设备18包括大气感测部分26和声感测部分30。大气感测部分26被构造成生成表示感测设备18响应于大气压变化而发生的偏转的电子信号。声感测部分30被构造成生成表示响应于由于(例如，由于声刺激和/或诸如声音的声活动引起的)声压变化引起的压力变化而发生的偏转的电子信号。在一些实现方式中，感测设备18被定位在真空中，使得感测设备18与不是由接触设备14导致的移动隔离。
处理电路22包括大气处理部分34和声处理部分38。处理电路22被构造成接收由感测设备18生成的信号。在一些实现方式中，感测设备18的大气感测部分26可以被构造成向大气处理部分34发送信号，并且感测设备18的声感测部分30可以被构造成向声处理部分38发送信号。在这样的实现方式中，大气感测部分26可以被联接到大气处理部分34，并且声感测部分30可以被联接到声处理部分38。更具体地，可以使用引线和迹线将大气感测部分26硬接线到大气处理部分34，以在大气感测部分26与大气处理部分34之间形成电连接。类似地，可以使用引线和迹线将声感测部分30硬接线到声处理部分38，以在声感测部分30与声处理部分38之间形成电连接。处理电路22对信号进行处理以生成指示声活动的数据和/或信号(即，声信号和/或数据)以及指示大气压的数据和/或信号(即，大气压信号和/或数据)。在一些实现方式中，大气处理部分34可以基于从感测设备18接收到的信号来改变感测设备18的偏置(bias)。在声处理部分38已经生成了声信号和/或数据之后，声信号和/或数据可以被存储在存储器(例如，处理电路的存储器和/或与声处理部分38有线或无线通信的存储设备)中。声信号和/或数据也可以经由无线或有线连接发送到诸如扬声器之类的接收设备。在一些实现方式中，可以校正声信号和/或数据以补偿感测设备的非线性、在制造期间发生的变化和/或温度。在这样的实现方式中，用于补偿的补偿系数可以存储在存储器中。
图2描绘了例示出根据本公开的实现方式的麦克风设备10的工作的流程图。接触设备14响应于检测到压力变化而偏转(58)。接触设备14的偏转导致感测设备18的物理移动(62)。大气感测部分26和/或声感测部分30基于感测设备18的物理移动而生成一个或更多个电信号(66)。处理电路22从感测设备18接收电信号(70)。在一些实现方式中，大气感测部分26和声感测部分30各自生成指示施加在设备上的力(例如，由于大气压和声压二者引起的)的单独的电信号。例如，大气感测部分26被配置或构造成使用形成大气感测部分26与大气处理部分34之间的电连接的引线和迹线将电信号发送到大气处理部分34。大气处理部分34被构造成去除基于声压生成的电信号的分量。类似地，声感测部分30被配置或构造成使用形成声感测部分30与声处理部分38之间的电连接的引线和迹线将信号发送到声处理部分38。声处理部分38被构造成去除基于大气压生成的电信号的分量。
处理电路22生成表示由感测设备18感测的大气压变化和声压变化的处理后的信号和/或数据(74)。在一些实现方式中，大气处理部分34可以基于从感测设备18接收的信号来改变感测设备18的偏置。在声处理部分38已经生成声信号和/或数据之后，声信号和/或数据可以被存储在存储器(例如，处理电路的存储器和/或与声处理部分38有线或无线通信的存储设备)中。声信号和/或数据也可以经由无线或有线连接发送到诸如扬声器之类的接收设备(78)。
图3示出了根据本公开的实现方式的麦克风设备82的截面图。尽管本公开的图3和后续附图中例示的麦克风设备82表示本公开的特征的例示性实现方式，但是应当理解，在一些实现方式中，可以利用其它结构特征来实现以上参照图1至图2描述的和下面进一步详细描述的特征。
麦克风设备82包括基板或壳体86、波纹管振膜94、电介质梳98、电荷泵系统102和集成电路(IC)106。这些部件一起形成MEMS换能器，该MEMS换能器被配置成感测大气压变化和声活动。电介质梳98包括声感测部分110和反馈或大气压感测部分114。IC 106包括声处理部分或声信号检测环路304以及大气处理部分或大气压补偿环路308(图17)。如下面更详细地讨论的，声感测部分110联接到声信号检测环路304，并且大气压感测部分114联接到大气压补偿环路308。图3例示了形成在麦克风设备的基板86上的IC 106。在其它实现方式中，IC 106可以形成在与基板86分离的一个或更多个基板上。在这样的实现方式中，IC 106可以使用电线、迹线和/或引线的组合连接到麦克风设备82。
在图3中声感测部分110和大气压感测部分114被示意性示出为框。如由声感测部分110和大气压感测部分114的相对尺寸所指示的，在所例示的实现方式中，声感测部分110形成电介质梳98的大致90％，而大气压感测部分114形成电介质梳98的大致10％。在其它实现方式中，声感测部分110和大气压感测部分114可以形成电介质梳98的不同比例。例如，在一些实现方式中，声感测部分110形成电介质梳98的大致80％，而大气压感测部分114形成电介质梳98的大致20％。因此，在一些实施方式中，声感测部分110具有比大气压感测部分114更高的分辨率(例如，梳的更大比例)，这允许声感测部分110接收更强的电信号，该更强的电信号允许声感测部分110对较小的压力变化敏感。然而，在其它实现方式中可以利用声感测部分与大气感测部分的任何比率。在一些实现方式中，如图3所例示，声感测部分110和大气压感测部分114可以被隔离到电介质梳98的不同部分中，而在其它实现方式中，如图4所示并且在下面更详细描述的，声感测部分110和大气压感测部分114的部件可以分布在整个电介质梳98中(即，彼此混合)。
基板86包括前表面(第一表面)118和相反的后表面(第二表面)122。电介质梳98、电荷泵系统102和IC 106被定位在基板86的前表面118上。在基板86的前表面118中形成第一腔126。电介质梳98被定位在第一腔126的上部部分中并且延伸穿过第一腔126以封闭(enclose)第一腔126。
波纹管振膜94被构造成将压力变化转换成可以由电介质梳98感测到的物理运动。例如，在图3所例示的实现方式中，波纹管振膜94通过大气压保持与电介质梳98物理接触，并且在电介质梳98上施加力。压力变化(例如，大气压变化和/或声压变化)导致波纹管振膜94偏转(例如，向上或向下)并增加或减小施加在电介质梳98上的力。波纹管振膜94包括外波纹管板90。外波纹管板90包括前表面(第一表面)130和相反的后表面(第二表面)134。外波纹管板90包括在外波纹管板90的前表面130与后表面134之间延伸的通孔138。在垂直于外波纹管板90的前表面130的方向上观察，外波纹管板90具有大致环形的形状。如图3所示，多个波纹管板被固定到波纹管结构90，使得多个波纹管板中的一个波纹管板的上部部分围绕通孔138，如下面更详细地描述的。当波纹管振膜94处于大气压下时，波纹管振膜94的下部部分与电介质梳98接触。当波纹管振膜94不受大气压的影响时(例如，如果将麦克风设备82放置在真空室中以去除大气压的影响)，如图3所示，波纹管振膜94的下部部分与电介质梳98间隔开。在所示的实现方式中，当波纹管振膜94不受大气压的影响时，波纹管振膜94的下部部分与电介质梳98间隔开大约10μm至20μm。
外波纹管板90的后表面134被使用粘结材料142固定到基板86的前表面118的一部分。外波纹管板90、基板86的前表面118以及电介质梳98的上表面在其之间限定了第二腔146。在一些实现方式中，外波纹管板90的后表面134在真空中被固定至基板86的前表面118，使得第一腔126和第二腔146为真空。如本文所用，术语“真空”被定义成小于或等于10Pa的压强。在这样的实现方式中，粘结材料142将基板86的前表面118熔合至外波纹管板90的后表面134。粘结材料142形成在表面的前表面118上延伸的固体层。在所例示的实现方式中，在电介质梳98和电荷泵系统102附近去除粘结材料142。如图3所示，第二腔146被形成在外波纹管板90的后表面134、粘结材料142和电介质梳98之间。波纹管振膜94可以在第二腔146内伸展和收缩。在第一腔126和第二腔146是真空的实现方式中，在波纹管振膜94在第二腔146内伸展和收缩时，空气的缺乏(由于真空的存在)通过减小波纹管振膜94的摩擦来减少噪声。类似地，在电介质梳98响应于波纹管振膜94的伸展和收缩而在第一腔126和第二腔146中向上和向下偏转时，第一腔126和第二腔146中的真空条件减小了电介质梳98的摩擦。
图4例示了根据本公开的实现方式的电介质梳98的示意表示。图5是多个导体154A、154B、154C、154D与IC 106之间的连接的示意例示。电介质梳98被定位在基板86的第一腔126内。电介质梳98包括多个电介质棒150、多个导体154A至154D、第一隔离部158和第二隔离部162。电介质棒150被固定地固定到形成第一腔126的侧壁。导体154A至154D被固定在第一隔离部158与第二隔离部162之间。第一隔离部158和第二隔离部162被固定到基板86并且相对于第一腔126可移动。因此，在波纹管振膜94的偏转导致电介质梳98的移动时，导体154A至154D被相对于电介质棒150移位，如下面更详细地讨论的。
如上所述，电介质梳98包括大气压感测部分114和声感测部分110。在图4的实现方式中，大气压感测部分114和声感测部分110的部件被分布在整个电介质梳98中。导体154A和导体154B形成声感测部分110，并且联接到声压补偿环路304。导体154C和导体154D形成大气压感测部分114，并且联接到大气压补偿环路308。图4的实现方式示出了相等数量的用于感测声力的导体154A和导体154B以及用于感测大气力的导体154C和导体154D。在其它实现方式中，可以使用不同比例的用于感测声力的导体和用于感测大气力的导体。例如，在一些实现方式中，90％的导体用于感测声力，并且10％的导体用于感测大气力。例如，在一些实现方式中，声感测部分110形成电介质梳98的大致80％，而大气压感测部分114形成电介质梳98的大致20％。
