專利名稱：用微電子機械系統(tǒng)技術(shù)感測聲音信號的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用微電子機械系統(tǒng)技術(shù)感測聲音信號的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
麥克風是將氣壓取樣(即聲信號)轉(zhuǎn)換成電信號的轉(zhuǎn)換器。在典型的動力麥克風中，麥克風的振動膜相對磁場移動線圈，使電流流入線圈。在典型的電容式麥克風中，麥克風的振動膜(如帶電荷的金屬電極板，駐極體等)相對于剛性背板移動，使電流從電源流出，在麥克風振動膜與剛性背板之間產(chǎn)生恒定的電位差。
風噪聲會干擾麥克風感測聲音信號的能力。比如，當一個人沖著麥克風講話時，風噪聲會掩蓋這個人的聲音，致使與麥克風相連的裝置(如擴音器、錄音器、送話器、揚聲器等)傳出的聲音含混不清。風噪聲還可以掩蓋重要的聲音信息，使比如自動目標/對象識別裝置，方位辨別等系統(tǒng)等自動系統(tǒng)的性能下降。
有些麥克風配置了風擋，覆蓋在麥克風上，意在減少由麥克風感測到的風噪聲。常規(guī)的風擋，常見于覆蓋在電視記者手持的麥克風上面，它是由海綿制成，并呈球形(如覆蓋在麥克風上，直徑約為10厘米的海綿球)。這種風擋已經(jīng)被使用多年，并且可以有效的去除會使關(guān)鍵的聲音(如電視記者的聲音)含混不清的風噪聲(如令人討厭的隆隆聲)。
一些科學實驗試圖以電去除的方式，從目標位置的聲音與風噪聲中去除風噪聲(比如要從過往的卡車中獲得聲信號)。通常，這些試驗利用麥克風傳感聲音和風壓，在麥克風周圍(比如距離麥克風幾毫米處)設(shè)置一套熱線式風速計，用以感測風速，并用計算機設(shè)備存儲和處理由麥克風感測到的聲音和風壓，同時，由熱線式風速計所測得的風速。典型的熱線式風速計是一種脆性的裝置，它通過加熱一小段線路(比如一段1.5mm長的鎢或鉑)，測量由于風吹過線路所造成的熱損失(熱量或能量的損失與風速直接相關(guān))。
下面將說明一種實現(xiàn)上述試驗的方法。第一模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器將來自麥克風的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的聲音和風壓信號，這些信號被保存在計算機的存儲器中。同時，第二A/D轉(zhuǎn)換器將來自熱線式風速計的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的熱損失信號，這些信號也被保存在存儲器中。接下來，數(shù)字信號處理器處理聲音和風壓信號以及熱損失信號。特別是，采用一種算法，可以利用熱損失信號產(chǎn)生風壓數(shù)據(jù)，并從聲音和風信號中減去風壓數(shù)據(jù)。盡管實驗結(jié)果仍是混合信號， 但理論結(jié)果應(yīng)該是能夠從目標位置獲得一個已經(jīng)除去了風噪聲的聲音信號。
上述實驗參考以下兩篇文章的全部內(nèi)容，一篇是在1998年10月的Acoustical Society of America 136thMeeting Lay Language Paper中，由Shust等人著的名為“Electronic Removal of Outdoor Microphone Windownoise”的文章。另一篇是在1997年1月的AIAA期刊第35卷第1期中，由McGuinn等人著的題為“Low Flow-noise Microphone for Active NoiseControl Applications”的文章。這些實驗提供了令人振奮的試驗結(jié)果，但前提是傳送到麥克風振動膜上的氣流充分正常。本文參考的另一個相關(guān)的實驗和風信號算法(如流體動力學方程)，在密歇根工學院1998年3月6日的電器工程博士論文(Ph.D.Dissertation in Electrical Engineering)中由Shust著的題為“Active Removal of wind Noise from Outdoor Microphoneusing Local Velocity Measurements”的論文中有所描述。

