CN114728781B - Mems器件、包括mems器件的组件以及用于操作mems器件的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种MEMS器件，MEMS器件包括层堆叠，层堆叠具有形成在第一层与第三层之间的至少一个第二层。在第二层中形成至少一个第一腔。MEMS器件还包括可横向偏转元件，可横向偏转元件具有自由端部以及连接到第一腔的侧壁的端部。此外，MEMS器件包括无源元件，无源元件刚性地拴系至可横向偏转元件的自由端部，以跟随可横向偏转元件的移动。可横向偏转元件和无源元件将第一腔分成第一子腔和第二子腔。第一子腔经由至少一个第一开口与MEMS器件的环境流体接触。此外，第二子腔经由至少一个第二开口与MEMS器件的环境流体接触。至少一个第一开口形成在第一层和第三层的、与至少一个第二开口不同的层中。

Description

MEMS器件、包括MEMS器件的组件以及用于操作MEMS器件的 方法

技术领域

本公开涉及微机电系统(MEMS)器件。具体地，实施例涉及MEMS器件、包括MEMS器件的组件以及用于操作MEMS器件的方法。

背景技术

MEMS器件可以用许多方式与环境中的气体或液体相互作用。例如，MEMS器件可用于激发环境中的气体振动。例如，此类MEMS器件可用于扬声器。MEMS器件还可以用于检测环境中的气体的振动。例如，此类MEMS器件可用于麦克风。

此外，文献中已经提出了可以连接至可偏转致动器的多种无源元件。此示例是大量的微反射镜应用。类似地，用于扬声器或麦克风的隔膜也可以被认为是无源元件。然而，所有技术的共同之处在于，无源元件的偏转发生在基底平面外(平面外)。

在文献DE 102017206766A1中提出了由微机械致动器驱动的无源元件的平面内移动。在这种情况下，可偏转元件连接至在相对侧的周围基底。各自的可自由移动的端部经由弹性元件或刚性元件连接至板，并且因此可将力传递至板。至少两个这样的板被布置为彼此相对并且横向地封闭穿过基底中的开口连接至周围环境的腔。为了考虑在偏转期间致动器的可变几何尺寸，板必须经由弹性元件连接至致动器。这对所得的换能器的性能具有不利影响，因为弹性件影响整个系统的振动特性。

将期望的是具有MEMS元件，该MEMS元件可以实现具有最小部件表面积的高声压。在优化空间利用率的情况下，MEMS元件应在基底平面中提供用于与周围流体(环境流体)相互作用的大的流体有效区域，同时使装置表面的电容负载最小化。

考虑到这一点，一项任务是提供用于与环境流体相互作用的改进的MEMS结构。

发明内容

根据本发明，该任务通过根据独立权利要求的一种MEMS器件、一种包括该MEMS器件的组件以及用于操作该MEMS器件的方法来解决。在从属权利要求、以下描述以及附图中描述了本发明的其他方面以及其他的实施例。

第一实施例涉及包括层堆叠的MEMS器件，该层堆叠具有形成在第一层与第三层之间的至少一个第二层。在第二层中形成至少一个第一腔。MEMS器件还包括可横向偏转元件，该可横向偏转元件具有自由端部和连接至第一腔的侧壁的端部。另外地，MEMS器件包括无源元件，无源元件刚性地拴系至可横向偏转元件的自由端部，以跟随可横向偏转元件的移动。可横向偏转元件和无源元件将第一腔分成第一子腔和第二子腔。第一子腔经由至少一个第一开口与MEMS器件的环境流体接触。此外，第二子腔经由至少一个第二开口与MEMS器件的环境流体接触。至少一个第一开口形成在第一层和第三层中的、与至少一个第二开口不同的层中。

另外地，第二实施例涉及一种包括本文描述的至少一个MEMS器件的组件。此外，该组件包括控制电路，该控制电路被配置成用于向至少一个MEMS器件的可横向偏转元件提供至少第一势能，以使可横向偏转元件作为致动器而运行，以影响环境流体。替代地或附加地，组件包括测量电路，该测量电路被配置成用于测量可横向偏转元件的至少第二势能，以使可横向偏转元件操作为用于环境流体的传感器而运行。

第三实施例涉及用于操作本文描述的MEMS器件的第一方法。方法包括：通过在第一时间间隔内施加势能以增大第一子腔的容积并减小第二子腔的容积，使可横向偏转元件在第一方向上横向变形，以影响环境流体。此外，方法包括：通过在第二时间间隔期间施加势能以增大第二子腔的容积并减小第一子腔的容积，使可横向偏转元件在相反的第二方向上横向变形，以用于影响环境流体。

另外地，第四实施例涉及用于操作本文描述的MEMS器件的第二方法，其中，可横向偏转元件和无源元件能够相对于第一腔的侧壁横向移动，以根据环境流体调整第一子腔和第二子腔的容积。方法包括在由可横向偏转元件和无源元件相对于第一腔的侧壁的移位所施加的外力而引起横向变形时，通过可横向偏转元件输出势能。

无源元件刚性地连接至可横向偏转元件。由于与可横向偏转元件相比无源元件质量较低，可以实现更高的加速度，尤其是在由无源元件以及可横向偏转元件所形成的系统的横向移动的方向上变化期间，使得系统可以在偏转范围内实现更恒定的速度。这允许用于横向运动的较高共振频率并且允许与较大量的环境流体相互作用。由无源元件以及可横向偏转元件形成的系统还允许第一子腔和第二子腔的大的相应容积，使得仅发生相对较小的(不需要的)电容负载。