例如，在图4的实现方式中，导体154A和导体154B形成声感测部分110，并且联接到声信号检测环路304。更具体地，如图5中示意性地所示的，各个导体154A的端部通过焊盘156A使用引线和迹线的组合并联连接到声信号检测环路304，以在各个导体154A与声信号检测环路304之间形成导电路径。类似地，各个导体154B的端部通过焊盘156B使用引线和迹线的组合并联连接到声信号检测环路304，以在各个导体154B与声信号检测环路304之间形成导电路径。各个导体154C的端部通过焊盘156C使用引线和迹线的组合并联连接到大气压补偿环路308，以在各个导体154C与大气压补偿环路308之间形成导电路径。类似地，各个导体154D的端部通过焊盘156D使用引线和迹线的组合并联连接到大气压补偿环路308，以在各个导体154D与大气压补偿环路308之间形成导电路径。
电介质梳98被构造成使得各个导体154A至154D都被定位成与至少一个电介质棒150相邻。电介质棒150相对于导体154A至154D间隔开，以限制导体154A至154D随着电介质梳98的移动在竖直方向上的移动。如图4所示，相邻的导体154A至154D和电介质棒150的至少一部分重叠(overlap)。偏置电流被应用到各个导体154A至154D，并且偏置电压被跨相邻导体154A至154D应用。电介质棒150由电绝缘介电材料制成，并且防止相邻导体154A至154D之间的吸引力导致导体154A至154D向彼此倒塌(collapse)。电介质棒150与导体154A至154D之间的重叠量随着波纹管振膜94作用到电介质梳98的力而改变。如下面更详细描述的，改变电介质棒150与导体154A至154D之间的重叠量会导致跨相邻导体154A至154D应用的偏置电压改变，从而产生电信号。
隔离部158、162由弹性(resilient)材料形成，该弹性材料允许隔离部158、162(以及因此电介质梳98)响应于由波纹管振膜94响应于波纹管振膜94经受的压力增加而施加在电介质梳98上的增加的力(例如，波纹管振膜94的向下偏转)而向下偏转。隔离部158、162响应于由波纹管振膜94(例如，波纹管振膜94的向上偏转)施加在隔离部158、162上的力的减小而向上偏转。隔离部158、162被接地以使电介质梳98电隔离。
图6是根据本公开的实现方式的电介质梳98的简化俯视图。此外，尽管在图6中例示了部分梳状结构，但是应当理解，电介质梳98可以包括比图6中所例示的更大的梳状结构(例如，更多的导体和电介质棒)。图6中所示的导体可以形成电介质梳98的大气压感测部分114或声感测部分110。
所示的电介质梳98被定位在形成在基板86中的第一腔126内。第一腔126由第一侧壁166、第二侧壁170和底壁174(图7)限定。在所例示的实现方式中，第一腔126是真空的。第一电介质棒178、第二电介质棒182、第一导体186、第二导体190和第三导体194被定位在第一腔126内。第一电介质棒178和第二电介质棒182被固定地固定在第一腔126内(例如，固定到侧壁166、170)。第一电介质棒178和第二电介质棒182由电绝缘材料制成。第一电介质棒178与第一侧壁166间隔开，使得第一导体186可以被定位在第一电介质棒178与第一侧壁166之间。第一电介质棒178与第二电介质棒182间隔开，使得第二导体190可以被定位在第一电介质棒178与第二电介质棒182之间。第二电介质棒182与第二侧壁170间隔开，使得第三导体194可以被定位在第二电介质棒182与第二侧壁170之间。偏置电流被应用到导体186、190、194。在其它实现方式中，电介质梳98可以具有比图6至图7所示的导体更多或更少的导体，只要电介质棒被定位在相邻导体之间并且跨相邻导体应用偏置电压即可。如以下更详细描述的，导体186、190、194是相对于电介质棒178、182和侧壁166、170可移动的。将电介质棒178、182定位在相邻的导体186、190、194之间会将导体186、190、194限制在大致竖直方向上移动。在一些实现方式中，电介质棒178、182和相邻的导体186、190、194的形状是梯形，其侧壁相对于竖直方向达到3°。电介质棒178、182在相邻导体186、190、194之间的定位允许在电介质棒178、182与相邻导体186、190、194之间产生大的竖直静电力，而没有静电不稳定和相邻导体186、190、194之间倒塌的风险。
图7是根据本公开的实现方式的电介质梳98的截面图。电介质梳98还包括第一隔离部198和第二隔离部202。第一隔离部198和第二隔离部202由弹性材料制成并且响应于由波纹管振膜94施加在电介质梳98上的力而偏转。隔离部198、202可以由氮化硅、未掺杂多晶硅、氮氧化硅、碳(如金刚石)、氧化铝、氧化铪和二氧化锆制成。第一隔离部198跨第一腔126的开口延伸。第一隔离部198包括第一绝缘层206和第一导电层210。第一绝缘层206的内(例如，靠近导体186、190、194的)表面214包括延伸到第一腔126中并固定到各个导体186、190、194的第一端的突起218。第一导电层210跨第一绝缘层206的外表面222延伸。在一些实现方式中，第一导电层210可以被接地。在其它实现方式中，第一导电层210可以连接到一电势。第二隔离部202被定位在第一腔126内。第二隔离部202包括第二绝缘层226和第二导电层230。第二绝缘层226的内表面234在各个导体186、190、194的第二端之间延伸。在图7所例示的实现方式中，第二绝缘层226的内表面234是大致平坦的。在其它实现方式中，第二绝缘层226的内表面234可以包括与突起218相似的突起。第二导电层230跨第二绝缘层226的外表面延伸。在一些实现方式中，第二导电层230可以被接地。在其它实现方式中，第二导电层230可以连接到一电势。突起218、222可以用于在电介质梳98内形成导体186、190、194的期望的间隔/定向。
图8是图7所示的电介质梳的截面图的局部视图。如图8所示，导体186、190、194可以具有范围可以在4微米(μm)至6μm之间的导体长度Lc。导体186、190、194可以具有范围可以在0.8μm至1.2μm之间的导体宽度WC。在一些实现方式中，导体186、190、194由已经被掺杂的多晶硅制成。在一些实现方式中，掺杂剂可以是硼、磷和砷。在一些实施方式中，掺杂浓度可以在大约1018原子/cm3的掺杂剂至大约1020原子/cm3的掺杂剂之间的范围内。在其它实现方式中，可以使用其它掺杂剂和/或其它掺杂浓度。电介质棒178、182可以具有范围可以在150μm至500μm之间的电介质棒长度LB。电介质棒178、182可以具有范围可以在1μm至5μm之间的电介质棒宽度WB。相邻导体186、190、194与电介质棒178、182之间的间隔S可以在160nm至500nm之间的范围内。在一些实现方式中，第一电介质棒178和第二电介质棒182由氮化硅或未被掺杂的多晶硅制成。
继续参照图8，第一绝缘层206可以具有范围可以在1.6μm至2.4μm之间的第一绝缘层长度LL1。第二绝缘层226可以具有范围可以在1.6μm至2.4μm之间的第二绝缘层长度LL2。在所例示的实现方式中，第一绝缘层长度LL1通常与第二绝缘层长度LL2相同。在其它实现方式中，第一绝缘长度LL1可以不同于第二绝缘长度LL2。在一些实现方式中，隔离部198、202由氮化硅、多晶硅或其它聚合物制成。在所例示的实现方式中，第一绝缘层206的内表面214可以被定位成距第二绝缘层226的内表面234距离D。距离D的范围可以在8μm至12μm之间。在所例示的实现方式中，距离D通常是导体长度LC的两倍。应当注意，本文提供的示例值仅用于例示的目的，并且在不脱离本公开的范围的情况下，可以将任何值用于各种尺寸。
图9A至图9C例示了根据本公开的实现方式的电介质梳98的第一隔离部198和第二隔离部202响应于外部作用力(例如，由于大气压和/或声压变化而由波纹管结构90和波纹管振膜94施加的作用力)的偏转。图9A例示了当电介质梳98没有受到外部作用力(例如，电介质梳98在真空中处于静止位置)时的电介质梳98。当电介质梳98没有受到外部作用力时，导体186、190、194和电介质棒178、182的中点通常与轴线A对准，使得导体186、190、194与相邻的电介质棒178、182之间存在较大的重叠区域。
图9B例示了电介质梳98响应于由大气压作用的力的偏转。由于电介质棒178、182固定至第一腔126，所以电介质棒178、182不会由于大气压施加的力而偏转。因此，电介质棒178、182的中点保持与轴线A对准。由大气压作用的力导致第一隔离部198和第二隔离部202向下偏转。隔离部198、202的向下偏转导致导体186、190、194向下偏转，使得导体186、190、194的中点不再沿着轴线A对准，从而减小了导体186、190、194与相邻的电介质棒178、182之间的重叠区域。
如图9C所示，当导体186、190、194相对于电介质棒178、182被移位时，导体186、190、194延伸超过(past)电介质棒178、182，从而使相邻的导体186、190、194暴露于彼此。在相邻的导体186、190、194之间产生电容。大气压感测电容器360感测跨相邻导体186、190、194的电容，并将指示该电容的信号发送到大气压补偿环路308。作为响应，并且如下面更详细地讨论的，大气压补偿环路308命令电荷泵系统102系统增加或减少发送到导体186、190、194的偏置电荷。偏置电荷会产生静电力FE，从而在电介质棒178、182的方向上将导体186、190、194拉回。因此，静电力FE与由大气压作用的力的一部分相反，并且使电介质梳98的可移动部分朝着静止位置偏置返回，从而抵消了由大气压的波动导致的偏转。
