TW202441979A - 用於微機電系統麥克風之電極 - Google Patents

Abstract

本發明係關於用於微機電系統(MEMS)麥克風的分叉電極。在一個實施例中，MEMS感測器包括膜、形成在膜的一部分中的膜電極、以及平行於膜定位並由間隙分隔的背板。背板包括背板的第一區域，其中，背板的第一區域具有第一密度的數個第一穿孔，背板電極形成在背板的第一區域的一部分中，並且膜電極的一部分在形成感測電容器的感測區域中與背板電極的一部分重疊，所述感測電容器被配置為響應於聲壓而感測膜的運動。背板還包括背板的具有第二密度的數個第二穿孔的第二區域，其中，第二密度大於第一密度。

Description

用於微機電系統麥克風之電極

相關申請的交叉引用

本申請要求2022年11月23日提交的標題為“用於麥克風的分叉電極(SPLIT ELECTRODES FOR MICROPHONES)”的美國臨時專利申請案第63/384,791號和2023年6月9日提交的標題為“用於麥克風的分叉電極(SPLIT ELECTRODES FOR MICROPHONES)”的美國臨時專利申請案第63/507,218號的優先權，其全部申請通過引用合併於本文。

本主題揭露一般係關於微機電系統(MEMS)裝置，更具體地，係關於MEMS麥克風。

MEMS麥克風通常具有隔膜，隔膜與下面的背板形成可變電容器。接收到可聽信號以導致隔膜振動，從而產生表示可聽信號的可變電容信號。這種可變電容信號，其可被放大、記錄或以其他方式傳輸到另一個電子裝置。

MEMS麥克風中有三種噪聲源，即特殊應用積體電路(application-specific integrated circuit；ASIC)、MEMS和封裝。由這些源中的一個或多個引 起的噪聲可能降低上述可變電容信號的品質，例如，在信噪比(signal-to-noise ratio；SNR)和/或其他度量方面。MEMS麥克風的隔膜通常被配置為由一個或多個層組成的膜，並且此膜和背板之間的阻尼可能是MEMS噪聲的原因。因此，希望在MEMS麥克風中實現提高MEMS SNR和/或減少由MEMS和/或其他源引起的噪聲的技術。

本揭露的一個或多個態樣通常針對MEMS麥克風及其組件，例如膜和/或背板。通過採用如本文所述的各種實現方式，通過減少由與麥克風相關聯的MEMS聲學感測器貢獻的噪聲量，可以在通過信噪比(SNR)和/或其他度量測量的信號品質方面改進MEMS麥克風的性能。

如本文所用，微機電(MEMS)系統可指使用類似半導體的製程製造並表現出機械特性(如移動或變形的能力)的各種結構或裝置中的任何一種。例如，這樣的結構或裝置可以與電性信號相互作用。作為非限制性示例，MEMS聲學感測器可以包括MEMS換能器和電性介面。此外，MEMS結構或裝置可以包括但不限於陀螺儀、加速度計、磁力計、環境感測器、壓力感測器、聲學感測器或麥克風以及射頻組件。

在本文公開的一個態樣中，MEMS感測器，例如MEMS聲學感測器，包括膜、形成在膜的一部分中的膜電極以及平行於膜定位並由間隙分隔的背板。背板包括背板的第一區域，其中，在第一區域中形成第一密度的數個第一穿孔，在第一區域的一部分中形成背板電極，並且膜電極的一部分與形成感測電容器的感測區域中的背板電極的一部分重疊。感測電容器被配置為響應於聲壓而 感測膜的運動。背板還包括背板的第二區域，第二密度的數個第二穿孔形成在第二區域中，其中，第二密度大於第一密度。

在本文揭露的另一個態樣中，MEMS感測器，例如MEMS聲學感測器，包括膜、形成在膜的一部分中的膜電極、平行於膜定位並通過間隙與膜分離的背板以及形成在背板的一部分中的背板電極。膜電極在形成感測電容器的感測區域中與背板電極至少部分地重疊。MEMS感測器還包括感測電路，其耦合到感測電容器並且被配置為響應於聲壓而感測膜的運動。此外，感測區域位於遠離膜響應於聲壓的最大運動點的位置。

在本文揭露的另一個態樣中，MEMS聲學感測器包括膜、形成在膜的一部分中的膜電極以及平行於膜定位並由間隙分隔的背板。背板包括背板的具有第一密度的數個第一穿孔的第一區域、背板的具有第二密度的數個第二穿孔的第二區域、形成在背板的一部分中的背板電極，第二密度大於第一密度。膜電極的一部分在形成感測電容器的感測區域中與背板電極的一部分重疊，並且感測電容器被配置為響應於聲壓而感測膜的運動。背板的第一區域包圍膜響應於聲壓的最大運動點，背板的第二區域遠離膜響應於聲壓的最大運動點。

以下將更詳細地描述其他實施例以及各種示例、場景和實現方式。以下描述和附圖闡述了說明書的某些說明性實施例。然而，這些實施例僅指示可以採用本說明書的原理的各種方式中的一些方式。當結合附圖考慮時，所描述的實施例的其他優點和新穎特徵將從以下描述中變得明顯。