附图说明

下面仅以示例的方式参照附图更详细地解释装置和/或方法的一些示例。其示出：

图1是MEMS器件的第一实施例的俯视图；

图2是沿着穿过MEMS器件的第一实施例的截面轴线A-A的截面图；

图3是沿着穿过MEMS器件的第一实施例的截面轴线B-B的截面图；

图4是沿着穿过MEMS器件的第一实施例的截面轴线E-E的截面图；

图5是MEMS器件的第二实施例的俯视图；

图6是沿着穿过MEMS器件的第二实施例的截面轴线C-C的截面图；

图7是沿着穿过MEMS器件的第二实施例的截面轴线D-D的截面图；

图8是MEMS器件的第三实施例的俯视图；

图9和图10的无源元件的实施例；

图11是MEMS器件的第四实施例的俯视图；

图12是具有至少一个MEMS部件的组件的实施例示例；

图13是操作MEMS器件的方法的第一实施例的流程图；以及

图14是用于操作MEMS器件的方法的第二实施例的流程图。

具体实施方式

现在参考附图更详细地描述了各种示例，其中示出了一些示例。在附图中，线、层和/或区域的厚度可能为了清晰而被放大。

因此，尽管各种修改和替代形式的另外的示例是合适的，但是一些具体示例在附图中示出并且在下文中详细描述。然而，此详细描述不将进一步的示例限于所描述的特定形式。其他示例可以覆盖落入披露范围内的任何修改、对应和替代。贯穿附图的描述，相同或相似的附图标记指代相同或相似的元件，当相互比较时，元件可以是相同的或者以修改的形式实施，同时提供相同或相似的功能。

应理解的是，当一个元件被称为“连接”或“耦接”至另一个元件时，元件可直接连接或耦接，或通过一个或更多个中间元件来连接或耦接。当两个元件A和B使用“或”组合时，这应理解为公开了所有可能的组合，即，仅A、仅B以及A和B，除非另有明确或隐含定义。相同组合的替代措辞是“A和B中的至少一个”或“A和/或B”。经过必要的变通，这同样适用于两个以上元件的组合。

本文用于描述具体示例的术语不旨在限制进一步的示例。如果是单数形式，例如，使用“一个(ein)、一种(eine)”和“该(der)、该(die)、该(das)”，并且仅单个元件的使用既不明确地也不隐含地被定义为强制性的，进一步的示例还可以使用复数元件来实现相同的功能。如果功能在下面被描述为使用多个元件来实现，那么进一步的示例可以使用单个元件或处理实体来实现相同的功能。还应当理解，术语“包括(umfasst)”、“包括(umfassend)”、“具有(aufweist)”和/或“具有(aufweisend)”在使用时指定存在指定特征、整体、步骤、操作、过程、元件、部件和/或它们的组合，但不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、过程、元件、部件和/或它们的组的存在或添加。

除非另外定义，本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)在示例所属的领域中具有通常的含义。

图1示出了第一MEMS器件100的俯视图。具体地，图1示出了构造或形成MEMS器件100的层堆叠110的第二层112的俯视图。在图2中可以看到层堆叠110的结构，图2示出了MEMS器件100沿着图1中指示的截面线A-A的截面图。

从图2中可以看出，层堆叠110的包括至少第一层111、第二层112和第三层113。第二层112形成在第一层111和第三层113之间。在第二层112(其也可以被理解为装置层、装置级或装置晶片)中形成至少一个第一腔114，MEMS器件100的其他元件被布置在至少一个第一腔114中。因此，第二层112还可以被理解为基底层。任选地，可以在第二层112中形成附加腔。

第一层111用作第二层112(并且也可以被理解为处理晶片)的底层。第三层113用作第二层112的盖层(并且也可以被理解为盖晶片)。第一层111和第三层113沿着层堆叠110的厚度方向来界定第一腔114。

层111至层113可以包括导电材料，诸如掺杂的半导体材料(例如，掺杂的硅)或金属材料等。此外，层111至层113可具有涂覆的表面(例如，未掺杂硅或聚合物上的金属)。导电层的逐层布置实现简单的设计或结构化，因为有源元件(例如，电极)以及无源元件可通过选择性地从相应层中溶解掉材料来形成。类似地，层111至层113可以包括非导电材料。例如，非导电材料可以借助于沉积工艺引入到层111至层113中的一个层中。

例如，第一层111、第二层112和第三层113可以各自是晶片。各个晶片各自经由互锁工艺(例如，结合)成对地结合在一起，以形成具有上述层的序列的层堆叠110。相应地，第一腔114可以形成为MEMS器件100中的声密封空隙空间。

可横向偏转元件120设置在第一腔114中，并具有自由端部(或可自由移动端部)122和连接到第一腔114的侧壁115的端部121。换言之：可横向偏转元件120单侧地连接至周围基底。在此上下文中，术语“可横向偏转的”应被理解为意指可横向偏转元件120能够在第二层112的平面内运动，即，平面内运动。换言之：可横向偏转元件120可在第二层112的平面内移动，但不相对于第二层112的平面竖直(即，在第二层112的平面之外)移动。

可横向偏转元件120可以具有不同设计或结构。不管可横向偏转元件120的具体结构如何，元件120被配置成在施加第一势能(例如，作为驱动信号的第一电压信号)时横向变形和/或在由于施加外力而横向变形时输出第二势能(例如，作为评估信号的第二电压信号)。换言之：可横向偏转元件120被配置成经由移动或变形来提供力以响应于致动(即，作为致动器)和/或经由变形来感应力(即，作为传感器)。例如，可横向偏转元件120可以被配置成机电式换能器、压电式换能器、磁致伸缩式换能器、热机械式换能器或其组合，以将相应的能量形式或势能转换成机械能，反之亦然。基于相应施加的势能，因此可以提供可横向偏转元件120在第二层112的平面中可横向的相应变形，或者在由于由可横向偏转元件120施加的外力而导致的横向变形的情况下，可以提供相应势能。