图10是根据本公开的另一实现方式的电介质梳98’的截面图。电介质梳98’大致类似于图6至图9中描述的电介质梳98。图10的实现方式中类似的部件将使用撇号“’”指示。在图10所示的实现方式中，第一绝缘层206’包括在内表面214’与第一导体186’之间延伸的第一突起254以及在内表面214’与第三导体194’之间延伸的第二突起258。第二绝缘层226’由在各个导体186’、190’、194’的第二端之间延伸的突起262限定。在所例示的实现方式中，第二绝缘层226’不跨第二导电层230的在导体186’、190’、194’之间的部分延伸。与图6至图9的实现方式相比，图10的实现方式的绝缘材料更少。绝缘材料量的减少可以减小电介质梳98’的寄生电容。寄生电容可能导致由电介质梳98、98’发送的信号中的噪声。
图11和图12是根据本公开的实现方式的图3的麦克风设备82的波纹管振膜94的截面细节图。波纹管振膜94被构造成响应于外部作用力而偏转(例如向上或向下)，从而在电介质梳98上施加增大的力或在电介质梳98上施加减小的力。图11例示了波纹管振膜94，其中，波纹管振膜94没有受到外部作用力(例如，波纹管振膜94处于真空中，没有任何外部作用压力入射到波纹管振膜94上)。图12例示了处于伸展位置的波纹管振膜94。当波纹管振膜94由于外部作用力(诸如由于大气压和/或声压引起的力)而移位时，波纹管振膜94处于伸展位置。波纹管振膜94的位置可以基于大气压变化和/或由于声活动引起的压力变化而改变。波纹管振膜94被固定到基板86的前表面118，以在麦克风设备82的环境的大气压与第一腔126和第二腔146的真空之间形成屏障(图3)。
波纹管振膜94包括第一波纹管板266、第二波纹管板270、第三波纹管板274和第四波纹管板278。当从大致垂直于波纹管振膜94的方向观察时，波纹板266、270、274具有大致环形的结构。当从大致垂直于波纹管结构的方向观察时，第四波纹管板278具有大致圆形的结构。第一波纹管板266的外周在通孔138附近连接至外波纹管板90。第一波纹管板266的直径小于外波纹管板90的直径，并且包括在第一波纹管板266的中心附近的通孔282。第二波纹管板270的尺寸类似于第一波纹管板266，并且包括在第二波纹管板270的中心附近的通孔286。第三波纹管板274的尺寸类似于第一波纹管板266，并且包括在第三波纹管板274的中心附近的通孔290。第四波纹管板278的尺寸类似于第一波纹管板266，但是第四波纹管板278不包括通孔。波纹管板266、270、274、278沿着通孔138的中心轴线B对准。如图11所示，当波纹管振膜94没有受到作用力时，波纹管结构90和波纹管板266、270、274、278相互平行。在所例示的实现方式中，当波纹管振膜94没有受到作用力时，波纹管板278与电介质梳98间隔开大约10μm至20μm。波纹管结构90和波纹管板266、270、274、278使用顺应性结构294连接。顺应性结构294有助于在外波纹管板90与波纹管板266、270、274、278中的相邻波纹管板之间的相对偏转。在一些实现方式中，顺应性结构294与外波纹管板90和波纹管板266、270、274、278分开。在其它实现方式中，顺应性结构294与外波纹管板90和波纹管板266、270、274、278一体形成。外波纹管板90与波纹管板266、270、274、278中的相邻波纹管板之间的顺应性结构294交替地定位在外波纹管板90和波纹管板266、270、274、278的外周附近并定位在通孔138、282、286、290附近。例如，如图11和图12所示，将外波纹管板90连接到第一波纹管板266的顺应性结构294和将第二波纹管板270连接到第三波纹管板274的顺应性结构294被分别定位在通孔138、282和286、290附近。将第一波纹管板266连接到第二波纹管板270以及将第三波纹管板274连接到第四波纹管板278的顺应性结构294被定位在第一波纹管板266、第二波纹管板270、第三波纹管板274和第四波纹管板278的外周附近。顺应性结构294是大致环形的，并且使用气密性密封件将外部波纹管板90和波纹管板266、270、274、278中的相邻的波纹管板连接以维持第二腔146和第一腔126内部的真空。
顺应性结构294由以下材料制成：当波纹管振膜94响应于由大的作用压力(诸如大气压)导致的大的作用力和/或大的作用力而经受偏转和收缩的循环(例如，经受循环载荷)时，该材料不会变硬。顺应性结构294可以具有大于第四波纹管板278与电介质梳98之间的距离的顺应性。该顺应性提供了顺应性结构294在载荷(例如，大气压和/或声压)下的柔韧性的量度。顺应性是应变(例如，载荷下的伸长率)和应力(例如，作用力与顺应性结构294的横截面积的比率)的比率，并且提供了材料可以在载荷下在不变硬的情况下伸长多少的量度。当顺应性结构294的顺应性大于第四波纹管板278与电介质梳之间的距离时，顺应性结构294可以经受重复的伸展和收缩循环(例如，循环载荷)而不会变硬。在所例示的实现方式中，顺应性结构294由可以在大致大气压下承受载荷并维持约1nm/Pa至约10nm/Pa的顺应性的材料制成。在所例示的实现方式中，顺应性结构294由多晶硅材料制成。更具体地，顺应性结构294可以由氮化硅或氧化硅制成。在所例示的实现方式中，顺应性结构294、外波纹管板90和波纹管板266、270、274、278由相同的材料制成。在其它实现方式中，顺应性结构294、外波纹管板90和波纹管板266、270、274、278可以由不同的材料制成。在所例示的实现方式中，波纹管振膜94包括四个波纹管板。在波纹管振膜94的其它实现方式中，可以使用更多或更少的波纹管板。
图12示出了波纹管振膜94受到分布的作用力，诸如由大气压和/或声压导致的力。作用压力使波纹管振膜94偏转到伸展位置。由于顺应性结构294被交替地定位在通孔138、282、286、290附近，或者外波纹管板90和波纹管板266、270、274的外周附近，外波纹管板90和波纹管板266、270、274在被作用力偏转时会倾斜和/或弹性变形。如图12所示，外波纹管板90和第二波纹管板270在第一方向上倾斜，并且第一波纹管板266和第三波纹管板274在与第一方向大致相反的第二方向上倾斜。术语“倾斜”和“被倾斜”用于表示两个部件之间的非零角度或非平行角度。术语“弹性变形”用于表示由于作用力引起的部件形状的变化。因此，当波纹管振膜94处于伸展位置时，偏转的波纹管振膜94具有大致锯齿形(zig-zag)的横截面构造。如图12所示，第四波纹管板278不会由于作用力导致的偏转而倾斜或弹性变形。
进一步参照图3，第四波纹管板278的横截面面积小于电介质梳98的横截面面积。由于电介质梳98的横截面面积大于第四波纹管板278的横截面面积，所以减小了由于大气压引起的电介质梳98上的分布力。如下文更详细地描述，电介质梳98上的大气压力的这种减小会减小作用到大气压感测部分114的导体186、194以抵消大气压力的波动的电压。
图13例示了根据另选实现方式的包括振膜298的麦克风设备82的截面图。振膜298是包括第一层300和第二层302的分层振膜。第一层300包括环形凸缘310、侧壁314和接触壁318。使用粘结材料142将振膜298固定到基板86的前表面118的一部分。振膜298、基板86的前表面118以及电介质梳98的上表面在其之间限定了第二腔146。在环形凸缘310在真空条件下固定至基板86的实现方式中，粘结材料142将基板86的前表面118熔合至振膜298的环形凸缘310。粘结材料142的一部分在第二层302的一部分上延伸。如图3所示，第二腔146被形成在波纹管结构298的接触壁318、粘结材料142和电介质梳98之间。
振膜298通过大气压保持与电介质梳98物理接触，并且在电介质梳98上施加力。如图13所示，当振膜298不受大气压的影响时，振膜298的下部部分与电介质梳98间隔开。压力变化(例如，大气压变化和/或声压变化)导致振膜298偏转(例如，向上或向下)并增加或减小施加在电介质梳98上的力。当振膜298处于大气压下时，接触壁318的至少一部分与电介质梳98接触。在一些实现方式中，响应于变化的大气压力和/或声压，振膜298可以在振膜298的中心322(参见图14至图15的中心322)附近偏转达到2μm。因此，接触壁318可以与电介质梳98间隔开达到约2μm。在其它实现方式中，振膜298可以偏转其它距离。在这样的实现方式中，接触壁318可以与振膜298间隔开达到偏转距离。第一层300和第二层302可以承受200MPa的最大应力。在一些实现方式中，第一层300和第二层302中的每一者的顺应性小于5nm/Pa。在所例示的实现方式中，第一层300和第二层302中的每一者的顺应性为大约2.7nm/Pa。
第一层300由相对刚性的材料形成。第一层300具有足够大的厚度，以通过防止大气扩散穿过第一层300并扩散到第二腔146中来保持第二腔146中的真空。在所例示的实现方式中，第一层300可以是诸如铝、金或钛之类的金属。在一些实现方式中，第一层300可以具有100GPa的弹性模量。在其它实现方式中，第一层300可以具有范围在20GPa至200GPa之间的弹性模量。如图13所例示，接触壁318具有厚度Tc。在所例示的实现方式中，厚度Tc约为0.2μm。在其它实现方式中，厚度Tc可以在大约100nm至大约1μm之间的范围内。
第二层302由相对弹性的材料形成。在所例示的实现方式中，第二层302可以是诸如聚酰亚胺或聚对二甲苯(parlyene)之类的聚合物。在一些实现方式中，第二层302具有2.5GPa的弹性模量。在其它实现方式中，第二层302可以具有大于2.5GPa的弹性模量。在其它实现方式中，第二层302可以具有小于2.5GPa的弹性模量。更尤其是，在一些实现方式中，第二层以可具有范围在1Gpa至10GPa之间的弹性模量。如图13所示，第二层302具有厚度TSL。在所示的实现方式中，厚度TSL约为2μm。