現在參考附圖，提供了示例性MEMS麥克風組件的各種視圖。需注意的是，無論是在單個圖式內還是在不同圖式之間，圖式都不是按比例繪製的。

10:膜、膜部分

11:膜邊緣

20:背板電極

22:電極、膜電極

23:電容、感測元件

24、25:連接器

26:膜電極

27:偏置電阻

28:高通濾波器

29:單位增益緩衝器

30:背板

32:第一區域

34:第二區域

40:間隙

50:外圍孔

60:屏蔽電極

70:溝槽

100:MEMS聲學感測器、感測器

100B:MEMS感測器、感測器

110:感測區域

200:MEMS裝置

210:電容式感測元件

220:電容式感測電路、感測電路

400、500、600、700、800、1100、1200、1300、1400、1500:感測器

900:聲學感測器或麥克風背板

910:中心區域

920:邊緣區域

930:過渡區域

940、1010:邊緣圖案孔

1000:聲學感測器或麥克風背板

參考以下附圖描述本標的揭露的非限制性實施例，其中，除非另有規定，在各個視圖中，相同的元件符號指代相同的部件：

圖1A是描繪如本文所述的示例性MEMS麥克風或聲學感測器中對聲壓的響應的截面圖。

圖1B是描繪根據本揭露的各種實施例配置的MEMS聲學感測器的簡化俯視透視圖。

圖2A是描繪MEMS聲學感測器的示例性感測電路的框圖。

圖2B是描繪MEMS聲學感測器的示例性感測電路的電路圖。

圖3是描繪圖1中所示的MEMS聲學感測器的簡化側視透視圖。

圖4是描繪根據本揭露的各種實施例配置的MEMS聲學感測器的簡化俯視透視圖。

圖5A是描繪如本文所述的示例性MEMS麥克風或聲學感測器中對聲壓的響應的截面圖。

圖5B是根據圖5A所示之實施例配置的MEMS聲學感測器的簡化俯視透視圖。

圖6至圖8是描繪根據本揭露的各種實施例配置的各個MEMS聲學感測器的簡化俯視透視圖。

圖9至圖10是描繪與本文所描述的示例性MEMS聲學感測器或麥克風背板相關聯的非限制性態樣的圖。

圖11至圖14是描繪根據本揭露的各種實施例配置的各個MEMS聲感測器的附加簡化俯視透視圖。

圖15是描繪根據本揭露的各種實施例配置的包括屏蔽電極的MEMS聲學感測器的簡化俯視透視圖。

圖16是描繪根據本揭露的各種實施例配置的示例性MEMS麥克風膜和背板的俯視透視圖。

圖17是描繪根據本揭露的各種實施例配置的示例MEMS麥克風膜和背板的等距視圖。

圖1A是示例性MEMS聲學感測器100的簡化截面，其示出了對MEMS麥克風中的聲壓的響應。如圖1A所示，感測器100可以包括膜10，其響應於氣壓而彎曲，例如，由聲學信號產生的氣壓，在圖1A中表示為輸入壓力。膜10的面積在圖1A中表示為A_m。膜10通過間隙與背板30分離。如圖1A所示的感測器100包括兩個背板電極20，其中，每個電極具有1/2 A_c的總面積，其中，Ac是與感測器100相關聯的總電極面積。形成在背板30上的背板電極20和形成在膜10上的膜電極(圖1A中未示出)形成可變電容器C_MEMS，其表現出取決於膜10的偏轉量的電容變化。然後可以通過測量在各個背板電極20處產生的電容變化來捕獲聲學信號。感測器100的位於膜10和具有背板30定位在其中的感測器的殼體之間的區域，被稱為感測器100的後體積(back volume)，且感測器100的後體積壓力被表示為P_BV。

由於膜10的彎曲會導致感測器100內的空氣位移，因此背板30可以穿孔，以使空氣能夠穿過背板。然而，儘管存在穿孔，背板30仍能阻止空氣的這種通過。這種阻力反過來會產生噪音。目前存在用於減少經由背板的空氣阻力引起的MEMS噪聲的技術，但是這些技術中的每一個都存在關聯缺點。例如，可以通過增加MEMS面積(例如，膜和背板的面積)來提高MEMS SNR，但是增加MEMS面積會導致麥克風晶片的增大以及生產成本的增加。作為另一個示例，可以減小背板中的孔間距以允許更大的氣流通過背板，但這可能會減少感測器產生的信號，並且還會損害背板的機械强度。作為進一步的示例，可以在膜和背板之間形成真空，但是這樣做顯著地增加了感測器的複雜性，例如，由於在存在真空的情況下需要額外的機械部件來連接膜和背板，而且也需要製造感測器的過程複雜性及其相關成本。

為了進一步實現上述和/或相關目的，本文描述的各種實施例可以減少MEMS感測器背板的阻尼、空氣阻力和/或其他品質的影響，以減少與背板相關的噪聲並增加裝置SNR。在一些實施例中，可以使用多區域背板，其中背板的各個區域具有不同的穿孔圖案，這可以降低背板的整體阻力。在一個示例中，背板的第一區域可以具有第一尺寸或密度的數個孔或穿孔，背板的第二(不同的)區域可以具有第二(不同的)尺寸或密度的數個孔或穿孔。在另一個示例中，背板可以明顯小於其對應的膜，例如，使得開口形成在背板各面積之間。

在本文提供的其他實施例中，MEMS感測器的感測電極被定位為遠離膜的最大運動點，例如膜的中心。在其他優點中，以這種方式使用的偏移感測電極(offset sensing electrodes)可以相對於使用位於中心的電極的類似裝置來減少膜和背板之間的阻尼。