在图1和图2中，所示的可横向偏转元件120被配置成静电换能器，并且分别包括间隔开、并且彼此电互连的相对的第一可偏转及可横向变形子元件123、第二可偏转及可横向变形子元件124和第三可偏转及可横向变形子元件125。可横向变形子元件123、124和125各自具有凹形弯曲形状。换言之：在图1中，可横向偏转元件120被配置成三单元平衡元件。在最简单的情况下，可横向变形子元件123、124及125中的每一者具有三层结构，该三层结构具有两个几何上不同的电极层，该两个几何上不同的电极层经由可中断的非导电的层彼此连接。当在至少两个电极层之间施加势能时，施加电场，作为其结果是电极层横向变形(例如，通过改变其长度)。由于可横向偏转元件120机械固定到腔114的侧壁115，所产生的变形的自由度被限制，使得变形(弯曲或偏转)发生在第二层112的平面中。将三个可横向变形子元件123、124和125中的每一者用于可横向偏转元件120，使得能够实现可横向偏转元件120的高的、且可调节的线性度。

可偏转元件，并且特别是包括至少第一电极层和第二电极层(在该第一电极层和该第二电极层之间形成非导电层)的可横向偏转元件也被称为纳米级静电驱动器(NED)。NED的实施例的示例描述于弗劳恩霍夫应用研究促进协会(Fraunhofer-Gesellschaft zur der angewandten Wissenschaften)的专利申请WO 2012/095185 A1、WO2016/202790 A2和DE 10215/206774A中，其内容由此通过引用并入本文。横向NED(L-NED)在向第一电极层和第二电极层施加第一电压信号时横向变形。此外，当由于外力施加而横向变形时，L-NED在第一电极层和第二电极层产生第二电压信号。因此，根据一些实施例，可横向偏转元件120可以是NED。

如从另外的实施例明显的是，可横向偏转元件120的形状不限于图1中所示的凹形弯曲形状。原理上，可横向偏转元件120的形状可以是任意的(例如，梁状、屋顶状等)。例如，可横向偏转元件120可替代地是两单元平衡元件或由至少两个间隔开的电极构造的梁形元件。

无源元件130被刚性地(即，固定的或不可移动的或非弹性的)拴系至可横向偏转元件120的自由端部122以跟随可横向偏转元件120的移动。不同于可横向偏转元件120，无源元件130不能变形并且在这个方面是“无源的”。无源元件130可由多种材料形成。例如，无源元件130可以由与第二层112相同的材料形成。

无源元件130的两个可能的横向偏转范围在图1中示出。首先，在图1中示出了用于可横向偏转元件120的准静态激励(即，用于准静态情况)的偏转区域135，并且其次，在图1中示出了用于可横向偏转元件120的谐振激励(即，用于谐振情况)的偏转区域136。

根据实施例，无源元件130的刚度大于或等于可横向偏转元件120的刚度。换言之：无源元件130的刚度至少与可横向偏转元件120的刚度相当。

横向地，第一腔114另外由两个附加的侧壁116、117界定。另外的侧壁116、117可以被解释为界定第一腔114。可横向偏转元件120以及无源元件130各自沿着其纵向范围在这两个另外的侧壁116、117之间延伸。如具体从图1的左侧部分可见，另外的侧壁116、117的相应路线至少部分地适配于可横向偏转元件120的外轮廓。

T形分隔件118另外形成在第一腔114中。分隔件118连同可横向偏转元件120和无源元件130将第一腔114分成第一子腔114-1和第二子腔114-2。间隙形成于分隔件118与无源元件130的自由端部132之间，以允许无源元件130相对分隔件118移动。然而，间隙如此小，使得环境流体穿过间隙的(显著的)容积流量是不可能的。换言之：在分隔件118与无源元件130的自由端部132之间形成(小)间隙，该间隙的尺寸如此小，使得不可能穿过相邻的子腔114-1、114-2之间的间隙来进行(显著)容积流动。例如，分隔件118与无源元件130的自由端部132之间的距离可以小于10μm、5μm或3μm。

子腔114-1、114-2中的每一者经由至少一个对应的开口与围绕MEMS器件100的环境流体(例如，气体或液体)接触。第一子腔114-1经由至少第一开口140-1与MEMS器件100的环境流体接触。第二子腔114-2经由至少第二开口150-1与MEMS器件100的环境流体接触。在图1所示的MEMS器件100中，第一子腔114-1经由两个第一开口140-1、140-2与MEMS器件100的环境流体接触。两个第一开口中的一个第一开口(即第一开口140-1)设置在第一子腔114-1的可横向偏转元件120在其中延伸的区域中。两个第一开口中的另一个第一开口(即，第一开口140-2)设置在第一子腔114-1的不同区域中。在图1所示的实施例中，第一开口140-2位于无源元件130的自由端部132处的分隔件118的区域中。等效地，第二子腔114-2经由两个第二开口150-1、150-2与MEMS器件100的环境流体接触。应当注意，可自由选择第一开口或第二开口的数量。例如，可为每个子腔提供n＝1、2、3或更多个开口。而且，可自由选择开口的放置，尤其与图1中所示的位置不同(例如，在无源元件130的自由端部132的区域中)。

在这种情况下，至少一个第一开口140-1形成在与至少一个第二开口150-1不同的第一层111和第三层113的层中。这可以例如在图3和图4中看到，图3和图4中的每个图示出了MEMS器件100沿着图1中指示的截面线B-B、E-E的截面视图。在图3和图4所示的实施例中，第一开口140-1、140-2形成在第一层111中，而第二开口150-1、150-2形成在第三层113中。这样可以避免第一腔114的相邻子腔之间的声短路。应注意，第一开口140-1、140-2可以替代地形成在第三层113中，并且第二开口150-1、150-2可以相应地形成在第一层111中。