發(fā)明內(nèi)容
遺憾的是，傳統(tǒng)的減少麥克風感測到風噪聲的方法有一些不足之處。例如，上述傳統(tǒng)的風擋體積龐大，因此影響了一些特定的麥克風的應(yīng)用(如在助聽器、免提電話設(shè)備、隱藏監(jiān)視設(shè)備等方面的應(yīng)用)。另外，這種風擋的體積龐大，有礙于當前麥克風和聲音系統(tǒng)小型化的趨勢(如掌上攝像機、手機等)。此外，要想保持風擋去除風噪聲的效果，風擋就無法實現(xiàn)小型化。
至于上文提到的另外一種傳統(tǒng)方法，是在麥克風周圍設(shè)置一套熱線式風速計，以電的方式去除麥克風所感測的聲音和風壓信號中的風噪聲，這種方法產(chǎn)生混合的效果，而且還不能像風擋那樣有效地去除風噪聲。這種混合的效果歸因于多種因素。比如，熱線式風速計不能感測來自麥克風所處位置的風噪聲，而是感測麥克風臨近位置的風噪聲(即距離麥克風幾毫米處)，而這種風噪聲與麥克風所處位置的風噪聲相比具有顯著差別。而且，當吹向風速計的風經(jīng)過麥克風時，麥克風周圍的氣流使風速計處的風速發(fā)生變化，從而使系統(tǒng)引入誤差。另外，這種方法只有在吹到麥克風振動膜上的風充分正常時才是有效的。
此外，上述傳統(tǒng)的以電的方式去除風噪聲的方法還有一些實施上的缺陷。比如，有些方法需要大量的計算機設(shè)備(比如多個A/D轉(zhuǎn)換器、存儲信號信息的存儲器、應(yīng)用對聲音和風壓信號及風速信號進行數(shù)字信號處理的技術(shù)等)。此外，這些方法是在信號信息被數(shù)字化并被保存到存儲器以后，從聲音和風信號中減去風壓數(shù)據(jù)，這就需要用到存儲器，并且需要等待的時間。這樣的置后處理方法不適用于某些特殊應(yīng)用，比如需要使用中(即實時地)去除風噪聲的聲音系統(tǒng)，例如，現(xiàn)場廣播、手機、軍用/國防戰(zhàn)場傳感器、助聽器等。
與上述傳統(tǒng)的減少風噪聲的方法相比，本發(fā)明的幾種具體實施例都提供一種使用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)直得聲音信號的方法。譬如，可以將像麥克風和熱線式風速計這樣的感測部件布置在一個MEMS器件中(如在一個位置上以極小的間隔設(shè)置或者相互接觸)。因此，基本上可以在同一位置感測風速、聲音和風壓。于是，根據(jù)風速生成一個精確的風壓信號，然后，再從聲音和風壓信號中減去所生成的風壓信號，這樣就給出一個去除風噪聲的精確聲音信號。
按照本發(fā)明的一種方案，提供一個聲音系統(tǒng)，所述聲音系統(tǒng)包含聲音傳感器和處理電路。所述聲音傳感器包括(i)基座，(ii)被支撐于所述基座上的麥克風，該麥克風有一個麥克風振動膜，和(iii)置于所述基座上的熱線式風速計，該熱線式風速計有一組熱線延展部件。這組熱線延展部件的一個平面與麥克風振動膜完全平行。
所述處理電路從麥克風接收聲音和風壓信號，從熱線式風速計接收風速信號，并根據(jù)從麥克風接收的聲音和風壓信號與從熱線式風速計接收的風速信號給出一個輸出信號(比如去除風噪聲的精確聲音信號)。因為熱線延展部件的一個平面與麥克風振動膜完全平行，所以熱線延展部件與麥克風振動膜可以彼此靠得非常近(比如分開微小的、有限的距離)，或者甚至彼此接觸，這樣就可以感測到同一位置的精確的風速、聲音和風壓。