图14例示了相对于图13处于倒置定向的振膜298的截面图。在垂直于波纹管结构298的前表面的方向上观察，振膜298具有大致圆形的形状。如图13所示，通过将环形凸缘310和第二层302的周边嵌入在粘结材料142中来将振膜298围绕振膜298的周边固定至基板86。振膜298的周边在横截面中被例示为第一端326和第二端330。振膜298至少在大致平行于作用压力/由作用压力产生的力的方向上具有大致平坦的构造。这种构造通过减少与作用力/压力相互作用的拐角和/或曲线的量来减少噪声。
振膜298被构造成使得大气压首先施加在相对顺应性的第二层302上，然后通过第二层302施加在相对刚性的第一层300上。因此，如在图15至图16中最佳示出的，在振膜298相对于粘结材料142偏转时，由粘结材料142施加在振膜298上的集中力(例如，施加在第二层302的小于第二层302的总面积的面积上的力)在相对弹性的第二层302中产生集中应力(例如，在第二层302的小于第二层302的总面积的面积中产生的应力)。因此，振膜298被构造成通过将相对弹性的第二层302暴露于集中力同时将相对刚性的第一层300暴露于分布应力(例如，施加在第一层300的近似总面积上的应力)来减小振膜298的刚度，同时包括足够厚的部分(例如第一层300)以维持第二腔146中的真空。
图15例示了由大气压引起的在振膜298的一半中的应力和偏转。图15例示了相对于图13处于倒置定向的振膜298。振膜298的未示出的一半经受相似的应力和偏转。图15使用线框例示了未偏转的振膜298并使用阴影例示了偏转的波纹管结构298’。如图15所示，振膜298在振膜298的中心322附近经受最大的偏转，并且在振膜298的端部326附近经受最小的偏转。由于振膜298相对于粘结材料142偏转而产生的反作用力，波纹管结构298在波纹管结构298的中心322附近经受最小的应力，并且在端部326附近经受集中的高应力。
图16例示了固定到粘结材料142的振膜298的一部分的详细视图，其例示了由于振膜相对于粘结材料142的偏转产生的应力而引起的第一层300和第二层302在振膜298的端部326附近的应力和偏转。图16例示了相对于图13处于倒置定向的振膜298。第一层300在端部326附近经受相对较低的应力(例如，在大约0至0.5GPa之间)，并且沿着接触壁318的与第一端部326间隔开的部分经受相对较高的分布应力。相反，第二层302在固定到端部326的粘结材料附近经受相对较高的应力(例如，在大约0.7GPa至1.5GPa之间)。施加在第二层302上的相对较高的应力是在粘结材料142附近的集中应力。因此，振膜298被构造成通过将相对弹性的第二层302暴露于集中应力同时将相对刚性的第一层300暴露于分布应力而减小刚度，以使得在振膜298在循环载荷和/或由大的作用压力(诸如大气压)导致的大的作用力下偏转和收缩时振膜298不会变硬。
图17例示了根据本公开的实现方式的麦克风设备82的处理电路或集成电路(IC)106。IC 106包括声处理部分或声信号检测环路304以及大气处理部分或大气压补偿环路308。声信号检测环路304包括声感测电容器312、放大器316、IDAC320、sigma delta转换器(SDM)324、环路滤波器328和反向(back-to-back)二极管332系统。声感测电容器312被定位在电介质梳98中并且与声感测部分110接合并且用于感测声感测部分110的电容。在所例示的实现方式中，声感测电容器312具有大约10皮法拉(pF)的电容。
放大器316被构造成接收指示跨声感测电容器312测量的电容的信号。指示跨声感测电容器312测量的电容的信号与压力变化(即，由于大气压和声压两者引起的变化)成比例。放大器316被构造成放大信号，使得该信号相对于可能由SDM 324引入的噪声是较大的，以减小由SDM 324引入的任何噪声对信号的影响。放大后的信号传播到SDM 324，SDM 324将跨声感测电容器312感测到的模拟信号转换成数字信号。然后，数字信号的一部分离开声信号检测环路304。
环路滤波器328和IDAC 320被构造成基于离开SDM 324的声信号来处理输入的声信号。离开SDM 324的信号的一部分进入环路滤波器328。在一些实现方式中，环路滤波器328可以是高通滤波器或放大器，其被构造成在信号到达放大器316之前去除信号的低频部分，这可以去除信号的指示大气压变化的部分和/或可以防止放大器因低频声音(诸如风噪声)而过载。IDAC 320可以被构造成确定信号的幅度并基于信号的幅度输出电流。IDAC 320输出的电流的大小可以被调整成在信号进入放大器316之前抵消和/或减小高幅度信号的大小。这防止了放大器316过载，并且防止了声信号检测环路304输出可能损害人听力的高幅度信号。
数字信号的离开声信号检测环路304的部分可以存储在存储器(例如，声信号检测环路304的存储器和/或与声信号检测环路304有线或无线通信的存储设备)中。声信号和/或数据也可以经由无线或有线连接发送到诸如扬声器之类的接收设备。在一些实现方式中，需要校正数字信号的离开声信号检测环路304的部分以补偿感测设备的非线性、在制造期间发生的变化和/或温度。在这样的实现方式中，用于补偿的补偿系数可以存储在麦克风设备82的计算设备的存储器中。
继续参照图17，大气压补偿环路308包括大气压感测环路336、控制环路340、电荷泵系统102、反向二极管系统348和去耦电容器352。大气压感测环路336被构造成通过基于大气压变化修改由信号发生器(未示出)生成的载波信号来输出指示大气压变化的信号。控制环路340被构造成接收指示大气压变化的信号，并且基于由大气压感测环路336感测的大气压变化来生成电荷泵控制信号。电荷泵系统102被构造成向导体154A至154D或导体186、190、194提供偏置电荷以补偿大气压变化。反向二极管系统348和去耦电容器352形成具有非常低的滚降频率(roll-off frequency)的低通滤波器，以去除由电荷泵系统102生成的噪声。
图18例示了大气压感测环路336。大气压感测环路336包括参考电容器356、大气压感测电容器360、寄生电容器364、滤波器368和载波信号发生器(未示出)。载波信号发生器被构造成生成包括频率和幅度的交变信号(例如，波形信号)。载波信号具有相对于由大气压感测电容器360感测的大气压变化的高频。在所例示的实现方式中，载波信号发生器被构造成生成方形载波信号。在其它实现方式中，载波信号可以具有其它形状，诸如正弦形状。参考电容器356包括与载波信号发生器的正端子接合的第一引线以及连接至电荷泵系统102的输出端的第二引线。参考电容器356的电容C1指示由电荷泵系统102发送以对导体154A至154D或导体186、190、194进行偏置的电荷。在所例示的实现方式中，C1的电容约为10pF。大气压感测电容器360包括与载波信号发生器的负端子接合的第一引线以及连接至大气压感测部分114的导体154A至154D或导体186、190、194的焊盘156A至156D的第二引线。大气压感测电容器360的电容C2指示施加在电介质梳98上的大气压，并且可以用作绝对大气压的量度。在所例示的实现方式中，电容C2约为10pF。参考电容器356和大气压感测电容器360在节点372处并联连接。如以下等式所示，基于由大气压感测电容器360和参考电容器356感测的电容之间的差乘以输入电压来修改离开节点372的载波信号的幅度：
q＝(C2―C1)*Vin (1)其中，q是修改后的载波信号，C2是跨大气压感测电容器360的电容，C1是跨参考电容器356的电容并且Vin是载波信号。然后，修改后的载波信号被滤波器368滤波。在所例示的结构中，滤波器368是有源低通滤波器。滤波器368可以被构造成滤除信号的指示声压变化的相对高频部分。滤波器368可以根据以下等式生成输出信号：
Figure GDA0003464746840000231
其中，Vout是输出信号，C2是跨大气压感测电容器360的电容，C1是跨参考电容器356的电容，Cf是有源低通滤波器368的电容器的电容并且Vin是载波信号。在所例示的实现方式中，电容器的电容Cf约为1pF。在所例示的实现方式中，有源低通滤波器的电阻器R的电阻大于或等于大约8MΩ。在其它实现方式中，电阻器R的电阻可以在大约10MΩ至大约20MΩ之间。因此，输出信号的一部分包括指示跨参考电容器356与跨大气压感测电容器360的电容之间的差的信息，并且输出信号的一部分包括载波信号。在所例示的结构中，输出电压的幅度与参考电容器356和大气压感测电容器360的电容之间的差成比例。因此，当电荷泵系统102产生太多电流而无法补偿大气压时，控制信号可以是正信号。当电荷泵产生的电流太小而无法补偿大气压时，电荷输出电压可能为负电压。当电荷泵输出补偿由大气压施加的力的电压时(例如，参考电容器356和大气压感测电容器360的电容大致相等且相反)，输出电压为零。输出载波信号被发送到控制环路340，以基于输出信号的幅度来生成电荷泵控制信号。寄生电容器364被定位在节点372与有源低通滤波器368之间，并吸收可能在大气压感测环路336中发生的与参考电容器356和/或大气压感测电容器360的电容无关的电容，这减少了大气压感测环路336中的噪声。在其它实施方式中，参考电容器356可以与载波信号发生器的负端子接合，并且大气压感测电容器360可以与载波信号发生器的正端子接合。在这样的实现方式中，发送到电荷泵系统102的控制信号与上述控制信号相反。