至少一个第一开口和至少一个第二开口由此以此方式布置以使得可横向偏转元件120和无源元件130即使在最大横向偏转时也不能覆盖这些开口，以避免两个子腔114-1、114-2的声短路。由于第一腔114被可横向偏转元件120、无源元件130和分隔件118分隔，第一子腔114-1和第二子腔114-2之间(基本上)没有流体的交换。

可横向偏转元件120和无源元件130的横向移动可以用于改变子腔114-1、114-2的容积。可变容积子腔114-1、114-2用于与环境流体相互作用。当容积变化时，子腔114-1、114-2中的压力平衡经由至少一个第一开口140-1和至少一个第二开口150-1发生。

如以上所讨论的，可横向偏转元件120被配置成在施加第一势能时横向变形，使得可横向偏转元件120和无源元件130相对于第一腔114的另外侧壁116、117移动以交替地减小和增大第一子腔114-1的容积并且相反地交替地增大和减小第二子腔114-2的容积以影响环境流体。分别经由开口140-1、140-2和150-1、150-2，子腔114-1、114-2的容积变化影响MEMS器件100的环境中存在的环境流体，由此影响环境流体。因此，MEMS器件100用作致动器。

相反地，可横向偏转元件120和无源元件130能够相对于第一腔114的另外的侧壁116、117横向移动，以在使可横向偏转元件120变形的同时根据环境流体来调整第一子腔114-1和第二子腔114-2的容积。例如，根据环境流体中的压力条件或压力梯度，第一子腔114-1的容积可以减小并且第二子腔114-2的容积可以增大，使得可横向偏转元件120和无源元件130相对于第一腔114的另外的侧壁116、117横向移位，并且可横向偏转元件120相应地变形。如以上所讨论的，可横向偏转元件120被配置成在横向变形时输出第二势能，该横向变形是由于可横向偏转元件120和无源元件130相对于第一腔114的另外的侧壁116、117的移位而施加外力所引起的。

例如，在可横向偏转元件120包括第一电极层和第二电极层(具有如上所述的在它们之间形成的非导电层)的情况下，可横向偏转元件120可以相应地被配置成用于在向第一电极层和第二电极层施加第一电压信号(作为第一势能的示例)时横向变形，和/或用于在由于外力施加的横向变形时，在第一电极层和第二电极层处产生第二电压信号(作为第二势能的示例)。

可横向偏转元件120和无源元件130的组合共同地形成用于与环境流体相互作用的大面积。MEMS器件100因此可以提供增大的流体有效面积。对此，MEMS器件100可用于影响环境流体(即，作为致动器)或用于测量环境流体(即，作为传感器)。由于上述实施例，无源元件130具有相对低的质量，使得可以尤其在横向移动的方向改变期间实现高的加速度，并且在换能器的偏转范围内，换能器以更恒定的速度穿过的偏转范围的比例相应地增加。这对横向运动可实现的谐振频率具有积极影响。此外，这允许与更大量的环境流体相互作用。

与可横向偏转元件120相比，无源元件130的小尺寸允许大容积的子腔114-1、114-2。以这种方式，利用大的流体有效面积可以实现高填充密度。同时，这有利地减小了MEMS部件或换能器系统的电容负载(即，由MEMS器件的特定芯片表面保持的电容)。

在一些实施例中，无源元件130沿着第二层112的厚度方向的延伸与可横向偏转元件120沿着第二层112的厚度方向的延伸相同。换言之：无源元件130的高度可以等于可横向偏转元件120的高度。可替代地，无源元件130沿第二层112的厚度方向的延伸可以至少部分地小于可横向偏转元件120沿第二层112的厚度方向的延伸。例如，无源元件130沿第二层112的厚度方向的延伸可以至少部分地比可横向偏转元件120沿第二层112的厚度方向的延伸小5μm至10μm。与可横向偏转元件120相比，无源元件130的可横向更低的高度可以允许流体负载与可横向偏转元件120的性能相匹配。类似地，高度能够用于将流体刚度与可横向偏转元件120的刚度相匹配。可替代地，这可以通过改变无源元件130的纵向范围来完成。改变无源元件130的高度延伸比改变长度延伸具有保持第一腔114的填充因数的优势(即，第一腔的容积不需要改变)。

无源元件130以及可横向偏转元件120沿着第二层112的厚度方向的延伸被选择，以使得在各自情况下在无源元件130或可横向偏转元件120与第一层111(即，处理晶片)或第三层113(即，盖晶片)之间仅保留小间隙。具体地，无源元件130以及可横向偏转元件120沿着第二层112的厚度方向的延伸被选择，以使得由于无源元件130或可横向偏转元件120与第一层111或第三层113之间的自由空间，在相邻子腔114-1、114-2之间没有(显著)容积流量是可能的。例如，无源元件130或可横向偏转元件120与第一层111或第三层113之间的距离可以小于10μm、5μm或3μm。因而，可避免在子腔114-1、114-2之间的声短路。

特别地，如图1所示，无源元件130沿其纵向范围的横截面小于可横向偏转元件120沿其纵向范围的横截面。换言之：在可横向偏转元件120的移动方向上(即，在横向方向上)，无源元件130的几何延展量(显著地)小于可横向偏转元件120的几何延展量。