按照一種方案，第一層導電材料是麥克風振動膜(比如多晶硅、硅化物等)，第二層導電材料是這組熱線延展部件(比如鎢)。按照這種方案，所述基座包括襯底(比如硅)，用來支撐所述第一層和第二層導電材料。因此，可以作為MEMS器件實現(xiàn)所述聲音傳感器。由于這種MEMS聲音傳感器能夠給出去除風噪聲的聲音，所以可以將這種MEMS聲音傳感器稱作MEMS電子風擋麥克風(MEWM)。
按照一種方案，所述聲學傳感器麥克風還包括一個剛性部件(如一塊背板)，它與麥克風振動膜完全平行，形成電容式麥克風的空腔。按照這種方案，第三層導電材料是麥克風的剛性部件。所述襯底支撐所述第三層導電材料。最好使所述麥克風振動膜一直延伸到所述基座，在熱線延展部件與電容式麥克風空腔之間形成密封。有此，則麥克風振動膜可阻止沾染物(如灰塵、濕氣、顆粒、碎片等)沿著所述熱線延展部件進入電容式麥克風的空腔。沾染物進入電容式麥克風的空腔將導致麥克風操作失效。
按照一種方案，所述這組熱線延展部件包括多個鎢絲電橋，這些電橋在熱線延展部件限定的平面內(nèi)完全平行。因此，為了獲得能轉(zhuǎn)換成風速的熱量損失值，可以加熱鎢絲電橋，并測量風吹過電橋所造成的熱量損失。
按照一種方案，所述聲音傳感器還包括一層由襯底支撐的保護材料(如氮化硅)。最好將這層保護材料做成網(wǎng)格狀，從而，使聲波能從外面通過保護材料到達這組熱線延展部件和麥克風振動膜。相應(yīng)地，這種網(wǎng)格可以使聲音和風從外面進入風速計和麥克風，也還降低了污物進入風速計和麥克風的可能性。
按照一種方案，所述第一層導電材料確定多個麥克風振動膜。最好使多個麥克風振動膜排列成二維N×M的麥克風振動膜陣列(N和M是正整數(shù))。另外，所述第二層導電材料確定多組熱線延展部件。最好使多組熱線延展部件排列成二維N×M的熱線延展部件組的陣列，并與所述二維N×M的麥克風振動膜陣列對應(yīng)。由此，所述聲音傳感器有多個感測部件(一對麥克風和風速計)，用以增加穩(wěn)定性，譬如，增強容錯能力，提高信噪比(即在一些特殊的感測部件中減少隨機噪聲)等。
按照一種方案，所述二維N×M的麥克風振動膜陣列包括第一行麥克風振動膜，用以響應(yīng)第一頻率范圍(如0-10KHz)內(nèi)的聲波；還包括第二行麥克風振動膜，用以響應(yīng)第二頻率范圍內(nèi)的聲波；所述第二頻率范圍與第一頻率范圍不同(比如是10-20KHz)。其他各行可以響應(yīng)其他的頻率范圍。于是，這種聲音傳感器能專門適用于感測特殊類型的聲音(比如語音、汽車信號等)。
按照一種方案，所述處理電路包括一個轉(zhuǎn)換級，用于將熱線式風速計測得的風速信號轉(zhuǎn)換成含有風壓分量的模擬風壓信號，還包括一個輸出級，用于從麥克風的聲音和風壓信號中減去模擬風壓信號的風壓分量，從而生成輸出信號。為了實時輸出去除了風噪聲的聲音信號，所述方案可以實時地進行操作。因此，這種方案適用于需要當場去除風噪聲的場合，如現(xiàn)場廣播、手機、軍用/國防的戰(zhàn)場傳感器、助聽器等。
按照一種方案，所述轉(zhuǎn)換級和輸出級是設(shè)在專用集成電路(ASIC)內(nèi)的模擬電路。這樣就可以在很小的空間內(nèi)封裝整個系統(tǒng)(如聲音傳感器的MEMS器件和處理電路的ASIC器件)。
按照一種方案，所述處理電路包括一個相關(guān)級，用于使風速信號數(shù)字化，并使數(shù)字化的風速信號與檢查表中的一系列風壓值聯(lián)系起來，以相關(guān)信號的形式提供一系列的風壓值。這里的處理電路還包括一個輸出級，用于(i)從相關(guān)級接收相關(guān)信號，(ii)從麥克風接收聲音和風信號，(iii)從聲音和風壓信號中減去這串風壓值，然后生成輸出信號。這種方案對風速信號使用一種算法。按照這種方案，所述系統(tǒng)不需要轉(zhuǎn)換級，或者可以繞過轉(zhuǎn)換級。