如图19所示，在所例示的实现方式中，控制环路340是包括二极管376、电阻器380和电容器384的解调器电路。控制环路340被构造成基于由大气压感测环路336生成的输出信号来生成电荷泵控制信号。更具体地，在所例示的实现方式中，控制环路340被构造成从输出信号去除载波信号(例如，高频部分)。输出信号从大气压感测环路336传播到二极管376。二极管376允许输出信号的正部分或负部分中的一者通过。然后，输出信号传递到电容器384，该电容器384滤除相对高频的载波信号以生成电荷泵控制信号。电荷泵控制信号命令电荷泵系统102增加或减少被发送以对导体154A至154D或导体186、190、194进行偏置的电荷。尽管所例示实现方式的控制环路340是模拟电路，但是在其它实现方式中，控制环路340可以是数字电路或包括数字部件和模拟部件二者。
在一些实现方式中，电介质梳可以具有由跨大气压感测电容器360和/或声感测电容器312测量的目标电容限定的工作位置(例如，导体154A至154D或导体186、190、194相对于电介质棒178、172的位置)。在这样的实现方式中，控制环路340可以被构造成生成电荷泵控制信号，以生成跨大气压感测电容器360和/或声感测电容器312的目标电容。因此，在这样的实现方式中，电荷泵控制信号的大小可以被调整成使得当在大约20kPa(例如在珠穆朗玛峰的顶部处)至大约100kPa(例如在海平面处)之间的范围内的大气压下使用麦克风设备82时，跨大气感测电容器360和/或声感测电容器312的电容大约为目标电容。在一些实现方式中，环路滤波器388被定位在控制环路340与电荷泵系统102之间。环路滤波器388被构造成设置环路的时间常数并确保环路的稳定性。环路滤波器的输出是用于设置电荷泵的参考电压的控制信号。
图19例示了根据一些实现方式的用于麦克风设备82的模拟控制系统392的示例性示意表示。模拟控制系统392包括电介质梳98、大气压感测环路336、环路滤波器388和电荷泵系统102。在所例示的实现方式中，电荷泵系统102是两级电荷泵系统，并且包括电压源396(诸如电池)、第一级398和第二级402。基于由控制环路340和/或环路滤波器388生成的控制信号来控制电压源396。第一级398基于由控制环路340发送的控制信号来传递电荷。第二级402与第一级398串联布置，并且被构造成放大由第一级398发送的电荷。在所例示的实现方式中，电压源生成大约1V的电压。第一级398是6级电荷泵，并生成大约6V。第二级402是40级电荷泵，并生成大约200V。在其它实现方式中，电压源396、第一级398和第二级402可以生成不同的电压。在其它实现方式中，第一级398和/或第二级402可以包括更多或更少的级。
响应于由大气压感测电容器360感测到的电容，大气压补偿环路308可以改变发送到导体186、190、194的偏置电压直到由大气压感测电容器360感测到的电容达到预定值为止或者直到大气压感测电容器360感测的电容与参考电容器356感测的电容之间的差达到预定值为止。在一些实现方式中，预定值近似为零。在所例示的实现方式中，应用到导体186、194的偏置电压可以在100V至200V之间的范围内。在一些实现方式中，本文公开的设计可以提供对高达大约每秒100帕斯卡(Pa/sec)的环境压力变化的感测。大约100Pa/sec的环境压力变化发生在非常快的电梯上，诸如上海中心大厦(Shanghai tower)的电梯，并且比商用飞机上的压力变化更快。电荷泵系统102被设计成将应用到导体186、194的电压改变大约每秒100mV。
由于麦克风设备82是在大气压下使用的，所以仅必须调整静电力FE来补偿大气压变化，以减少由声感测部分110感测到的声压中的噪声。大气压范围变化比声压范围变化更慢。例如，大气压变化发生在大约10Hz的频率处，而声压范围内的压力变化在大约20Hz至20kHz之间。在一些实现方式中，大气压感测电容器360的大小被调整成使得大气压感测电容器360在声频范围中不响应，但是在大气压变化范围中确实响应。因此，电荷泵系统102应该响应于由电荷泵系统102感测到的大气压变化来改变大气压力感测部分114的导体186、190、194的电荷，但是不应该跟随在由声感测部分110感测的声频范围中的压力变化。
图20例示了根据一些实现方式的用于麦克风设备82的数字控制系统400的示例性示意表示。数字控制系统400类似于模拟控制系统392，但是被构造成将信号的至少一部分转换到数字域。例如，如图19所例示，数字控制系统包括模数(A/D)转换器404，以将由控制环路340生成的声信号和/或电荷泵控制信号转换成数字信号。此外，图19的实现方式设想使用数字环路滤波器408来生成用于电荷泵系统102的控制信号，以及使用基于数字信号来控制电荷泵系统102的数字电荷泵接口412。
图21例示了麦克风设备82的示例性工作过程。在该示例性工作过程中描述的波纹管结构可以是波纹管振膜94(图3、图11至图12)或振膜298(图13至图16)。在制造之后，振膜延伸到第二腔146中，位于电介质梳98附近。当暴露于大气压条件时，由于大气压引起的力导致振膜伸展，使得第四波纹管板278或接触壁318与电介质梳98接触(416)。大气压和/或声压的波动可以导致振膜朝向或远离电介质梳98移动(420)。如图12所示，在振膜在第二腔146内移动时，振膜将分布力施加在电介质梳98上(424)。例如，当振膜向下移动时，振膜在电介质梳98上施加增大的力。当振膜向上移动时，振膜在电介质梳98上施加减小的压力。施加在电介质梳98上的分布力的变化会导致电介质梳98的导体186、190、194相对于电介质棒178、182偏转，从而导致电介质梳98的电容变化(428)。由于大气压的波动而引起的偏转可以导致由电介质梳的大气压感测部分114感测的静电力(432)。更具体地，通过声感测电容器312感测跨声感测部分110的导体154A、154B的电容的变化，该声感测电容器312被硬接线到大气压补偿环路308。在一些实现方式中，静电力以大约10Hz的频率改变。麦克风设备82附近出现的声压在波纹管结构上施加声力，从而导致波纹管结构在第二腔146内移动，从而导致由声感测部分110感测的静电力(436)。更具体地，通过声感测电容器312感测跨声感测部分110的导体154A、154B的电容的变化，该声感测电容器312被硬接线到声信号检测环路304。在一些实现方式中，静电力以范围在大约20Hz至20kHz之间的频率改变。当大气压变化和声压变化同时发生时，指示总压力变化的电容的变化被大气压感测部分114发送到大气压补偿环路308，并被声感测部分110发送到声感测部分110。对发送到IC 106的声信号检测环路304的总信号进行处理以去除总信号的指示大气压变化的部分，并生成音频输出信号(440)。对发送到大气压补偿环路308的总信号进行处理以去除总信号的指示声压变化的部分。然后，大气压补偿环路308响应于大气压变化生成用于修改由电荷泵发送到偏置电容器的偏置电流的控制信号(444)。
图22例示了根据一些实现方式的大气压补偿环路308的反馈响应。大气压感测环路336接收指示大气压变化的信号(448)。大气压感测环路336还接收指示由电荷泵系统102提供以对导体154A至154D或导体186、190、194进行偏置的电荷的信号(452)。然后，大气压感测环路336确定指示大气压变化的信号与指示被提供以对导体154A至154D或导体186、190、194进行偏置的电荷的信号之间的差(456)。大气压感测环路336至少部分地基于所述差来修改载波信号以生成输出信号(460)。然后，控制环路340提取输出信号的包括指示所述差的信息的部分(464)。然后，控制环路340基于所述差生成电荷泵控制信号，以补偿检测到的大气压变化(468)。控制信号指示要应用到导体154A至154D或导体186、190、194以抵消大气压变化对电介质梳98的影响的偏置电流。例如，响应于确定大气压力已经减小，大气压补偿环路308可以确定应当减小发送到导体186、194的偏置电流。响应于确定大气压力已经增大，大气压补偿环路308可以确定应当增大发送到导体186、194的偏置电流。在一些实施方式中，控制信号可以由环路滤波器388进一步处理。然后，控制信号传播到电荷泵系统102，并命令电荷泵系统102改变应用到导体154A至154D或186、190、194的偏置电流(472)。在一些实现方式中，大气压补偿环路308监测指示大气压的信号(例如，由大气压感测电容器360感测的电容)与指示被提供以对导体进行偏置的电荷的信号(例如，由参考电容器356感测的电容)之间的差(476)。当该差较低时，电荷泵提供的偏置充分补偿大气压。因此，控制信号没有被显著地修改(例如，等式(1)和(2)中的C1至C2项较低或为零)。较大的差指示电荷泵提供的偏置电荷太高或太低，无法补偿大气压。响应于该差较高，控制电路增大或减小控制信号，使得响应于大气压变化来修改偏置电荷。当所述差达到和/或低于预定阈值时(这指示应用到导体154A至154D或导体186、190、194的偏置电流充分补偿了大气压)，偏置电荷的修改停止(480)。响应于接收到指示大气压变化的其它信息(例如，由于大气压变化和/或针对第一大气压变化的校正过度/不足)，大气压感测部分114可以重复过程366至476。
举例来说，在一些实现方式中，麦克风设备82可以暴露于在麦克风设备82接收声信号时大气压同时迅速改变的工作条件。在一个极端的示例中，麦克风设备82可以在从地面上升到上海中心大厦的顶部的电梯中使用。例如，一个人可能在乘坐上海中心大厦的电梯时正在对着麦克风设备82讲话。上海中心大厦的电梯可以在大约45秒内从底层到达95层，以每小时近46英里的速度载客。因此，随着电梯的爬升，振膜90、298响应于大气压变化和声压变化而向上和向下偏转，从而响应于大气压变化以达到约10Hz的慢频率将力施加在电介质梳98上，并且同时以大约20Hz至200KHz的更快声频率将力施加在电介质梳98上。因此，大气压感测环路336感测频率的较慢变化，并且在声信号检测环路304处理声信号的同时进行图22的方法。
