一种mems元件
技术领域
1.本发明涉及微机电系统技术领域，特别是一种mems元件。
背景技术：2.在现有技术中，已经开发和生产了一种双膜结构的麦克风，该麦克风具有两个薄膜在对电极的相对两侧。这就于两个薄膜之间产生了一个可以密封的容纳空间，可以对外部环境具有不同的压力。如果降低容纳空间内的压力，该结构将显著降低与对电极相关的自噪声(mems麦克风中的主要噪声源)。
3.在现有技术中，在两个隔膜的中心存在一个通风孔，此通风孔穿过中心对电极，将导致整体结构在高压载荷下可能的应力集中，影响整体结构的刚度。
技术实现要素：4.本发明的目的是提供一种mems元件，以解决现有技术中的技术问题。
5.本发明提供了一种mems元件，包括：
6.基底，一背腔穿过所述基底；
7.振膜，与所述基底连接，并覆盖所述背腔，所述振膜包括相对设置的上膜片和下膜片，所述上膜片与所述下膜片之间形成容纳空间；
8.对电极，设于所述容纳空间内；
9.若干同心且间隔设置的支撑件，设置在所述上膜片和所述下膜片之间并与所述对电极相间隔，所述支撑件的相对两端分别连接所述上膜片和所述下膜片，至少于其中一个所述支撑件内开设有若干第一腔室；
10.其中：
11.所述mems元件于所述上膜片上对应所述第一腔室处贯穿有上通风槽、于所述下膜片上对应所述第一腔室处贯穿有下通风槽，所述上通风槽、所述第一腔室与所述下通风槽相连通。
12.如上所述的一种mems元件，其中，优选的是，所述上膜片包括若干朝向所述容纳空间凸出且相互之间间隔设置的第一凸起，所述下膜片包括若干朝向所述容纳空间凸出且相互之间间隔设置的第二凸起，若干所述支撑件、若干所述第一凸起以及若干所述第二凸起均一一对应，所述支撑件两端分别与所述第一凸起和所述第二凸起连接，所述上通风槽开设于所述第一凸起上，所述下通风槽开设于所述第二凸起上。
13.如上所述的一种mems元件，其中，优选的是，所述第一腔室仅开设于位于所述振膜周缘的所述支撑件内。
14.如上所述的一种mems元件，其中，优选的是，所述上通风槽的内径大于所述下通风槽的内径。
15.如上所述的一种mems元件，其中，优选的是，所述上通风槽的内径小于所述下通风槽的内径。
16.如上所述的一种mems元件，其中，优选的是，所述上膜片和所述下膜片的与开设若干所述第一腔室的所述支撑件对应的部分均包括第一膜层以及第二膜层，所述第一膜层较所述第二膜层更靠近所述容纳空间，所述第一凸起形成于所述上膜片的第一膜层上，所述第二凸起形成于所述下膜片的第一膜层上，所述mems元件还包括分别贯穿所述上膜片的所述第二膜层以及所述下膜片的所述第二膜层的第一通孔和第二通孔，所述第一通孔、所述上通风槽、所述第一腔室、所述下通风槽以及所述第二通孔依次连通，所述第一通孔的孔径与所述第二通孔的孔径不相等。
17.如上所述的一种mems元件，其中，优选的是，所述第一通孔的孔径与所述第二通孔的孔径均小于所述上通风槽、所述第一腔室以及所述下通风槽的内径。
18.如上所述的一种mems元件，其中，优选的是，所述上膜片与所述下膜片均为导电材料制成。或所述上膜片和所述下膜片各包括具有导电电极层的绝缘膜。
19.或所述上膜片和所述下膜片各自包括具有通过材料掺杂或注入形成的导电区域的绝缘膜。
20.如上所述的一种mems元件，其中，优选的是，每个所述支撑件均由若干同心设置的第一弧形段组成，多个所述第一弧形段环形间隔设置，所述对电极上设有若干过孔，若干所述第一弧形段分别对应收容于若干所述过孔内并与所述对电极间隔设置，每一所述第一弧形段的两端分别连接所述上膜片和所述下膜片。
21.如上所述的一种mems元件，其中，优选的是，所述上通风槽、所述第一腔室与所述下通风槽的形状均与其所对应的所述第一弧形段的形状相同。
22.与现有技术相比，本发明的所述第一腔室于所述上膜片上开设有上通风槽、于所述下膜片上开设有下通风槽，所述上通风槽与所述下通风槽相连通以构成通风结构，从而不会降低振膜的局部刚度，同时可以提高振膜的柔顺性和麦克风的灵敏度。
附图说明
23.图1是本发明所提供的实施例一的mems元件的轴测图；
24.图2是本发明所提供的实施例一的mems元件的俯视图；
25.图3是本发明所提供的实施例一的上通风槽和下通风槽的布局结构示意图；
26.图4是本发明所提供的实施例二的mems元件的俯视图；
27.图5是本发明所提供的实施例二的上通风槽和下通风槽的布局结构示意图；