无源元件130沿其纵向范围的横截面可以是恒定的(即，不变的)，如图1所示。可替代地，无源元件130的横截面可以沿着其纵向范围改变。这在图5中示出。在图5所示的MEMS器件500中，无源元件130的横截面从无源元件130的连接到可横向偏转元件120的端部131到无源元件130的自由端部132减小，但除此之外MEMS器件500被构造成与MEMS器件100相同。换言之：无源元件130从连接至可横向偏转元件120的端部131朝向无源元件130的自由端部132渐缩。因此，无源元件130与可横向偏转元件120的接合处具有最大几何尺寸，而无源元件130的自由摆动端部132具有最小几何尺寸。例如，无源元件130可以在第二层112的平面中渐缩，其中无源元件130的尖端是无源元件130的自由端部132。这从图6和图7中进一步明显，图6和图7中的每个图示出了MEMS器件500沿着图5中表示的截面线C-C、D-D的截面图。无源元件130在交叉线C-C处的宽度(即，横向范围)仍然是b1，而无源元件130在交叉线D-D处的宽度(其比交叉线C-C更靠近无源元件130的自由端部132)现在仅为b2(其中b2＜b1)。与无源元件130的自由端部132处的宽度相比，无源元件130在无源元件130与可横向偏转元件120之间的连接区域中的更大宽度允许可横向偏转元件120的自由端部122与无源元件130之间的均匀应力传递。由于无源元件130的端部131处的宽度增大，由无源元件130对环境流体的阻力以及无源元件130在加速度变化时的惯性产生的应力可以均匀地传递到可横向偏转元件120中。由于无源元件130的锥度引起的无源元件130的减小的质量或惯性改善了由无源元件130和可横向偏转元件120形成的换能器系统的动态性能。

无论无源元件130的横截面是沿着无源元件130的纵向范围改变的还是恒定的，无源元件130的纵向范围与其横向范围的比率大于例如10：1、20：1、30：1、40：1或50：1。换言之：无源元件130比其宽度长得多，并且因此还可以被理解为“杆形”元件。

可以根据包括无源元件130和可横向偏转元件120的系统的所期望的动态行为来选择无源元件130的纵向范围。可以通过选择无源元件130的长度来调整由无源元件130和可横向偏转元件120组成的系统的可实现的谐振频率。应注意，可实现的谐振频率随着无源元件130的长度的增加而减小。例如，无源元件的纵向范围可以是在可横向偏转元件120的纵向范围的20％与160％之间、具体地30％与50％之间或60％与100％之间或甚至80％。

如已经在MEMS器件100、500的各个元件的描述中已经多次指出的，与图1和图5中所示的MEMS器件100、500相比，根据所提出的架构的MEMS器件的各个元件可以多种方式修改。因此，以下更详细地描述了根据所提出的架构的一些其他MEMS器件，主要强调了与以上详细描述的MEMS器件100、500的差异。

图8示出了具有与MEMS器件100、500相比不同设计的可横向偏转元件120的MEMS器件800。尽管MEMS器件100、500的可横向偏转元件120各自由具有凹形弯曲形状的三个子元件形成，但MEMS器件800的可横向偏转元件120仅包括具有凹形弯曲形状的两个子元件。换言之：图8中的可横向偏转元件120是双单元平衡元件。另外，在实施例中，无源元件130的纵向范围小于可横向偏转元件120的纵向范围。类似地，MEMS器件800不具有分隔件。

当不能使用具有较高数量的单元的较长可横向偏转元件时，MEMS器件800的实施例对于受限空间是有利的。因此，可以最大限度地利用用于与环境流体互动(相互作用)的可用表面。

在图9和图10中，另外示出了无源元件130如何经由相应的几何形状适配于对应的情况。图9示出了穿过无源元件130的截面图(例如，沿着图5中的截面线C-C、D-D中的一个截面线)，以表示无源元件130的各种可能的横截面。例如，无源元件130可具有梁形或矩形横截面(见左上)、楔形横截面(见右上)、凹形截面(见左下)或椭圆形横截面(见右下)。

图10进一步示出了无源元件的俯视图，以指示无源元件的另外的实施例。具体地，图10示出了具有改进的轻量化势能的无源元件的几个实施例。在图10中所示的实施例130-a、130b以及130-c中，在每个无源元件中形成至少一个腔133-1、……、133-8。借助于一个腔或多个腔，可以在无源元件的连接至可横向偏转元件120的端部131处实现改善的质量-刚度比。例如，可以使用一个或更多个蚀刻工艺从无源元件去除材料以形成一个腔或多个腔133-1、……、133-8。

如在图10中所示的实施例130-d中所指示的，还可以经由在无源元件的连接至可横向偏转元件120的端部131的区域中的优化的几何形状或外轮廓来实现改善的质量-刚度比。

在图11中，示出了MEMS器件1100，其中，在第二层112中形成具有上述结构的多个腔。虽然在图11中示出了五个腔，但是应当注意的是，根据本发明的MEMS器件可具有任何其他多个腔。例如，根据本发明的MEMS器件还可以具有上述腔中的2个、3个、4个、6个、10个、20个或更多个。如从图11中可以看出的，各个腔交替地布置在第二层112中，使得相邻的腔相对于彼此旋转180°地布置，并且每个腔具有共用的侧壁(在可替代的实施例中，腔也可以等间距地布置，即不相对于彼此旋转)。换言之：设置在腔中的换能器系统沿第一空间方向彼此相邻地布置并且基本上沿垂直于第一空间方向的第二空间方向(纵向地)延伸。在此，换能器系统交替地悬置在第二层112的周围基底的相对侧上。以下将参照彼此相邻的第一腔114和第二腔1114再次明确地对此进行解释。

第一腔114基本上如上所述并且还包括第三第二开口150-3。因此参考以上陈述。

因此，具有自由端部1122和连接至第二腔1114的侧壁1115的端部1121的另一个可横向偏转元件1120形成在第二腔1114中。在图11的实施例示例中，另外的可横向偏转元件1120与可横向偏转元件120相同地形成。在替代实施例中，另外的可横向偏转元件1120和可横向偏转元件120也可以不同地形成(例如，具有不同几何形状或不同数量的子元件)。