图23例示了根据本公开的实现方式的电介质梳98的电容与偏转距离的曲线图。对于图23所示的曲线图，壁角度(例如，导体186、190、194相对于竖直方向的角度)为0度。静电力FE线性地取决于导体186、190、194与相邻的电介质棒178、182之间的重叠区域。
图24例示了图23的曲线图的导数。如图24所示，对于电介质梳98的范围在大约1.5μm至大约2.0μm之间的偏转，电容的变化率通常是线性的。因此，可以同时缓慢地改变大气压感测部分114的导体186、194的偏置以补偿由于大气压引起的力，同时利用声感测部分110感测由声压导致的声力。
图25例示了根据本公开的实现方式的电介质梳98的电容与偏转距离的曲线图。对于图25中所示的曲线图，壁角度为1度。
图26例示了图26的曲线图的导数。如图25所示，对于在大约0.25μm至大约1.25μm之间的偏转，电容的变化率通常会增加。对于在大约0.25μm和大约1.25μm之间的偏转，静电力通常与偏转成比例，因此将负机械反馈发送到IC 106的大气压补偿环路308。对于在大约1.25μm至2μm之间的偏转，电容的变化率减小。对于在大约0.25μm至大约1.25μm之间的偏转，静电力通常与偏转的倒数(reciprocal)成比例，因此将正机械反馈发送到IC 106的大气压补偿环路308。
图27至图29示出了可以与包括电介质梳98的麦克风设备82一起使用的波纹管振膜的实施方式。图27至图29中所示的波纹管振膜可以与麦克风设备82是一体的，大致类似于相对于波纹管振膜94所示和所描述的。图27至图29中所例示的波纹管振膜的功能大致类似于相对于波纹管振膜94所示和所描述的功能。
图27至图29是波纹管振膜504的实现方式的详细截面图。波纹管振膜504被构造成响应于外部作用力而偏转(例如向上或向下)，从而在电介质梳(诸如本文中示出和描述的电介质梳98)上施加增大的力。如图3所示和相对于波纹管振膜94所描述的，波纹管振膜504被固定到基板的前表面，以在麦克风设备82的环境的大气压与第一腔126和第二腔146的真空之间形成屏障。
图27例示了处于伸展位置的波纹管膜片504的一半的截面图，其中，波纹管振膜504由于外部作用力(诸如由于大气压和/或声压引起的力)而被移位。由于外部作用力，波纹管振膜504既倾斜又弹性变形。波纹管振膜504的示例性尺寸在图27中示出并且在下面描述。尽管图27处于伸展位置，但是以下描述的尺寸是针对处于未偏转的位置的波纹管振膜504(例如，当波纹管振膜504没有受到外部作用力时)的。波纹管振膜504的未在图27中例示的部分关于轴线512与波纹管振膜504的所例示部分大致对称。
波纹管振膜504包括第一波纹管板516、多个第二波纹管板520和第三波纹管板524。在图27的实现方式中，多个第二波纹管板包括三个第二波纹管板520。第一波纹管板516、第二波纹管板520和第三波纹管板524一起形成五层MEMS换能器。当从大致垂直于波纹管振膜504的方向观察时，第一波纹管板516和第二波纹管板520具有大致环形的结构。当从大致垂直于波纹管振膜504的方向观察时，第三波纹管板524具有大致圆形的结构。第一波纹管板516的半径r1可以是200μm至500μm。在一些实现方式中，半径r1大致为200μm。第一波纹管板516的厚度t1可以是0.1μm至2μm。在所例示的实现方式中，厚度t1大致为0.5μm。第一波纹管板516包括在第一波纹管板516的中心附近的通孔532。第二波纹管板520中的一个第二波纹管板的外周在通孔532附近连接至第一波纹管板516。各个第二波纹管板520具有半径r2和厚度t2，并且包括在第二波纹管板520的中心附近的通孔536。半径r2大致小于第一波纹管板516的半径r1。半径r2可以为50μm至450μm。在所例示的实现方式中，半径r2大致为200μm。尽管对于所有第二波纹管板520而言，图27所例示的半径r2相同，但是在其它实现方式中，半径r2可以不同。通孔536的半径可以是30μm至440μm。在图27所例示的实现方式中，通孔536具有大致150μm的半径。第三波纹管板524具有半径r3和厚度t3。半径r3可以为50μm至450μm。在所例示的实现方式中，半径r3大致为198μm。尽管图27所例示的半径r3不同于半径r2，但是在其它实现方式中，半径r3可以与半径r2相同。各个厚度t1、t2和t3可以为0.1μm至2μm。在所例示的实现方式中，各个厚度t1、t2和t3大致为0.5μm。
波纹管板516至524沿着轴线512对准。波纹管板516至524通过大致环形的顺应性结构540连接。顺应性结构540有助于相邻的波纹管板516至524之间的相对偏转。相邻的波纹管板516至524之间的顺应性结构540交替地定位在波纹管板516至524的外周附近和通孔532、536附近。例如，将第一波纹管板516连接到第二波纹管板520a并且将第二波纹管板520b连接到第二波纹管板520c的顺应性结构540被定位在通孔532、536附近。将第二波纹管板520a连接到第二波纹管板520b的顺应性结构540被定位在第二波纹管板520a和第二波纹管板520b的外周附近。将第二波纹管板520c连接到第三波纹管板524的顺应性结构540被定位在第二波纹管板520a和第三波纹管板524的外周附近。顺应性结构540的定位导致波纹管振膜504具有图27所例示的大致锯齿形的横截面构造。在所例示的实现方式中，顺应性结构540与波纹管板516至524一体地形成。顺应性结构540被构造成维持相邻的波纹管板516至524之间的间隔s或空气间隙。间隔s可以在0.5μm至5μm之间。在所例示的实现方式中，间隔s大致为3μm。
波纹管板516至524和顺应性结构540由以下材料制成：当波纹管振膜504响应于由大的作用压力(诸如大气压)导致的大的作用力和/或受到大的作用力时经受循环载荷时，该材料不会变硬。波纹管振膜504的顺应性可以大于第三波纹管板524与电介质梳之间的距离。在所例示的实现方式中，波纹管振膜504由可以在大致大气压下承受载荷并维持大致1nm/Pa至大致10nm/Pa的顺应性的材料制成。在所例示的实现方式中，波纹管板516至524和顺应性结构540由多晶硅材料或氮化硅材料制成。示例性多晶硅材料包括氮化硅或氧化硅。对于3分贝(dB)的声音，图27所例示的波纹管振膜504的基本共振高于20kHz。
图28例示了根据本公开的另一实现方式的处于伸展位置的波纹管振膜544的一半的截面图。波纹管振膜544包括第一波纹管板548、多个第二波纹管板552、第三波纹管板556和多个顺应性结构560。第一波纹管板548、第三波纹管板556和顺应性结构560与以上参照图27描述的第一波纹管板516、第三波纹管板524和顺应性结构540大致类似，并且在以下未详细描述。
如图28所例示的，多个第二波纹管板552包括五个第二波纹管板552。第一波纹管板548、第二波纹管板552和第三波纹管板556形成七层MEMS换能器。当从大致垂直于波纹管振膜544的方向观察时，第二波纹管板556具有大致环形的结构。各个第二波纹管板556具有半径r2和厚度t2，并且包括在第二波纹管板556的中心附近的通孔564。半径r2可以为50μm至450μm。在所例示的实现方式中，半径r2大致为200μm。在一些实施方式中，各个半径r2相同。在其它实现方式中，半径r2可以不同。波纹管板548至556沿着轴线568对准。波纹管板548至556通过多个大致环形的顺应性结构560连接。相邻的波纹管板548至556之间的顺应性结构560交替地定位在波纹管板548至552的外周附近和波纹管板548至552的通孔附近。顺应性结构560的定位导致波纹管振膜544具有图28所例示的大致锯齿形的横截面构造。在所例示的实现方式中，顺应性结构560与波纹管板548至556一体地形成。顺应性结构560被构造成维持相邻的波纹管板之间的间隔s或空气间隙。间隔s可以在0.5μm至5μm之间。在所例示的实现方式中，间隔s大致为3μm。
对于3分贝(dB)的声音，波纹管振膜544的基本共振高于20kHz。七层波纹管振膜544比图27所例示的五层波纹管振膜504更长。因此，七层波纹管振膜544的灵敏度比五层波纹管振膜504的灵敏度更高，因为与五层波纹管振膜504可以在轴线512的方向上偏转相比，七层波纹管振膜544可以在轴线568方向上偏转更大。七层波纹管振膜544的基本共振低于五层波纹膜片504的共振频率。
图29例示了根据本公开的另一实现方式的处于伸展位置的波纹管振膜572的一半的截面图。波纹管振膜572包括第一波纹管板576、多个第二波纹管板580、第三波纹管板584和多个顺应性结构588。第一波纹管板576、第三波纹管板584和顺应性结构588与以上参照图27描述的第一波纹管板516、第三波纹管板524和顺应性结构540大致类似，并且在以下未详细描述。
如图29所例示的，多个第二波纹管板552包括七个第二波纹管板580。第一波纹管板576、第二波纹管板580和第三波纹管板584形成九层MEMS换能器。当从大致垂直于波纹管振膜572的方向观察时，第二波纹管板580具有大致环形的结构。各个第二波纹管板580具有半径r2和厚度t2，并且包括在第二波纹管板580的中心附近的通孔592。半径r2可以为50μm至450μm。在所例示的实现方式中，半径r2大致为200μm。在一些实施方式中，各个半径r2相同。在其它实现方式中，半径r2可以不同。波纹管板576至584沿着轴线596对准。波纹管板576至584通过多个大致环形的顺应性结构588连接。相邻的波纹管板576至584之间的顺应性结构588交替地定位在波纹管板576至580的外周附近和波纹管板576至580的通孔附近。顺应性结构588的定位导致波纹管振膜572具有图29所例示的大致锯齿形的横截面构造。在所例示的实现方式中，顺应性结构588与波纹管板576至584一体地形成。顺应性结构588被构造成维持相邻的波纹管板之间的间隔s或空气间隙。间隔s可以在0.5μm至5μm之间。在所例示的实现方式中，间隔s大致为3μm。