儘管本文中描述了與MEMS聲學感測器和相關麥克風相關的各種示例，但應注意，與本文中描述的概念類似的概念也可應用於其他類型的感測器或裝置。例如，與本文所述結構類似的結構可用於改善電容式壓力感測器、電容式微機械超聲換能器(capacitive micromachined ultrasonic transducer；CMUT)和/或任何其他電容式MEMS感測器裝置的性能。應注意，除非另有明確說明，否則說明書和所要求保護的標的不旨在限於任何特定類型的感測器。

現在參考圖1B，呈現了MEMS感測器100B的簡化俯視透視圖，例如，根據本揭露的各個實施例配置的MEMS聲學感測器。應注意，與本文所描述的技術類似的技術可應用於其他形狀的MEMS感測器，例如多邊形(例如，六邊形、八邊形等)、圓形或橢圓形和/或其他合適形狀。下面參照圖11至圖15描述圓形MEMS感測器的各個示例。

圖1B中所示的MEMS感測器100B包括膜10，膜10可以由適合於實現膜10的柔性的任何材料組成。如圖所示，膜10可以被夾緊、錨定和/或以其他方式附接到MEMS感測器100B的周邊的一個或多個側面。本實施例中，膜10附接到感測器100B的短邊緣，即，如圖1A所示的左邊緣和右邊緣。儘管為了說明的目的，膜10被示為偏離感測器100B的短邊緣，但應注意的是，在一些實施例中，膜10可以橫跨感測器100B整個長度。應注意的是，在圖1B和隨後的附圖中，為了簡化說明，膜10被示為透明的。

如圖1B進一步所示，各個電極可以形成為膜10的各個部分，例如，對應於感測區域110的部分。為了清楚起見，形成在膜10中的電極在本文中被稱為膜電極。如圖1B另外所示，MEMS感測器可以包括背板30，背板30平行於膜10定位，例如，使得膜10相對於圖1B中所示的視圖位於背板30上 方，視圖在頁外方向上從圖1B中示出的視圖延伸。此外，膜10可以通過間隙與背板30分離，以便於電容感測，如下面將描述的。

在一些實施方式中，背板30可以與膜的連接正交地附接或連接到感測器100B的周邊(例如，與感測器殼體相關聯)。因此，在圖1B所示的示例中，膜10可以錨定在感測器100B的周邊的短邊上，並且背板30可以附接到感測器100B周邊的兩個長邊上。也可以使用其他技術。

圖1B中所示的背板30可以穿孔，以在背板30中包括孔或開口，如圖1B中背板30的圖案所示。雖然圖1B中所示的背板30具有單一密度(尺寸)的數個穿孔，但是其他實施方式可以包括具有不同穿孔密度的不同區域的背板，或者基本上小於膜的不連續背板，其將在下面進一步詳細描述。

圖1B中所示的背板30可以包括形成在背板30的一部分中的各個電極，即背板電極20。背板電極20可以在各個感測區域110中至少部分地與上述膜電極重疊。結果，感測區域110形成感測電容器，其可被配置為響應於聲壓而感測膜10的運動。在感測電極和背板電極之間施加電壓差，以便感測由於聲壓引起的膜的運動。

膜10的運動導致膜電極和背板30之間的間隙變化，從而導致膜電極與背板30之間電容的變化。如本文中所使用的，感測區域110是指膜電極和背板之間或膜和背板電極之間的重疊區域。感測區域110經由連接器25電性耦合到感測電路。連接器25可以通過例如包括背板電極和膜電極的重疊面積的路由區域(routing region)來實現，從而形成路由電容器(routing capacitor)。路由電容器可以被配置為使得路由電容器的電容響應於聲壓的變化小於感測電容器的電容響應於聲壓的對應變化。

如圖1B中進一步所示，感測區域110位於遠離膜的響應於聲壓的最大運動點的位置，例如，膜10的中心。結果，減少了由膜的偏轉產生的信號以及由背板30的聲阻(acoustic resistance)產生的噪聲量。噪聲的減少大於信號的減少，從而產生更好的信噪比。

在圖1B所示的示例中，各個感測區域110相對於膜10的中心對稱偏移，這可能導致感測器捕獲的信號相對於將通過單個感測區域110捕獲的信號大約加倍。例如，這可以用於補償與將感測區域110放置在排除膜10的最大運動點的面積中相關聯的降低的靈敏度。圖1B中所示的感測器的靈敏度也可以通過增加膜10的順應性(compliance)來提高，例如通過減少膜10上的張力量來提高。也可以使用其他用於提高靈敏度的技術，例如減小膜10和背板30之間的間隙的大小，在背板20和膜10之間施加額外的電壓差，和/或其他技術。

圖2A顯示了MEMS聲學感測器的框圖，在此是通過MEMS裝置200實現的聲學感測器。聲學感測器包括電容式感測元件210，電容式感測元件210可以電容感測施加到MEMS裝置200的聲壓。在一個實施例中，電容式感測元件210可以經由電極來實現，所述電極形成在與MEMS裝置200相關聯的膜或背板中的其中一者中，其與膜和背板中的另一者重疊，例如，在上面關於圖1B所述的感測區域110處。電容式感測元件210電性耦合到電容式感測電路220，電容式感測電路220可以產生表示施加到電容式感感測元件210的聲壓的輸出信號。