第一腔114的侧壁115(可横向偏转元件120附接到侧壁115)和第二腔1114的侧壁1115(另外的可横向偏转元件1120附接到侧壁1115)是彼此相对的。第一腔114和第二腔1114由共用的另外的侧壁117界定，共用的另外的侧壁117沿着可横向偏转元件120的纵向范围并且沿着另外的可横向偏转元件1120的纵向范围延伸。

另外的无源元件1130刚性地连接至另外的可横向偏转元件1120的自由端部1122，以跟随另外的可横向偏转元件1120的移动。在图11的实施例示例中，另外的无源元件1130与无源元件130相同地形成。在替代实施例中，另外的无源元件1130和无源元件130也可以不同地形成(例如，具有不同的几何形状或不同的长度)。

类似于用于第一腔114的以上实施例，另外的可横向偏转元件1120和另外的无源元件1130连同另外的分隔件1118一起将第二腔1114分成第三子腔1114-1和第四子腔1114-2。

相邻腔114、1114布置在MEMS器件1100中，使得对应的可横向偏转元件120或1120面向相邻腔的无源元件1130或130。

第三子腔1114-1经由三个第三开口1140-1、1140-2、1140-3与MEMS器件1110的环境流体接触。因此，第四子腔1114-2经由三个第四开口1150-1、1150-2、1150-3与MEMS器件1100的环境流体接触。类似于以上针对第一开口和第三开口的解释，应注意，图11中所示的开口的数量是示例性的并且仅用于说明目的。根据实施例，任何数量的(n≥1)开口都可用于使第三子腔1114-1和第四子腔1114-2与环境流体接触。

第三开口1140-1、1140-2、1140-3再次形成在与第四开口1150-1、1150-2、1150-3不同的第一层111和第三层113的层中，以避免第三子腔1114-1和第四子腔1114-2之间的声学短路。

在图11的实施例示例中，第二开口150-1、150-2、150-3形成在与第四开口1150-1、1150-2、1150-3相同的第一层和第三层的层中。如图11所示，第二开口150-1和第四开口1150-3以及第二开口150-3和第四开口1150-1均形成连续的开口。因此，第二子腔114-2短路至相邻的第四子腔1114-2。这是可能的，因为另外的无源元件1130和另外的可横向偏转元件1120的横向移动与无源元件130和可横向偏转元件120的移动相反，使得第二子腔114-2和第四子腔1114-2的容积以基本类似的方式改变。因此，相邻腔114、1114在对应的可横向偏转元件120或可横向偏转元件1120面向相邻腔的无源元件1130或130的区域中彼此连接。

从图11另外明显的是，另外的侧壁116、117的相应轨迹与可横向偏转元件120的外轮廓的至少部分匹配，允许相邻腔的容积在其相应无源元件的自由端部的区域中增大。例如，将侧壁117的轮廓与可横向偏转元件120的第一单元的弯曲轮廓相匹配，来允许第二腔1114的容积在另外的无源元件1130的自由端部1132的区域中或者在第二腔1114的分隔件1118的区域中增大。可横向偏转元件120在该区域中经历其最小变形，使得侧壁117的椭圆形配置使在该区域中的第二腔1114的容积最大化。因此，在第二腔1114中可以与更大容积的环境流体相互作用。

用于腔114、1114制作的实施例以类似的方式应用于MEMS器件1100的其他腔。

虽然前述部分已经根据所提出的架构重点介绍了MEMS器件的细节，但以下部分将更详细地讨论MEMS器件的应用。

为此，在图12中示出了组件1200。组件1200包括根据所提出的架构或在本文描述的实施例之一的至少一个MEMS器件1210。如果组件1200包括多个MEMS器件1210，则多个MEMS器件1210可以相对于彼此以基本上任何取向来定向。例如，多个MEMS器件1210可以形成在共用半导体芯片或半导体管芯上。

根据组件1200的类型，组件可以包括控制电路1220和/或测量电路1230。

控制电路1320被配置成用于向至少一个MEMS器件1210的可横向偏转元件提供至少第一势能(例如，第一电压信号、第一磁位、或第一热位)，以使可横向偏转元件作为致动器运行来影响环境流体。

测量电路1330被配置成用于测量至少一个MEMS器件1210的可横向偏转元件的至少第二势能(例如，第二电压信号、第二磁位、或第二热位)，以使可横向偏转元件作为用于环境流体的传感器来运行。

如果至少一个MEMS器件1210作为致动器来运行，则组件1200包括控制电路1220。例如，组件1200可以是耳机、扬声器、耳机的扬声器、(超)移动终端的扬声器等，使得影响围绕至少一个MEMS器件1210的环境流体以经由至少一个MEMS器件1210输出声音信号。根据另外的实施例，组件1200还可以是流体泵，使得影响围绕至少一个MEMS器件1210的环境流体，以经由至少一个MEMS器件1210进行流体输送。

如果至少一个MEMS器件1210作为传感器来运行，组件1200包括测量电路1230。例如，组件1200可以是麦克风，其经由至少一个MEMS器件1210提供围绕至少一个MEMS器件1210的环境流体的感测。

根据实施例，如果组件1200包括多个MEMS器件1210，多个MEMS器件1210的第一部分可以作为致动器运行，并且多个MEMS器件1210的第二部分可以作为传感器运行。例如，在实施例中，组件1200可以是主动降噪耳机。

为了再次总结以上描述的用于操作本文描述的MEMS器件的方面，图13和图14仍示出了用于操作本文描述的MEMS器件的两种方法的流程图。

图13示出了用于操作本文描述的MEMS器件的第一方法1300的流程图。方法1300包括：通过在第一时间间隔期间施加势能(例如，电压信号)以增大第一子腔的容积并且减小第二子腔的容积，使可横向偏转元件在第一方向上横向变形1302，以影响环境流体。此外，方法1300包括：通过在第二时间间隔期间施加势能以增加第二子腔的容积并且减小第一子腔的容积，使可横向偏转元件在相反的第二方向上横向变形1304，以用于影响环境流体。