28.图6是本发明所提供的实施例三的上通风槽和下通风槽的布局结构示意图；
29.图7是本发明的支撑件的结构示意图。
30.附图标记说明：
31.10-基底，11-背腔；
32.20-振膜，21-上膜片，211-上通风槽，22-下膜片，221-下通风槽，23-容纳空间，24-第一凸起，25-第二凸起，26-第一膜层，27-第二膜层，28-第一通孔，29-第二通孔；
33.30-支撑件，31-第一弧形段，32-第一腔室；
34.40-对电极。
具体实施方式
35.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
36.实施例一
37.如图1至图3所示，图1是本发明所提供的实施例一的mems元件的轴测图；图2是本发明所提供的实施例一的mems元件的俯视图；图3是本发明所提供的实施例一的上通风槽和下通风槽的布局结构示意图。
38.本发明的实施例提供了一种mems元件，包括基底10、振膜20、若干支撑件30以及对电极40，其中：
39.一背腔11穿过基底10，优选的是，背腔11的内轮廓面为圆形槽结构。
40.振膜20与基底10连接，并覆盖背腔11，振膜20包括相对设置的上膜片21和下膜片22，本实施例中，上膜片21和下膜片22均为同心设置的圆形结构，上膜片21与下膜片22之间保持预设间隙以形成容纳空间23，下膜片22位于上膜片21的下方。
41.优选的是，容纳空间23是气密密封的，容纳空间23的内部压力小于外部大气压力。其中容纳空间23的内部压力小于0.2atm，优选的是，容纳空间23内的压力等于0.1atm，在一些实施例中，容纳空间23是真空的。
42.对电极40呈悬置状态地设于容纳空间23内，常态下，对电极40与上膜片21和下膜片22之间无接触，且与支撑件30之间无机械耦合。在上膜片21和对电极40之间形成第一电容，在下膜片22和对电极40之间形成第二电容。响应于施加在上膜片21和下膜片22上的压力，上膜片21和下膜片22相对于对应的对电极40可移动，从而改变上膜片21和下膜片22与对应的对电极40之间的距离，这导致电容改变并相应地输出电信号。
43.多个支撑件30同心且间隔设置的设于容纳空间23内并与对电极40相间隔，多个支撑件30以振膜21的圆心为中心沿着振膜20的径向间隔设置，至少于其中一个支撑件30内，开设有若干第一腔室32，优选的是，第一腔室32仅开设于位于振膜20周缘的支撑件30内，在此支撑件30的局部区域，支撑件30的相对两端分别连接上膜片21和下膜片22。
44.支撑件30的作用在于保持上膜片21和下膜片22平坦，或者至少限制/控制支撑件30之间上膜片21和下膜片22的弯曲/变形，以避免当容纳空间23密封体积处于降低的大气压下而外部处于环境大气压下时，上膜片21和下膜片22相互折叠。
45.mems元件于上膜片21上对应第一腔室36处上贯穿有上通风槽211、于下膜片22上对应第一腔室36处贯穿有下通风槽221，上通风槽211与下通风槽221经由第一腔室32相连通以构成通风通道，相比于将通风通道设于振膜20的中心，本实施例不会降低振膜20的局部刚度，同时可以提高振膜20的柔顺性，麦克风灵敏度也就越高。
46.通过上膜片21或下膜片22的开口来控制声阻允许用更浅、更受控制的蚀刻来控制声阻。使得蚀刻和光刻可以在更均匀的拓扑上进行，简化了工艺并减少了可变性。
47.将此第一腔室32设置于支撑件30内，确保不会改变放置区域的局部刚度，同时确保上通风槽211、第一腔室32和下通风槽221的边缘受到机械支撑。防止了由于振膜20内的固有应力而导致的上通风槽211、第一腔室32和下通风槽221张开的问题，从而使声阻偏离设计值。
48.进一步地，上通风槽211与下通风槽221靠近振膜20的边缘，上通风槽211与下通风
槽221优选为狭缝形槽体.其长度远大于宽度，这防止了由于薄膜内的固有应力而导致的狭缝张开的问题，从而使声阻偏离设计值。
49.继续参照图3所示，上膜片21和下膜片22均为波纹结构，且均为导电材料或为包括导电材料的绝缘膜制成或包括具有通过材料掺杂或注入形成的导电区域的绝缘膜制成，上膜片21包括若干朝向容纳空间23凸出且相互之间间隔设置的第一凸起24，下膜片22包括若干朝向容纳空间23凸出且相互之间间隔设置的第二凸起25，若干第一凸起24和若干第二凸起25均沿着振膜20的径向间隔设置，若干支撑件30、若干第一凸起24以及若干第二凸起25均一一对应，支撑件30的两端分别与第一凸起24和第二凸起25连接，上通风槽211开设于第一凸起24上，下通风槽221开设于第二凸起25上。