圖2B示出了電容式感測電路220的示例實現方式，其可以測量由於聲壓的變化而引起的MEMS電容23(C_MEMS)的變化。向感測電路220施加偏置電壓V_b，感測電路220向偏置電阻27以及包括背板電極20和膜電極10 26的感測元件23饋電。在一些實施例中，感測元件23電性耦合到高通濾波器(high-pass filter；HPF)28，高通濾波器28包括HPF電阻(R_HPF)和HPF電容(C_HPF)。圖2B中所示的HPF 28電性耦合到單位增益緩衝器29，單位增益緩衝器29響應於聲壓而產生電容式感測電路220的輸出信號(V_o)。

現在轉到圖3，描繪了圖1B中所示的MEMS感測器100B的簡化側透視圖。如圖3所示，膜10和背板30由間隙40分開，形成可變電容器，可變電容器表現出與施加在膜10上的聲壓量相關的電容。感測區域110由膜10和背板30中的電極的重疊形成。在圖3中，在膜上形成的電極用22表示。可以測量感測區域110的電容，其對應於膜電極22和形成在背板30中的電極之間的重疊，以獲得聲學信號。雖然在圖3中所示的感測區域110與膜10和背板30分離，但應注意的是，感測區域110可以通過分別形成在膜10和背板30中的電極來實現。在其他實施例中，電極可以形成在膜或背板上。

圖4示出了具有膜10和背板30的另一示例矩形MEMS感測器400，其可以以與圖1B中所示的感測器100B類似的方式定位。類似於圖1B中所示的感測器100B，圖4中所示感測器400的膜10和背板30可以彼此平行地定位並且通過間隙40分開，例如，如圖3中所示。另外，與圖1B中所示的感測器100B類似，感測區域110可以具有分叉電極(split electrode)配置，分叉電極配置具有一個或多個膜/背板電極，這裏是兩個膜/背板電極，形成在膜10的對應於感測區域110的部分中。膜10也可以以與圖1B中所示的感測器100B類似的方式沿著膜10的兩側錨定、夾緊和/或以其他方式附接。此外，感測區域110可以以與圖1B中的感測器100B類似的方式經由連接器25電性耦合到感測電路。

如圖4進一步所示，感測器400的背板30可以包括多個區域，在此是兩個第一區域32和一個第二區域34。圖4中所示的背板30的第一區域32位於感測器400的任一側，即鄰近膜10的相應邊緣，並且可以具有第一尺寸或密度的數個孔或穿孔。背板30的第二區域34位於與膜10的最大偏轉點相對應的位置處，即，位於背板30的中心處，並且可以具有第二尺寸或密度的數個孔或穿孔，第二尺寸或密度大於第一尺寸或密度。換言之，背板30的第一區域32可以被稱為低孔密度區域，其中以這種方式使用的“密度”被定義為所述區域中穿孔的總面積除以所述區域的總面積，背板30的第二區域34可以被稱作高孔密度區域。通過在背板30的第二區域34中利用與背板30的感測區域110所在的第一區域32相比更高的孔密度，例如，由於在第一區域32處增加的穿過背板30的氣流，可以在背板30的第一區域32處減小膜10和背板30之間的阻尼。

以與圖1B中所示的感測器100B類似的方式，背板電極可以形成為背板30的第一區域32的部分，例如，對應於感測區域110，感測區域110可以形成感測電容器，感測電容器被配置為感測響應於聲壓而感測膜10的運動。雖然在圖4所示的示例中，背板30的第一區域32和它們對應的背板電極從膜的中心對稱地偏移，例如，以與圖1B所示的背板電極類似的方式偏移，但是要注意的是，可以以任何合適的方式將第一區域32和/或它們對應的電極定位在感測器內。

在一些實施方式中，額外的電極(在本文中稱為屏蔽電極(shield electrode)60)可以形成在背板30的第二區域34中，或者形成在膜10的與背板30的第一區域34相鄰的部分中，並且經由與膜10連接的連接器24電性耦合到 電路，以便減小作用在膜上的靜電力，進而減小膜10的偏轉。屏蔽電極60在下文中係關於圖15進一步詳細地描述。

圖5A示出了具有分叉電極配置的另一示例MEMS感測器500的橫截面，而圖5B示出了俯視圖，分叉電極配置包括與圖4中所示的膜10類似的膜10。與圖4所示的感測器400的多區域背板相反，背板的高密度穿孔區域被去除，例如，使得在感測器500的中心和/或以圖5A至圖5B所示的方式沿著感測器500的側面存在單一開口，從而產生兩個不同的背板30。在圖5所示的示例中，整個背板30或基本上所有背板30可以與背板電極相關聯，使得感測器500的感測區域110占據背板30的全部或基本上全部的面積。在各種實施方式中，圖5B中所示的背板可用於進一步減小膜10和背板30之間的阻尼，而圖4中所示之多區域背板可用於例如在過壓的情況下增加感測器400的機械強韌性(robustness)。

接下來參考圖6，示出了示例矩形MEMS感測器600，其包括可根據上述各種實施例配置的膜10。感測器600還包括背板30，背板30具有一個第一區域32和兩個第二區域34，例如，它們可以分別包括低密度穿孔和高密度穿孔，它們類似於上面關於圖4所描述的那些。這裏，膜電極在與膜10的中心相對應的面積處形成在膜10中，並且背板電極可以形成在背板30的第一區域32中。如圖6中所示，背板電極可以從背板30的第一區域32延伸到背板30的第二區域34的一部分中，從而產生延伸超過背板30之第一區域32的周邊的感測區域110。感測區域110可以以與圖1B中的感測器100B類似的方式經由連接器25電性耦合到感測電路。