如上所述，可將本發(fā)明的特點用于聲音系統(tǒng)、聲音裝置和聲音方法以及其他電子設(shè)備，例如，麻薩諸塞州Wilmington的Textron Systems公司的一些設(shè)備。


在下面的本發(fā)明優(yōu)選實施例中，將參考附圖詳細說明本發(fā)明的上述以及其他目的、特點和優(yōu)點；所有附圖中描述的相同部分都采用相同的附圖標記。
圖1是適用于本發(fā)明的聲音系統(tǒng)的方框圖；圖2是圖1的聲音系統(tǒng)中聲音傳感器各部分的透視圖；圖3是當圖1中聲音傳感器用作微電子機械系統(tǒng)(MEMS)器件時的側(cè)視剖面圖；圖4是附圖3中聲音傳感器的俯視圖；圖5是圖3和4中聲音傳感器的熱線式風速計所用的熱線部件的俯視圖；圖6是使用圖1之聲音系統(tǒng)的程序流程圖；圖7是具有聲音感測部件陣列的聲音傳感器的俯視圖；圖8是可供選的聲音系統(tǒng)的方框圖，該聲音系統(tǒng)有多個級，用以根據(jù)風速的測量值生成風壓信號；圖9是一個MEMS結(jié)構(gòu)的剖面圖，所述結(jié)構(gòu)包括襯底、外延層、一層導電材料和光刻膠區(qū)域(比如使用光刻及光掩膜技術(shù)后布圖后)；圖10是圖9中的MEMS結(jié)構(gòu)去掉部分導電材料層和光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖11是圖10中的MEMS結(jié)構(gòu)被附加了低溫氧化層和光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖12是圖11中的MEMS結(jié)構(gòu)已經(jīng)去掉低溫氧化層部分和光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖13是圖12中的MEMS結(jié)構(gòu)被附加了聚酰亞胺并使結(jié)構(gòu)表面被拋光之后的剖面圖；圖14是圖13中的MEMS結(jié)構(gòu)被附加了一層導電材料(如鎢)后的剖面圖；圖15是圖14中的MEMS結(jié)構(gòu)被附加了光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖16是圖15中的MEMS結(jié)構(gòu)已經(jīng)去掉導電材料層和光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖17是圖16中的MEMS結(jié)構(gòu)被附加了聚酰亞胺后的剖面圖；圖18是圖17中的MEMS結(jié)構(gòu)被附了光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖19是圖18中的MEMS結(jié)構(gòu)已經(jīng)去掉部分聚酰亞胺和光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖20是圖19中的MEMS結(jié)構(gòu)被附加了一層基座材料(如等離子增強化學氣相淀積的氮化物)和光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖21是圖20中的MEMS結(jié)構(gòu)已經(jīng)去掉基座材料部分和光刻膠后的剖面圖；圖22是圖21中的MEMS結(jié)構(gòu)被附加了一層保護層材料后的剖面圖；圖23是圖22中的MEMS結(jié)構(gòu)在襯底(即MEMS器件的底部)上被附加了光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖24是