方法1300可以基于所施加的势能来提供对环境流体的受控操纵。由于腔中的可横向偏转元件和无源元件的设计，MEMS器件的可用区域可以在很大程度上用于影响环境流体。方法1300可以用于将MEMS器件作为致动器来操作。

以上结合所描述的另外的实施例(例如，图1至图10)描述了方法1300的进一步的细节和方面。方法1300可以包括根据另外的实施例的一个或更多个可选特征。

图14展示了用于操作本文描述的MEMS器件的第二方法1400的流程图，其中，可横向偏转元件和无源元件可以相对于第一腔的侧壁横向移动，以根据于环境流体调整第一子腔和第二子腔的容积。方法1400包括在由于由可横向偏转元件和无源元件相对于第一腔的侧壁移位所施加的外力而引起横向变形时，通过可横向偏转元件输出势能1402(例如，电压信号)。

由于腔中的可横向偏转元件和无源元件的设计，MEMS器件的可用区域可以在很大程度上用于感测环境流体。方法1400可以用于将MEMS器件作为传感器来操作。

以上结合所描述的另外的实施例(例如，图1至图10)描述了方法1400的进一步的细节和方面。方法1400可以包括根据另外的实施例的一个或更多个可选特征。

因此，本公开的实施例尤其涉及：

一种具有增大的流体有效区域的MEMS换能器，包括致动器(有源元件)和无源元件。

在实施例中，致动器在一侧连接至基底。

在实施例中，无源元件在其自由振动端部处刚性地连接，并且跟随致动器的运动。

在实施例中，无源元件具有的刚度至少与致动器的刚度相当或大于致动器的刚度。

在实施例中，无源元件是杆形的。

在实施例中，无源元件在平面视图中具有可变厚度，在到致动器的连接点处具有最大几何尺寸并且在自由振动端部处具有最小几何尺寸。

在实施例中，单侧夹持的弯曲换能器的横向变形基于势能发生。

在实施例中，无源元件的长度是致动器的长度的20％-160％、优选地60％-100％、并且更优选地80％。

在实施例中，换能器系统中的相邻换能器被布置成彼此相对夹持。

在实施例中，致动器和无源元件封闭在腔中。腔由布置在基底平面中的边缘以及盖和处理晶片形成。相邻的换能器共享共用边界。每个包括致动器和无源元件的换能器将腔分成两个子腔。

在实施例的示例中，盖和处理晶片中的开口将子腔连接至周围区域。开口可位于共用边缘上方，使得相邻子腔互连。

此外，实施例涉及控制器，该控制器被配置成用于处理输入信号以将相应的势能转换到致动器的电极上，使得电极之间的势能差导致致动器的变形。

与先前详述的示例和附图中的一项或更多项一起描述的方面和特征也可以与其他示例中的一项或更多项组合，以替换其他示例的相似特征、或将该特征附加地引入到其他示例中。

通过说明书和附图，仅呈现了本公开的原理。进一步的，本文中的所有示例通常旨在仅明确用于说明目的，以帮助读者理解本公开的原理和发明人对本领域的进步所贡献的理念。此处关于披露的原理、方面和示例以及同样的具体示例的所有陈述都包括它们的对应关系。

此外，以下权利要求在此通过引用并入详细描述中，其中每个权利要求可以作为单独的示例独立存在。虽然每个权利要求可作为单独的示例独立存在，但应注意，虽然从属权利要求在权利要求中可能涉及与一个或更多个其他权利要求的特定组合，但其他示例还可包括从属权利要求与任何其他从属权利要求或独立权利要求的主题的组合。这样的组合在此被明确地建议，除非声明不打算使用特定的组合。此外，还旨在包括任何其他独立权利要求的权利要求的特征，即使该权利要求不是直接从属于其他独立权利要求。

Claims (21)

1.一种MEMS器件，包括：

层堆叠，所述层堆叠具有形成在第一层与第三层之间的至少一个第二层，其中，在所述第二层中形成至少一个第一腔；

可横向偏转元件，所述可横向偏转元件具有自由端部和连接至所述第一腔的侧壁的端部；以及

无源元件，所述无源元件刚性地连接至所述可横向偏转元件的自由端部，以跟随所述可横向偏转元件的移动；

其中，所述可横向偏转元件和所述无源元件将所述第一腔分成第一子腔和第二子腔，

其中，所述第一子腔经由至少一个第一开口与所述MEMS器件的环境流体接触，

其中，所述第二子腔经由至少一个第二开口与所述MEMS器件的所述环境流体接触，以及

其中，所述至少一个第一开口形成在所述第一层和所述第三层中的、与所述至少一个第二开口不同的另一个层中。

2.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述无源元件的刚度大于或等于所述可横向偏转元件的刚度。