現在轉到圖7，示出了另一個示例矩形MEMS感測器700，其包括可以根據上述各種實施例配置的膜10。相對於圖5B中所示的感測器500，圖7中所示感測器700的背板30的第一區域32被定位成更靠近膜10的中心，並且背板30的另外的第二區域34可以被定位在感測器700的相應邊緣處。作為圖7所示的感測器700的替代方案，背板30的第二區域34中的一個或多個可以例如以與圖5B所示類似的方式由單個大孔或開口代替。

圖8示出了另一示例矩形MEMS感測器800，其可以包括膜10和背板30，背板30具有與圖7所示的第一區域32和第二區域34類似的第一區域32和第二區域34。此外，圖8所示的感測器800還包括沿著背板30的外圍(周邊)的外圍孔50的區段。外圍孔50可以小於與背板30的第一區域32和第二區域34相關聯的背板孔，並且可以沿著背板30的周邊定位，以改善背板30沿著其邊緣的應力分布。

圖9至圖10描繪了可用於感測器800中的外圍孔50的非限制性示例圖案。首先參考圖9，描繪了與示例MEMS聲學感測器或麥克風背板900相關聯的非限制性態樣。圖9示出了背板900具有中心區域910、邊緣區域920以及過渡區域930的示例MEMS背板結構的一個分區，中心區域910的特徵在於朝向MEMS聲學感測器或麥克風背板900的中心的較大中心孔的均勻尺寸和分布，邊緣區域920的特徵在於MEMS聲學感測器或麥克風背板900的桿狀或膠囊形輪廓中的邊緣圖案(外圍)孔940的均勻尺寸和分布，以及過渡區域930的特徵在於邊緣區域920和中心區域910之間的過渡孔的不規則尺寸和分布。

圖10示出了與本文所述的另一示例MEMS聲學感測器或麥克風背板1000相關聯的非限制性態樣。圖9示出了示例性MEMS背板結構的一個分 區，其中MEMS聲學感測器或麥克風背板1000包括中心區域910、邊緣區域920和過渡區域930，這些區域可以以與上面關於圖9描述的方式類似的方式布置。這裏，邊緣區域920的特徵在於用於MEMS聲學感測器或麥克風背板1000的液滴形輪廓中的邊緣圖案(外圍)孔1010的均勻尺寸和分布。

接下來參考圖11至圖15，示出了通常為圓形的MEMS感測器的各個示例，例如MEMS聲學感測器。雖然圖11至圖15示出了圓形感測器的示例，但應注意，在不脫離本說明書或所要求保護的標的的範圍的情況下，與以下關於圖11至圖15描述的那些概念類似的概念也可應用於具有夾緊/錨定外圍的任何形狀的感測器，例如橢圓形感測器和/或任何其他合適形狀(例如，正方形、矩形、六邊形、八角形等)的感測器。

現在參考圖11，示出了根據本揭露的各個實施例配置的示例性圓形MEMS感測器1100，例如MEMS聲學感測器。如上所述，雖然圖11示出了圓形感測器1100，但是與圖11中所示的概念類似的概念可以用於橢圓形感測器，例如，通過利用不同的長軸和短軸，和/或具有錨定邊緣的任何其他形狀。在圖11和隨後的附圖中，膜邊緣由11表示。圖11中所示的感測器1100包括膜10，膜10可以由與上述示例矩形感測器類似的材料構成，和/或使用類似的製程製造。這裏，膜10具有與感測器1100相同的形狀，例如圓形(或橢圓形)，並且可以在感測器1100的至少周邊周圍附接到感測器1100。雖然為了說明的目的，在圖11中示出了從感測器1100的邊緣設置的膜10，但應注意的是，在一些實施方式中，膜10可以完全延伸到感測器1100的邊緣。此外，應注意，圖11中所示的膜10以及圖12至圖15中所示的將在下文中進一步詳細描述的膜10， 係以與上述矩形感測器類似的方式，出於圖示的清楚性的目的，被圖示為透明的。

如圖11進一步所示，感測器1100包括背板30，背板30的形狀與感測器1100和膜10的形狀相同。這裏，背板30包括橫跨整個感測器1100的單個區域。也可以使用多區域背板，這將在下面進一步詳細描述。圖11中所示的感測器1100還包括圍繞感測器1100的周邊的數個外圍孔或穿孔50，其可以包括比背板30的孔更小的孔，例如，如以上關於圖9至圖10所述者。

與上述矩形感測器類似，各個電極可以形成在膜10和背板30中，並且這些電極可以在形成可變感測電容器的感測區域110中至少部分重疊。在圖11所示的示例中，感測區域110形成環形，即環形或“圓環”形狀。然而，要注意的是，感測區域110可以是具有去除的中心部分的任何合適的形狀。另外，類似於上述矩形感測器，感測區域110可以經由連接器25連接到感測電路。

轉到圖12，示出了另一個示例性圓形MEMS感測器1200，其包括膜10和背板30，背板30以與上述感測器1100類似的方式具有外圍孔50。此外，如圖12所示的感測器1200具有環形感測區域110，其可以以與感測器1100類似的方式經由膜和背板電極形成。感測區域110可以以與圖11中的感測器1100類似的方式經由連接器25電性耦合到感測電路。