50.优选的是，第一凸起24和第二凸起25的形状以及尺寸均相同，以形成规则波纹，使得整个振膜20所受的应力分布均匀，同时利于成型加工。同时，第一凸起24和第二凸起25在垂直于振膜20方向的截面形状可以为矩形、梯形或三角形等，第一凸起24和第二凸起25的倾斜面的角度大于0
°
，小于等于90
°
，本领域的技术人员可以知晓，第一凸起24和第二凸起25在垂直于振膜20方向的截面形状可以是规则图形也可以是不规则图形，在此不做限定。
51.第一凸起24和第二凸起25共同构成振膜20的波纹，从而可使振膜20具有较大的张力，能够承受较大的声压，同时使所构成的振膜20具有较小的内应力，振膜20的刚度减小，有效提高mems元件200的机械灵敏度。
52.继续参照图3所示，上通风槽211的内径较下通风槽221的内径要大，优选的是，上通风槽211的内径为6um,下通风槽221的内径为4um，以在最小化阻力变化和柱子尺寸之间获得最佳平衡。本领域的技术人员可以知晓，同样可以将上通风槽211的内径设置为比下通风槽221的内径小或者与下通风槽221的内径相等。
53.参照图7所示，图7是本发明的支撑件的结构示意图；每个支撑件30均由若干同心设置的第一弧形段31组成，多个第一弧形段31环形间隔设置，对电极40上设有若干过孔(未示出)，第一弧形段31分别对应收容于若干过孔内并与对电极40间隔设置，每一第一弧形段31的两端分别连接上膜片21和下膜片22，第一弧形段31的顶端与上膜片21连接，第一弧形段31的底端延伸过过孔后与下膜片22连接。
54.第一弧形段31的横截面为弧形结构，同一支撑件30内的多个第一弧形段31的内径均相同，上通风槽211、第一腔室32与下通风槽221的形状与其所对应的第一弧形段32的形状相同，多个第一弧形段31且呈环形间隔设置，通过使用较大的第一弧形段31来支撑上膜片21和下膜片22，解决了对电极40中需要大量开设过孔的技术问题，将对电极40设计与支撑件3的设计分开，同时第一弧形段31比现有技术中的小圆柱体大得多，这使得相同长宽比的柱结构要高得多，这使得可以使用更厚的对电极40，允许更硬的结构，这可以显著提高器件的稳定性和可靠性。
55.继续参照图7所示，沿着振膜20的径向方向，若干支撑件30内的第一弧形段31的弧长逐渐增大，由于在两个相邻的第一弧形段31的间隙处，对电极40无需开设过孔，从而进一步增加对电极40刚度。
56.若干支撑件30内的第一弧形段31的弧长可呈线性递增，或者也可以呈非线性递增，即第一弧形段31的弧长从振膜20的圆心到边缘逐渐变化，有利于提高对电极40的刚度。
57.实施例二
58.参照图4和图5所示，图3是本发明所提供的实施例一的上通风槽和下通风槽的布局结构示意图；图4是本发明所提供的实施例二的mems元件的俯视图；上膜片21和下膜片22的与开设若干第一腔室的支撑件对应的部分均包括第一膜层26以及第二膜层27，第一膜层26较第二膜层27更靠近容纳空间23，第一膜层26为绝缘膜，第二膜层27为电极层。从而可以将第二膜层27设置在振膜20的运动可以最有效地转化为电信号的位置，以提高麦克风的灵敏度。
59.第一凸起24形成于上膜片21的第一膜层26上，第二凸起25形成于下膜片22的第一膜层26上，mems元件还包括分别贯穿上膜片21的第二膜层27以及下膜片的第二膜层27的第一通孔28和第二通孔29，第一通孔28、上通风槽211，第一腔室32，下通风槽221以及第二通孔29依次连通，第一通孔28的孔径与第二通孔29的孔径不相等。优选的是，第一通孔28的孔径与第二通孔29的孔径均小于上通风槽211、第一腔室32以及下通风槽221的内径。
60.参照图4所示，在一些实施例中，第一膜层26和第二膜层27均为圆片状结构，第二膜层27同心设于第一膜层26的中部，在本实施例中，振膜20的周向与基底10连接，其挠度是抛物线形的，在振膜20的圆心最大，在边缘下降到零。由于麦克风的灵敏度是由电容随压力变化的比率决定的，将第二膜层27设置在振膜20运动最剧烈的地方，也就是振膜20的中部，同时在振膜20的边缘不设置第二膜层27，可以减少上膜片21和下膜片22之间的寄生电容，提高麦克风的灵敏度。