对于3分贝(dB)的声音，图29所例示的波纹管振膜572的基本共振高于20kHz。图29所示的九层波纹管振膜572比图27所例示的五层波纹管振膜504和图28所例示的七层波纹管振膜544更长。因此，九层波纹管振膜572的灵敏度比五层波纹管振膜504和七层波纹管振膜544的灵敏度更高，因为与五层波纹管振膜504可以在轴线512的方向上偏转和七层波纹管振膜544可以在轴线596的方向上偏转相比，九层波纹管振膜572可以在轴线596方向上偏转更大。图29的波纹管振膜572的基本共振低于五层波纹管振膜504的基本共振和七层波纹管振膜544的基本共振。
图30是例示了制造波纹管振膜504、544、572中的任一个波纹管振膜的制造过程的流程图。图31至图35例示了图30的制造过程的步骤。在一些实现方式中，可以以类似的方式来制造波纹管振膜94。
图31例示了制造过程的第一步骤704。在步骤704期间，通过化学气相沉积(CVD)将牺牲氧化物层的堆叠(stack)沉积在MEMS基板600上。如图31所示，在具有相反的第一表面和第二表面的MEMS基板600的第一表面上沉积热氧化物层604。在所例示的实施方式中，热氧化物层604是二氧化硅。在其它实现方式中，可以使用其它类型的热氧化物。在热氧化物层604的一部分上沉积交替的一个或更多个掺杂氧化物层608和未掺杂氧化物层612。在所例示的实现方式中，沉积三个掺杂氧化物层608和三个未掺杂氧化物层612。在其它实现方式中，可以沉积更多或更少的掺杂氧化物层608和未掺杂氧化物层612。在所例示的实现方式中，掺杂氧化物是磷硅酸盐玻璃(PSG)。PSG可以包括5wt％至20wt％的磷。在所例示的实现方案中，PSG包括大致10wt％的磷。在所例示的实施方式中，未掺杂氧化物是未掺杂硅酸盐玻璃。在其它实现方式中，可以使用不同的未掺杂氧化物。热氧化物层604、掺杂氧化物层608和未掺杂氧化物层612在本文中被称为牺牲氧化物层，因为它们可以通过蚀刻去除，并且大部分是在制造过程完成之前被去除的临时层。
在步骤708处，通过利用氟化氢(HF)处理牺牲氧化物层604、608、612达预定时间段以溶解牺牲氧化物层604、608、612的一部分来完成牺牲蚀刻。图32例示了牺牲蚀刻之后的牺牲氧化物层604、608、612。在牺牲蚀刻期间，HF与掺杂氧化物层608反应最快。如图32所例示，大多数掺杂氧化物层608已经被HF去除，在牺牲氧化物层604、608、612的中心附近保留了掺杂氧化物608的细茎部分。在一些实施方式中，茎的半径与以上相对于图27至图29所描述的波纹管板中的通孔的半径大致相同。牺牲蚀刻使未掺杂氧化物层612的边缘变圆，并且不与热氧化物层604反应。
在步骤712处，如图33所例示，在牺牲氧化物层604、608、612上沉积多晶硅或氮化物的振膜层616。使用低压化学气相沉积(LPCVD)沉积振膜层616，以使得多晶硅或氮化硅材料可以覆盖未掺杂氧化物层612和掺杂氧化物层608的所有外表面。振膜层616在制造过程结束时变成波纹管振膜，并且牺牲氧化物层604、608、612用作振膜层616的支架层，使得在沉积振膜层616时，振膜616被形成为由牺牲氧化物层604、608、612限定的形状。因此，振膜层616的厚度是波纹管振膜的厚度。振膜层616的厚度t可以为0.1μm至2μm。在所例示的实现方式中，厚度t大致为0.5μm。
在步骤716处，如图34所例示，将MEMS基板600的一部分切掉以形成腔620，该腔620延伸至热氧化物层604。可以使用深反应离子蚀刻(DRIE)去除MEMS基板600的该部分。
在步骤720处，进行第二牺牲蚀刻以去除牺牲氧化物层604、608、612。与在步骤608中完成的牺牲蚀刻相比，第二牺牲蚀刻可以使用更高浓度的HF和/或将牺牲氧化物层604、608、612暴露于HF更长的时间段和更高体积含量的HF。如图35所例示，在步骤720完成之后，所有的掺杂氧化物层608和未掺杂氧化物层612都已经被去除。热氧化物层604的大部分也已经被去除。在牺牲蚀刻之后，层616悬浮在腔620上方，并且层616的外周通过热氧化物层604的剩余部分固定至MEMS基板600。如图35所例示，间隔件624被固定到振膜层616的覆盖MEMS基板600的部分。当被部署在诸如图3所例示的麦克风设备82之类的麦克风设备中时，间隔件624的尺寸被调整成当波纹管振膜被部署在麦克风设备82中时为波纹管振膜提供足够的空间以偏转。类似于图3所示，间隔件624的自由端固定到麦克风设备的MEMS基板86上。
本文所描述的主题有时例示了包含在不同的其它部件内或与其相连接的不同部件。要明白的是，这样描绘的架构是例示性的，并且事实上，可以实现获得相同功能的许多其它架构。在概念意义上，用于获得相同功能的部件的任何排布结构都有效地“关联”，使得获得期望功能。因而，本文为获得特定功能而组合的任何两个部件都可以被看作彼此“相关联”，使得获得期望功能，而与架构或中间部件无关。同样地，这样关联的任何两个部件可以被视作彼此“在工作上连接”，或“在工作上联接”，以实现期望功能，并且能够这样关联的任何两个部件也可以被视作可以彼此“在工作上联接”，以实现期望功能。能够在工作上联接的具体示例包括但不限于，物理上可配合和/或物理上交互的部件和/或可无线地交互和/或无线地交互的部件和/或逻辑上交互和/或逻辑上可交互的部件。
针对本文中复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以根据上下文和/或应用在适当时从复数转变成单数和/或从单数转变成复数。为清楚起见，可以在本文中明确地阐述各种单数/复数置换。
本领域技术人员将理解，通常，本文使用的并且特别是在所附权利要求书(例如，所附权利要求的主体)中使用的术语通常旨在作为“开放式”术语(例如，术语“包括(including)”应当解释为“包括但不限于”，术语“具有”应当解释为“至少具有”，术语“包括(includes)”应当解释为“包括但不限于”等)。
本领域技术人员还应当理解，如果意在特定数量的所引入的权利要求陈述，那么在权利要求中将明确地陈述这种意图，且在不存在这种陈述的情况下，也不存在这种意图。例如，为了帮助理解，以下所附权利要求书可以包含对引导性短语“至少一个”和“一个或更多个”的使用以引入权利要求陈述。然而，这些短语的使用不应被解释为暗示由不定冠词“一”或“一个”引入的权利要求陈述将包含这种引入的权利要求陈述的任何特定权利要求限制为仅包含一个陈述的发明，即使当同一权利要求包括引导性短语“一个或更多个”或“至少一个”以及诸如“一”或“一个”等的不定冠词(例如，“一”或“一个”通常应被解释为意味着“至少一个”或“一个或更多个”)时；这同样适用于对用于引入权利要求陈述的定冠词的使用。另外，即使明确地陈述了特定数量的所引入的权利要求陈述，本领域的技术人员也应认识到，这种陈述通常应该被解释为至少表示所陈述的数量(例如，在没有其它修饰词的情况下，直接陈述“两个陈述”通常意味着至少两个陈述，或两种或更多个陈述)。
此外，在使用类似于“A、B和C中的至少一者等”的惯例的那些实例中，通常，这种句法结构意在本领域技术人员习惯理解的该惯例的含义(例如，“具有A、B和C中的至少一者的系统”将包括但不限于具有单独A、具有单独B、具有单独C、同时具有A和B、同时具有A和C、同时具有B和C、和/或同时具有A、B和C等的系统)。在使用类似于“A、B或C中的至少一者等”的惯例的那些实例中，通常，这种句法结构意在本领域技术人员习惯理解的该惯例的含义(例如，“具有A、B或C中的至少一者的系统”将会包括但不限于具有单独A、具有单独B、具有单独C、同时具有A和B、同时具有A和C、同时具有B和C、和/或同时具有A、B和C等的系统)。本领域技术人员将进一步理解，实际上，呈现两个或更多个另选术语的任何转折词和/短语(无论在说明书中、权利要求书中，还是在附图中)应当被理解成，设想包括这些术语中一个、这些术语中的任一个或者两个术语的可能性。例如，短语“A或B”应当被理解成包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。进一步地，除非另外加以指明，否则使用词语“近似”、“大约”、“大概”、“大致”等意指加或减百分之十。
出于例示和描述的目的，呈现了例示性元件的前述描述。该描述不旨在是详尽的或者限于所公开的精确形式，而是可以根据上述教导进行修改和改变，或者可以根据所公开实现方式的实践来获取。本发明的范围旨在通过所附的权利要求书及其等同物来限定。

Claims (30)

1.一种麦克风，所述麦克风包括：
电介质梳，所述电介质梳包括：
壳体，所述壳体限定了腔；
多个导体，所述多个导体被定位在所述腔内，所述多个导体被构造成在所述壳体保持固定的同时响应于压力变化而移动，所述压力变化包括由声活动引起的压力变化和由大气压变化引起的压力变化，所述多个导体包括：
至少一个第一导体，所述至少一个第一导体被配置成响应于由所述大气压变化引起的所述压力变化而生成第一电信号；和
至少一个第二导体，所述至少一个第二导体被配置成响应于由所述声活动引起的所述压力变化而生成第二电信号；和
至少一个电介质棒，所述至少一个电介质棒被定位在所述腔内并相对于所述腔固定在固定位置，使得所述至少一个电介质棒在所述压力变化下保持固定，其中，所述至少一个电介质棒中的每一者与所述多个导体中的至少所述至少一个第一导体或所述至少一个第二导体相邻；以及