與圖11所示的感測器1100不同，感測器1200具有多區域背板30，其包括位於感測器1200的邊界周圍和感測區域110之任一側上的第一孔密度的第一區域32。背板30還具有第二孔密度的第二區域34，第二孔密度大於第一區域32的第一孔密度，例如，如基於相對於各個區域的面積的總孔面積所定義者。背板30的第二區域34可以具有與感測器1200相同的形狀，例如圓形 (或橢圓形)，並且可以定位在膜10的中心附近。背板30的第一區域32可以占據背板30的剩餘部分，例如，圍繞背板30的第二區域34形成環。

圖13示出了可以根據本揭露的各種實施例配置的附加示例圓形MEMS感測器1300。圖13中所示的感測器1300包括膜10和背板30，背板30可以具有與感測器1300相同的形狀，並且通常以與上面關於圖11至圖12描述的方式類似的方式位於感測器1300內。雖然圖13中所示的背板30不包括外圍孔50，但是應當注意，外圍孔50可以以與上述類似的方式添加到背板30。

圖13中所示的感測器1300的背板30包括第一區域32，其定位在感測器1300的中心周圍並且具有相對低密度的數個穿孔。背板30還包括密度相對較高的數個穿孔的第二區域34，數個穿孔沿著感測器1300的周邊延伸，形成由第一區域32和感測器1300的周邊界定的環。另外，如圖13所示，在膜10和背板30的第一區域32中，基本上圓形(或橢圓形)的電極形成在膜10的中心處或附近，從而在感測器1300的中心處和/或附近形成圓形(或橢圓)感測區域110。感測區域110可以以與圖11中的感測器1100類似的方式經由連接器25電性耦合到感測電路。

圖14示出了包括膜10和背板30的又一示例性圓形MEMS感測器1400，背板30可以以與上面關於圖11至圖13描述的感測器的方式類似的方式定位和/或構成。這裏，背板30包括三個區域，即圍繞感測器1300的中心點形成環的低密度孔的第一區域32和位於背板30的其餘部分中的高密度孔的兩個第二區域34。更具體地，第二區域34包括定位在背板30的鄰近膜10的中心的面積中的一個區域，以及位於由背板30的第一區域32和膜10的周邊界定的面積中的另一區域。如圖14進一步所示，背板電極可以形成在背板30的第一區 域32中，背板電極與形成在膜10的相應部分中的膜電極相結合，形成環形感測區域110，環形感測區域110可以在形狀和/或尺寸上類似於以上關於圖11至圖12所描述的感測區域。感測區域110也可以以與上面關於圖11至圖12描述的方式類似的方式經由連接器25電性耦合到感測電路。

接下來參考圖15，提供了根據本揭露的各個實施例配置的包括屏蔽電極60的MEMS聲學感測器1500的簡化頂部透視圖。雖然圖15中所示的感測器1500的形狀是圓形的，但應注意，類似的技術可用於任何合適形狀的感測器，例如橢圓形、正方形或矩形、六邊形、八邊形和/或任何其他形狀。如圖15所示的感測器1500包括膜10和背板30，這裏是具有均勻密度的數個孔(數個穿孔)的單個區域背板，其可以以類似於以上關於圖11所述的方式配置。雖然感測器1500在圖15中未示出為包括外圍孔50，但應注意的是，外圍孔50可被添加到感測器1500，如上文一般所述者。

如圖15所示，一個或多個屏蔽電極60可以形成在感測器1500的膜10和/或背板30中，感測器1500的各個面積不包括感測區域110。在圖15所示的示例中，存在兩個屏蔽電極60，包括在膜10的中心處或附近的一個大致圓形(或橢圓形)屏蔽電極和位於感測器1500的周邊周圍的部分環形屏蔽電極。

在一種實施方式中，屏蔽電極60可以形成在膜10或背板30中的一個，並通過連接器24電性耦合到膜10和背板30中另一個。因此，例如，形成在膜10的一部分中的屏蔽電極60可以電性耦合到背板30，並且形成在背板30的一部分中的屏蔽電極60可以電性耦合至膜10。這可以導致在感測器1300的對應於屏蔽電極60的面積處形成屏蔽電容器，以減少膜10遠離感測區域110的偏轉量。如圖15所示，感測器1500的感測區域110和/或外屏蔽電極60的部 分可以被去除和/或以其他方式省略，以便於促進這些電性連接。在一種實施方式中，屏蔽電極60可以經由連接器24電性耦合，使得屏蔽電極和膜電極或背板電極之間的電壓小於與感測器1500相關聯的偏置電壓的大約10%，以減少作用在膜10上的靜電力，從而減少膜10的偏轉。

雖然圖15中示出了兩個屏蔽電極60，但應注意的是，例如圖15所示的示例感測器可以僅具有所示屏蔽電極60中的一個和/或在圖15未示出的配置中具有一個或多個其他屏蔽電極。

參考圖16至圖17，示出了可以根據本揭露的各種實施例配置的示例MEMS麥克風膜10和背板30的各個視圖。圖16是示出背板30和膜10的頂部透視圖，背板30具有高密度和低密度穿孔區域，膜10可以例如在相對於圖16的頁外方向上放置在背板30上方。在一種實施方式中，膜10可以錨定和/或夾緊在圖16所示的感測器組件的頂側和底側，並且背板30可以附接到例如組件的左側和右側。如圖16另外所示，溝槽70可以被切割和/或以其他方式形成到膜10的側面中，以便將膜部分10與邊緣區域分離。