61.实施例三
62.本实施例与实施例一的差别在于，上膜片21与下膜片22均为平面结构，参照图6所示，图6是本发明所提供的实施例三的上通风槽和下通风槽的布局结构示意图，上通风槽211和下通风槽221的尺寸关系可参照实施例一所示，在此不做赘述。
63.以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。
技术特征：1.一种mems元件，包括：基底，一背腔穿过所述基底；振膜，与所述基底连接，并覆盖所述背腔，所述振膜包括相对设置的上膜片和下膜片，所述上膜片与所述下膜片之间形成容纳空间；对电极，设于所述容纳空间内；若干同心且间隔设置的支撑件，设置在所述上膜片和所述下膜片之间并与所述对电极相间隔，所述支撑件的相对两端分别连接所述上膜片和所述下膜片，至少于其中一个所述支撑件内开设有若干第一腔室；其特征在于：所述mems元件于所述上膜片上对应所述第一腔室处贯穿有上通风槽、于所述下膜片上对应所述第一腔室处贯穿有下通风槽，所述上通风槽、所述第一腔室与所述下通风槽相连通。2.根据权利要求1所述的mems元件，其特征在于：所述上膜片包括若干朝向所述容纳空间凸出且相互之间间隔设置的第一凸起，所述下膜片包括若干朝向所述容纳空间凸出且相互之间间隔设置的第二凸起，若干所述支撑件、若干所述第一凸起以及若干所述第二凸起均一一对应，所述支撑件两端分别与所述第一凸起和所述第二凸起连接，所述上通风槽开设于所述第一凸起上，所述下通风槽开设于所述第二凸起上。3.根据权利要求2所述的mems元件，其特征在于：所述第一腔室仅开设于位于所述振膜周缘的所述支撑件内。4.根据权利要求1-3任一项所述的mems元件，其特征在于：所述上通风槽的内径大于所述下通风槽的内径。5.根据权利要求1-3任一项所述的mems元件，其特征在于：所述上通风槽的内径小于所述下通风槽的内径。6.根据权利要求2或3所述的mems元件，其特征在于：所述上膜片和所述下膜片的与开设若干所述第一腔室的所述支撑件对应的部分均包括第一膜层以及第二膜层，所述第一膜层较所述第二膜层更靠近所述容纳空间，所述第一凸起形成于所述上膜片的第一膜层上，所述第二凸起形成于所述下膜片的第一膜层上，所述mems元件还包括分别贯穿所述上膜片的所述第二膜层以及所述下膜片的所述第二膜层的第一通孔和第二通孔，所述第一通孔、所述上通风槽、所述第一腔室、所述下通风槽以及所述第二通孔依次连通，所述第一通孔的孔径与所述第二通孔的孔径不相等。7.根据权利要求6所述的mems元件，其特征在于：所述第一通孔的孔径与所述第二通孔的孔径均小于所述上通风槽、所述第一腔室以及所述下通风槽的内径。8.根据权利要求1所述的mems元件，其特征在于：所述上膜片与所述下膜片均为导电材料制成或所述上膜片和所述下膜片各包括具有导电电极层的绝缘膜或所述上膜片和所述下膜片各自包括具有通过材料掺杂或注入形成的导电区域的绝缘膜。9.根据权利要求1所述的mems元件，其特征在于：每个所述支撑件均由若干同心设置的第一弧形段组成，多个所述第一弧形段环形间隔设置，所述对电极上设有若干过孔，若干所述第一弧形段分别对应收容于若干所述过孔内并与所述对电极间隔设置，每一所述第一弧形段的两端分别连接所述上膜片和所述下膜片。
10.根据权利要求9所述的mems元件，其特征在于：所述上通风槽、所述第一腔室与所述下通风槽的形状均与其所对应的所述第一弧形段的形状相同。
技术总结本发明公开了一种MEMS元件，MEMS元件包括：基底，一背腔穿过基底；振膜，与基底连接，并覆盖背腔，振膜包括相对设置的上膜片和下膜片，上膜片与下膜片之间形成容纳空间；对电极，设于容纳空间内；若干支撑件，设置在所述上膜片和所述下膜片之间，所述支撑件的相对两端分别连接所述上膜片和所述下膜片，至少于其中一个所述支撑件内，开设有若干第一腔室；第一腔室于上膜片上贯穿有上通风槽、于下膜片上贯穿有下通风槽，上通风槽与下通风槽相连通。与现有技术相比，本发明的上通风槽与下通风槽相连通以构成通风结构，从而不会降低振膜的局部刚度，同时可以提高振膜的柔顺性和麦克风的灵敏度。度。度。
技术研发人员：博迪尤安
受保护的技术使用者：瑞声声学科技（深圳）有限公司
技术研发日：2022.06.09
技术公布日：2022/11/1