控制电路，所述控制电路包括：
大气压处理电路，所述大气压处理电路电联接至所述至少一个第一导体并且被配置成接收所述第一电信号并生成指示由所述大气压变化引起的所述压力变化的大气压信号；和
声活动处理电路，所述声活动处理电路电联接至所述至少一个第二导体并且被配置成接收所述第二电信号并生成指示由所述声活动引起的所述压力变化的声信号。
2.根据权利要求1所述的麦克风，所述麦克风还包括至少一个隔离部，所述至少一个隔离部联接到所述壳体并且能够响应于压力变化而相对于所述壳体移动，并且其中，所述多个导体联接到所述至少一个隔离部。
3.根据权利要求1所述的麦克风，其中，所述控制电路还包括电荷泵，所述电荷泵电连接至所述多个导体的至少一部分，以向所述多个导体的至少所述部分提供偏置电荷，并且其中，所述大气压处理电路被配置成对所述第一电信号进行处理以响应于由所述大气压变化引起的所述压力变化来生成电荷泵偏置信号。
4.根据权利要求3所述的麦克风，其中，所述电荷泵偏置信号被配置成在所述多个导体之间产生电力，以使所述多个导体在与由所述大气压变化导致的移动方向相反的方向上移动。
5.根据权利要求4所述的麦克风，其中，所述电力被配置成使所述多个导体返回到静止位置，在不存在由所述大气压变化引起的所述压力变化的情况下，所述多个导体将被定位在所述静止位置处。
6.根据权利要求1所述的麦克风，所述麦克风还包括振膜，所述振膜伸展到所述腔中并且在所述电介质梳上施加力，并且其中，所述压力变化导致所述振膜的移动，所述振膜的所述移动的变化导致所述多个导体相对于所述至少一个电介质棒的移动。
7.根据权利要求6所述的麦克风，其中，所述振膜包括：第一波纹管板；第二波纹管板，所述第二波纹管板通过第一顺应性结构固定至所述第一波纹管板；以及第三波纹管板，所述第三波纹管板通过第二顺应性结构固定至所述第二波纹管板，其中，所述第一波纹管板和所述第二波纹管板是环形的，并且所述第三波纹管板是圆形的。
8.根据权利要求6所述的麦克风，其中，所述振膜包括由具有第一弹性模量的第一材料形成的第一层和由具有小于所述第一弹性模量的第二弹性模量的第二材料形成的第二层。
9.根据权利要求1所述的麦克风，其中，所述腔是真空的。
10.根据权利要求1所述的麦克风，其中，所述麦克风还包括：
波纹管振膜，所述波纹管振膜包括：
第一波纹管板，其中，所述第一波纹管板是环形的；
一个或更多个第二波纹管板，其中，所述一个或更多个第二波纹管板是环形的，
第三波纹管板，其中，所述第三波纹管板是圆形的；
以及多个顺应性结构，所述多个顺应性结构连接所述第一波纹管板、所述一个或更多个第二波纹管板和所述第三波纹管板；并且
其中，在静止位置处，所述第一波纹管板、所述一个或更多个第二波纹管板和所述第三波纹管板大致平行，并且其中，响应于为大气压和声压中的至少一者的作用压力，所述波纹管振膜伸展到伸展位置，在所述伸展位置中，所述第一波纹管板和所述一个或更多个第二波纹管板相对于所述第三波纹管板倾斜。
11.根据权利要求10所述的麦克风，其中，所述静止位置在没有外部作用力的情况下出现。
12.根据权利要求10所述的麦克风，其中，所述第一波纹管板、所述第二波纹管板和所述第三波纹管板被构造成响应于所述作用压力的变化而移动。
13.根据权利要求10所述的麦克风，其中，所述多个顺应性结构被配置成在所述波纹管振膜经受循环载荷时将顺应性水平保持在1nm/Pa至10nm/Pa之间。
14.根据权利要求10所述的麦克风，其中，所述第一波纹管板、所述一个或更多个第二波纹管板和所述第三波纹管板各自具有0.5μm至2μm的厚度。
15.根据权利要求10所述的麦克风，其中，所述第一波纹管板、所述一个或更多个第二波纹管板和所述第三波纹管板中的相邻波纹管板之间的间隔为0.5μm至5μm。
16.根据权利要求10所述的麦克风，其中，所述一个或更多个第二波纹管板包括三个第二波纹管板。
17.根据权利要求10所述的麦克风，其中，所述一个或更多个第二波纹管板包括五个第二波纹管板。
18.根据权利要求10所述的麦克风，其中，所述一个或更多个第二波纹管板包括七个第二波纹管板。
19.根据权利要求1所述的麦克风，其中，所述麦克风还包括微机电系统MEMS换能器，所述MEMS换能器包括：
第一层，所述第一层包括被构造成在所述电介质梳上施加力的接触壁，所述第一层由具有第一弹性模量的第一材料形成；
第二层，所述第二层形成在所述第一层上，所述第二层由具有小于所述第一弹性模量的第二弹性模量的第二材料形成；并且
其中，所述第一层和所述第二层的至少一部分被固定到所述壳体以相对于所述壳体偏转，所述第二层被构造成在偏转期间接收由所述壳体施加在所述MEMS换能器上的集中应力并将所述集中应力作为分布应力传递到所述第一层。
20.根据权利要求19所述的麦克风，其中，所述第一层具有100nm至1μm的厚度，以维持所述腔中的真空。
21.根据权利要求19所述的麦克风，其中，所述第一弹性模量在50Gpa至200GPa之间。
22.根据权利要求19所述的麦克风，其中，所述第二弹性模量在1Gpa至10GPa之间。
23.一种用于微机电系统MEMS麦克风的控制电路，所述控制电路包括：
大气压处理电路，所述大气压处理电路被配置成接收来自所述MEMS麦克风的可移动感测结构的第一多个导体的、响应于所述可移动感测结构的移动而生成的第一信号，并对所述第一信号进行处理以生成指示大气压变化的信号；和
声活动处理电路，所述声活动处理电路被配置成接收来自所述可移动感测结构的第二多个导体的第二信号，所述声活动处理电路被配置成对所述第二信号进行处理以生成指示声活动的信号。
24.根据权利要求23所述的控制电路，所述控制电路还包括连接到所述可移动感测结构的电荷泵，其中，所述大气压处理电路被配置成控制所述电荷泵以基于指示所述大气压变化的所述信号向所述可移动感测结构的至少所述第一多个导体中的一个或更多个导体提供偏置电荷。
25.根据权利要求24所述的控制电路，其中，所述偏置电荷的大小被调整成对所述可移动感测结构进行偏置以补偿所述大气压变化。
26.根据权利要求23所述的控制电路，其中，所述第二信号具有高频部分和低频部分，并且其中，所述声活动处理电路包括被配置成去除所述第二信号的所述低频部分的滤波器。
27.根据权利要求23所述的控制电路，其中，所述第二信号具有幅度，并且其中，所述声活动处理电路包括反馈电路，所述反馈电路被配置成确定所述第二信号的所述幅度，并且响应于所述幅度超过预定阈值，生成反馈信号，以减小所述第二信号的所述幅度，以防止所述声活动处理电路的过载。
28.根据权利要求23所述的控制电路，其中，所述第二多个导体与所述第一多个导体不同。
29.一种麦克风，所述麦克风包括：
壳体，所述壳体限定了腔；
多个导体，所述多个导体被定位在所述腔内，所述多个导体被构造成在所述壳体保持固定的同时响应于压力变化而移动，所述压力变化包括由声活动引起的压力变化和由大气压变化引起的压力变化，所述多个导体包括：
至少一个第一导体，所述至少一个第一导体被配置成响应于由所述大气压变化引起的所述压力变化而生成第一电信号；和
至少一个第二导体，所述至少一个第二导体被配置成响应于由所述声活动引起的所述压力变化而生成第二电信号；以及
至少一个电介质棒，所述至少一个电介质棒被定位在所述腔内并相对于所述腔固定在固定位置，使得所述至少一个电介质棒在所述压力变化下保持固定，其中，所述至少一个电介质棒中的每一者与所述多个导体中的至少一个导体相邻；以及
换能器振膜，所述换能器振膜包括：
第一波纹管板，其中，所述第一波纹管板是环形的；
一个或更多个第二波纹管板，其中，所述一个或更多个第二波纹管板是环形的，
第三波纹管板，其中，所述第三波纹管板是圆形的；
以及多个顺应性结构，所述多个顺应性结构连接所述第一波纹管板、所述一个或更多个第二波纹管板和所述第三波纹管板；并且
其中，在静止位置处，所述第一波纹管板、所述一个或更多个第二波纹管板和所述第三波纹管板大致平行，并且其中，响应于为大气压和声压中的至少一者的作用压力，所述换能器振膜伸展到伸展位置，在所述伸展位置中，所述第一波纹管板和所述一个或更多个第二波纹管板相对于所述第三波纹管板倾斜，并且所述换能器振膜在所述多个导体上施加力，所述力使所述多个导体的至少一部分相对于所述至少一个电介质棒的至少一部分移位。
30.一种麦克风，所述麦克风包括：
壳体，所述壳体限定了腔；
多个导体，所述多个导体被定位在所述腔内，所述多个导体被构造成在所述壳体保持固定的同时响应于压力变化而移动，所述压力变化包括由声活动引起的压力变化和由大气压变化引起的压力变化，所述多个导体包括：
至少一个第一导体，所述至少一个第一导体被配置成响应于由所述大气压变化引起的所述压力变化而生成第一电信号；和
至少一个第二导体，所述至少一个第二导体被配置成响应于由所述声活动引起的所述压力变化而生成第二电信号；以及
至少一个电介质棒，所述至少一个电介质棒被定位在所述腔内并相对于所述腔固定在固定位置，使得所述至少一个电介质棒在所述压力变化下保持固定，其中，所述至少一个电介质棒中的每一者与所述多个导体中的至少一个导体相邻；以及
换能器，所述换能器包括：
第一层，所述第一层包括被构造成在所述多个导体上施加力的接触壁，所述第一层由具有第一弹性模量的第一材料形成；
第二层，所述第二层形成在所述第一层上，所述第二层由具有小于所述第一弹性模量的第二弹性模量的第二材料形成；并且
其中，所述第一层和所述第二层的至少一部分被固定到所述壳体以相对于所述壳体偏转，所述第二层被构造成在偏转期间接收由所述壳体施加在所述换能器上的集中应力并将所述集中应力作为分布应力传递到所述第一层，所述第一层在所述多个导体上施加力，所述力使所述多个导体的至少一部分相对于所述至少一个电介质棒的至少一部分移位。
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