圖17示出了具有背板30的另一示例MEMS感測器的等距視圖，背板30具有通過大孔或開口彼此分離的兩個不同區域。膜10位於背板30上方，例如，以與圖16中所示的膜10類似的方式。圖17中所示的膜10還包括相應的溝槽70，溝槽70可以以類似於以上關於圖16所述的方式形成在膜10的側面中。雖然圖16示出了具有大致線性溝槽70的膜10的示例，但圖17示出了帶有彎曲溝槽70的示例。

在本說明書中，對“一個實施例”或“實施例”的引用是指配合實施例描述的特定特徵、結構或特性被包括在至少一個實施方案中。因此，在整 個說明書的各個地方的出現的短語“在一個實施例中”或“在實施例中”不一定都指同一實施例。此外，在一個或多個實施例中，可以以任何合適的方式組合特定特徵、結構或特性。

此外，在本說明書中，術語“或”旨在表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。也就是說，除非另有規定或上下文明確，否則“X使用A或B”旨在表示任何自然的包含性排列。也就是說，X使用A；X使用B；或者X同時使用A和B，則在上述任何情況下，“X使用A或B”均成立。此外，本說明書和附圖中使用的冠詞“一”和“一個”通常應解釋為“一個或多個”，除非另有規定或上下文明確，以單數形式表示。

此外，術語“示例”和“例如”在本文中用於表示用作實例或說明。本文中描述為“示例”或結合“例如”子句提及的任何實施例或設計不一定被解釋為比其他實施例或配置更佳或更有利。相反，使用“示例”或“例如”等術語是為了以具體的方式呈現概念。除非上下文另有明確，否則申請專利範圍和說明書中使用的術語“第一”、“第二”和“第三”等僅為清楚起見，不一定指示或暗示任何時間順序。

以上所描述的內容包括本揭露的一個或多個實施例的示例。當然，為了描述這些示例的目的，不可能描述組件或方法的每一個可想到的組合，並且可以認識到，本實施例的許多進一步的組合和排列是可能的。因此，本文揭露和/或要求保護的實施例旨在包括落入實施方式和所附申請專利範圍的精神和範圍內的所有這樣的改變、修改和變化。此外，就實施方式或所附申請專利範圍中使用的術語「包含」而言，該術語旨在以類似於術語「包括」的方式具有包含性，因為當用作申請專利範圍中的過渡詞時，「包括」被解釋為「包含」。

10:膜、膜部分

24、25:連接器

30:背板

32:第一區域

34:第二區域

60:屏蔽電極

110:感測區域

400:感測器

Claims (40)

1. 一種微機電系統(MEMS)感測器，包括：

   膜；

   膜電極，形成在該膜的一部分中；以及

   背板，定位成平行於該膜並且由間隙分隔，該背板包括：

   該背板的第一區域，其中：

   該背板的該第一區域中形成有第一密度的數個第一穿孔，

   背板電極係形成在該背板的該第一區域的一部分中，以及

   該膜電極的一部分在形成感測電容器的感測區域中與該背板電極的一部分重疊，該感測電容器被配置為響應於聲壓而感測該膜的運動；以及

   該背板的第二區域，該第二區域中形成有第二密度的數個第二穿孔，其中，該第二密度大於該第一密度。
2. 如請求項1所述的MEMS感測器，其中，該背板電極包括複數個電極。
3. 如請求項1所述的MEMS感測器，其中，該膜電極包括複數個電極。
4. 如請求項1所述的MEMS感測器，其中，該背板電極包括該背板的該第二區域的一部分。
5. 如請求項1所述的MEMS感測器，其中，該背板電極是第一背板電極，且其中，該MEMS感測器進一步包括：

   第二背板電極，形成在該背板的該第一區域中，其中，該第二背板電性耦合到該膜電極。
6. 如請求項1所述的MEMS感測器，其中，該膜電極是第一膜電極，且其中，該MEMS感測器進一步包括：

   第二膜電極，形成在該背板的該第一區域中，其中，該第二膜電極電性耦合到該背板電極。
7. 如請求項1所述的MEMS感測器，其中，該背板的該第二區域定位在該背板相對於該膜的中心偏移的面積中。
8. 如請求項1所述的MEMS感測器，其中，該背板的該第二區域定位在該背板與該膜的中心重疊的面積中。
9. 如請求項1所述的MEMS感測器，其中，該背板進一步包括複數個第一區域，該複數個第一區域包括該第一區域，且其中，該複數個第一區域的數個相應第一區域包括數個背板電極，該數個背板電極包括該背板電極。
10. 如請求項1所述的MEMS感測器，其中，該膜為矩形形狀。
11. 如請求項10所述的MEMS感測器，其中，該膜沿該膜的兩側錨定或夾緊。
12. 如請求項1所述的MEMS感測器，其中，該第二區域包括單一開口。
13. 如請求項1所述的MEMS感測器，其中，該數個第二穿孔大於該數個第一穿孔。
14. 如請求項1所述的MEMS感測器，其中，該背板的該第一區域定位在該背板鄰近該膜的中心定位的面積中。
15. 如請求項1所述的MEMS感測器，其中，該背板的該第二區域定位在該背板鄰近該膜的至少邊緣定位的面積中。
16. 如請求項1所述的MEMS感測器，其中，該膜為圓形或橢圓形。
17. 如請求項1所述的MEMS感測器，其中，該背板的該第一區域具有與該膜的形狀相同的形狀。
18. 如請求項1所述的MEMS感測器，其中，該背板的該第二區域具有與該膜的形狀相同的形狀，並且定位在該背板相對於該膜的中心偏移的第一面積中，其中，該背板的該第一區域形成圍繞該背板的該第二區域的環，且其中，該背板進一步包括：