3.根据权利要求1或2所述的MEMS器件，其中，所述无源元件沿着所述第二层的厚度方向的延伸等于所述可横向偏转元件沿着所述第二层的厚度方向的延伸。

4.根据权利要求1或2所述的MEMS器件，其中，所述无源元件沿着所述第二层的厚度方向的延伸至少部分地小于所述可横向偏转元件沿着所述第二层的厚度方向的延伸。

5.根据权利要求1或2所述的MEMS器件，其中，所述无源元件沿着所述无源元件的纵向延伸的横截面小于所述可横向偏转元件沿着所述可横向偏转元件的纵向延伸的横截面。

6.根据权利要求1或2所述的MEMS器件，其中，所述无源元件的横截面从所述无源元件的与所述可横向偏转元件连接的端部向所述无源元件的自由端部减小。

7.根据权利要求1或2所述的MEMS器件，其中，在所述无源元件中形成至少一个中空空间。

8.根据权利要求1或2所述的MEMS器件，其中，所述无源元件的纵向延伸与所述无源元件的横向延伸的比率大于10：1。

9.根据权利要求1或2所述的MEMS器件，其中，所述无源元件的纵向延伸在所述可横向偏转元件的纵向延伸的20％与160％之间。

10.根据权利要求1或2所述的MEMS器件，其中，所述第一腔由两个另外的侧壁界定，其中，所述可横向偏转元件在所述两个另外的侧壁之间沿着所述可横向偏转元件的纵向延伸而延伸，并且其中，所述另外的侧壁的相应路线至少部分地适配于所述可横向偏转元件的外轮廓。

11.根据权利要求1或2所述的MEMS器件，其中，分隔件进一步地形成在所述第一腔中，所述分隔件与所述可横向偏转元件和所述无源元件一起将所述第一腔分成所述第一子腔和所述第二子腔，其中，在所述分隔件与所述无源元件的自由端部之间形成间隙，以使得所述无源元件能够相对于所述分隔件移动。

12.根据权利要求1或2所述的MEMS器件，其中，所述第一子腔经由两个第一开口与所述MEMS器件的所述环境流体接触，其中，所述两个第一开口中的一个第一开口布置在所述第一子腔的区域中，所述可横向偏转元件在所述第一子腔的所述区域中延伸，并且其中，所述两个第一开口中的另一个第一开口布置在所述第一子腔的不同的区域中。

13.根据权利要求1或2所述的MEMS器件，其中，所述可横向偏转元件被配置成在施加第一势能时横向变形，使得所述可横向偏转元件和所述无源元件相对于所述第一腔的侧壁移动，以交替地减小和增大所述第一子腔的容积，而相反地交替地增大和/或减小所述第二子腔的容积以影响所述环境流体。

14.根据权利要求1或2所述的MEMS器件，其中，所述可横向偏转元件和所述无源元件可相对于所述第一腔的侧壁横向移动，以根据所述环境流体调整所述第一子腔和所述第二子腔的容积，并且其中，所述可横向偏转元件被配置成在横向变形时输出第二势能，所述横向变形是因通过所述可横向偏转元件和所述无源元件相对于所述第一腔的侧壁的位移而施加的外力所引起的。

15.根据权利要求1或2所述的MEMS器件，其中，所述可横向偏转元件包括第一电极层和第二电极层，在所述第一电极层和所述第二电极层之间形成非导电层，其中，所述可横向偏转元件被配置成用于：

在向所述第一电极层和所述第二电极层施加第一电压信号时横向变形；和/或

在由于外力施加引起的横向变形时，在所述第一电极层和所述第二电极层产生第二电压信号。

16.根据权利要求1或2所述的MEMS器件，进一步包括：

第二腔，所述第二腔形成在所述第二层中；

另外的可横向偏转元件，所述另外的可横向偏转元件具有自由端部和连接至所述第二腔的侧壁的端部；

另外的无源元件，所述另外的无源元件刚性地连接至所述另外的可横向偏转元件的自由端部，以跟随所述另外的可横向偏转元件的移动；

其中，所述另外的可横向偏转元件和所述另外的无源元件将所述第二腔分成第三子腔和第四子腔，

其中，所述第三子腔经由至少一个第三开口与所述MEMS器件的所述环境流体接触，

其中，所述第四子腔经由至少一个第四开口与所述MEMS器件的所述环境流体接触，并且

其中，所述至少一个第三开口形成在所述第一层和所述第三层中的、与所述至少一个第四开口不同的另一个层中。

17.根据权利要求16所述的MEMS器件，其中，所述第一腔的侧壁与所述第二腔的侧壁彼此相对，所述第一腔和所述第二腔彼此相邻，使得所述第一腔和所述第二腔各自由如下的共用的另外的侧壁来界定：所述共用的另外的侧壁沿着所述可横向偏转元件的纵向延伸而延伸，并且沿着所述另外的可横向偏转元件的纵向延伸而延伸。

18.根据权利要求17所述的MEMS器件，其中，所述至少一个第二开口和所述至少一个第四开口形成在所述第一层和所述第三层的同一层中，并且形成连续的开口。

19.一种组件，包括：

根据权利要求1或2所述的至少一个MEMS器件；以及

控制电路，所述控制电路被配置成用于为所述至少一个MEMS器件的所述可横向偏转元件提供至少第一势能，以使所述可横向偏转元件作为致动器而运行，以影响所述环境流体；和/或

测量电路，所述测量电路被配置成用于测量所述可横向偏转元件的至少第二势能，以使所述可横向偏转元件作为用于所述环境流体的传感器而运行。

20.一种用于操作根据权利要求1或2所述的MEMS器件的方法，所述方法包括：

通过在第一时间间隔内施加势能以增大所述第一子腔的容积并且减小所述第二子腔的容积，使所述可横向偏转元件在第一方向上横向变形，以影响所述环境流体；以及

通过在第二时间间隔内施加所述势能以增大所述第二子腔的容积并且减小所述第一子腔的容积，使所述可横向偏转元件在相反的第二方向上横向变形，以影响所述环境流体。

21.一种用于操作根据权利要求1或2所述的MEMS器件的方法，其中，所述可横向偏转元件和所述无源元件相对于所述第一腔的侧壁横向移动，以根据所述环境流体调整所述第一子腔和所述第二子腔的容积，其中，所述方法包括：

在由所述可横向偏转元件和所述无源元件相对于所述第一腔的侧壁的位移所施加的外力而引起横向变形时，通过所述可横向偏转元件输出势能。