    第三區域，該第三區域中形成有該第二密度的該數個第二穿孔，該第三區域定位於由該背板的該第一區域和該膜的周邊界定的第二面積中。
19. 如請求項1所述的MEMS感測器，其中，該第一密度是該數個第一穿孔的第一面積除以該第一區域的第二面積。
20. 如請求項1所述的MEMS感測器，其中，在該感測區域的外部的第一穿孔密度大於在該感測區域的內部的第二穿孔密度。
21. 如請求項1所述的MEMS感測器，其中：

    該膜電極的第二部分在形成路由電容器的路由區域中與該背板電極的第二部分重疊，其中，該路由區域提供到該感測電容器的電性連接，以及

    該路由電容器的第一電容響應於該聲壓的第一變化係小於該感測電容器的第二電容響應於該聲壓的第二變化。
22. 如請求項1所述的MEMS感測器，進一步包括在該背板或該膜中的第三區域，其中，該第三區域排除該感測區域。
23. 一種微機電系統(MEMS)感測器，包括：

    膜；

    膜電極，形成在該膜的一部分中；

    背板，定位成平行於該膜，且通過間隙與該膜分離；

    背板電極，形成在該背板的一部分中，其中，該膜電極在形成感測電容器的感測區域中至少部分地與該背板電極重疊；以及

    感測電路，耦合到該感測電容器，且被配置為響應於聲壓感測該膜的運動，其中，該感測區域位於遠離該膜響應於該聲壓的最大運動點的位置。
24. 如請求項23所述的MEMS感測器，其中，該感測區域包括複數個感測區域，且其中，該複數個感測區域與該膜的排除該最大運動點的相應區域相鄰。
25. 如請求項24所述的MEMS感測器，其中，該複數個感測區域中的每個感測區域相對於該膜的中心對稱偏移。
26. 如請求項23所述的MEMS感測器，其中，該膜錨定到殼體的第一相對側，且其中，該背板錨定到該殼體的至少第二相對側，該第一相對側與該第二相對側正交。
27. 如請求項26所述的MEMS感測器，其中，該殼體為圓形、橢圓形、矩形、六邊形或八邊形。
28. 如請求項23所述的MEMS感測器，其中，該背板包括：

    沿著該背板的外圍的數個外圍孔；以及

    位於該背板的中心的數個背板孔，其中，該數個背板孔大於該數個外圍孔。
29. 如請求項23所述的MEMS感測器，其中，該膜在該膜的相應邊緣處被夾緊。
30. 如請求項23所述的MEMS感測器，其中，該感測區域的形狀為環形。
31. 如請求項23所述的MEMS感測器，進一步包括：

    屏蔽電容器，其設置在該MEMS感測器的排除該感測區域的區域中，該屏蔽電容器包括形成在該膜或該背板的一部分中的屏蔽電極。
32. 如請求項31所述的MEMS感測器，其中，該屏蔽電極形成在該膜中，且電性耦合到該背板電極。
33. 如請求項31所述的MEMS感測器，其中，該屏蔽電極形成在該背板中，且電性耦合到該膜電極。
34. 如請求項31所述的MEMS感測器，其中，該屏蔽電極和該膜電極之間的電壓小於偏置電壓的10%。
35. 一種微機電(MEMS)聲學感測器，包括：

    膜；

    膜電極，其形成在該膜的一部分中；以及

    背板，其定位成平行於該膜，且由間隙分隔，該背板包括：

    該背板的第一區域，其中形成有第一密度的數個第一穿孔；

    該背板的第二區域，其中形成有第二密度的數個第二穿孔，其中，該第二密度大於該第一密度；以及

    背板電極，該背板電極形成在該背板的一部分中，

    其中，該膜電極的一部分在形成感測電容器的感測區域中與該背板電極的一部分重疊，該感測電容器被配置為響應於聲壓而感測該膜的運動，

    其中，該背板的該第一區域包圍該膜響應於該聲壓的最大運動點；及

    其中，該背板的該第二區域位於遠離該膜響應於該聲壓的最大運動點的位置。
36. 如請求項35所述的MEMS感測器，其中，該背板進一步包括：

    沿著該背板的外圍的數個外圍穿孔，其中，該數個外圍穿孔的密度低於該數個第一穿孔和該數個第二穿孔。
37. 如請求項35所述的MEMS感測器，進一步包括：

    該膜電極的第二部分在形成路由電容器的路由區域中與該背板電極的第二部分重疊，其中，該路由區域提供到該感測電容器的電性連接，

    其中，該路由電容器的第一電容響應於該聲壓的第一變化係小於該感測電容器的第二電容響應於該聲壓的第二變化。
38. 如請求項37所述的MEMS感測器，進一步包括：

    屏蔽電容器，其設置在該MEMS感測器的排除該感測區域的區域中，該屏蔽電容器包括形成在該膜或該背板的一部分中的屏蔽電極。
39. 如請求項38所述的MEMS感測器，其中，該屏蔽電容器設置在該MEMS感測器的排除該路由區域的區域中。
40. 如請求項35所述的MEMS感測器，其中，該感測區域不包括該背板的外圍。

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