圖23中的MEMS結(jié)構(gòu)已經(jīng)去掉襯底部分(如各向異性的濕法蝕刻)后的剖面圖；圖25是圖24中的MEMS結(jié)構(gòu)已從襯底上去除光刻膠部分后的剖面圖；圖26是另一種MEMS結(jié)構(gòu)的側(cè)向剖面圖，該MEMS結(jié)構(gòu)包括襯底、硼硅玻璃層、外延層、導電材料層和光刻膠區(qū)域；圖27是圖26中的MEMS結(jié)構(gòu)已經(jīng)去掉導電材料層部分和光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖28是圖27中的MEMS結(jié)構(gòu)被附加了光刻膠區(qū)域后的剖面圖；圖29是圖28中的MEMS結(jié)構(gòu)已經(jīng)去掉外延層和光刻膠區(qū)域部分后的剖面圖；圖30是圖29中的MEMS結(jié)構(gòu)的剖面圖，在將所述MEMS結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)后該結(jié)構(gòu)剩余的外延層和導電材料層上被附加了一層保護材料層，并且在硼硅玻璃層部分和襯底部分覆蓋了光刻膠區(qū)域后，經(jīng)各向異性蝕刻，以形成電容式麥克風的空腔部分；圖31是一種MEMS器件的剖面圖，這種MEMS器件是把圖25的MEMS結(jié)構(gòu)與圖30的MEMS結(jié)構(gòu)壓焊在一起(如經(jīng)過陽極焊)，并去除保護層后形成的，用以形成具有多個聲音傳感器的MEMS器件；圖32是適用于圖1中聲音系統(tǒng)的MEMS器件形成過程的流程圖；圖33是另一種MEMS結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖面圖，該結(jié)構(gòu)包括襯底和光刻膠區(qū)域；圖34是圖33中的MEMS結(jié)構(gòu)的側(cè)視剖面圖，該結(jié)構(gòu)已經(jīng)去除了部分襯底和光刻膠區(qū)域，形成多個孔，或者作為選擇，是在固體襯底上已經(jīng)鉆通多個孔；圖35是圖34中的MEMS結(jié)構(gòu)的側(cè)視剖面圖，該結(jié)構(gòu)已經(jīng)在襯底上覆蓋了一層導電材料，使所述襯底內(nèi)的孔是敞開的(比如在襯底上電子束蒸發(fā)一層導電材料)；圖36是圖35中的MEMS結(jié)構(gòu)被附加了光刻膠區(qū)域后的側(cè)視剖面圖；圖37是圖36中的MEMS結(jié)構(gòu)已經(jīng)去除導電材料部分和光刻膠區(qū)域后的側(cè)視剖面圖；圖38是一種MEMS器件的剖面圖，該MEMS是將圖25中的MEMS結(jié)構(gòu)與圖37中的MEMS結(jié)構(gòu)壓焊在一起(如經(jīng)陽極焊)，并去除保護層后形成的，以形成具有多個聲音傳感器的MEMS器件；圖39是圖23中的MEMS結(jié)構(gòu)已經(jīng)去除部分襯底(如各向異性等離子蝕刻)后的剖面圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的各實施例均涉及利用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)獲得聲音信號的方法。譬如，可將諸如麥克風和熱線式風速計之類的感測部件設(shè)置在MEMS器件內(nèi)(比如，可按有限的精密分開被布置在一個位置處)。因此，可在幾乎同一位置處測量風速、聲音和風壓。結(jié)果，根據(jù)該位置的風速生成風壓信號，然后從該位置的聲音及風壓信號中減去所生成的風壓信號，從而提供去除了風噪聲的精確聲音信號。
圖1是適用于本發(fā)明的一個聲音傳系統(tǒng)40的方框圖。所述聲音傳系統(tǒng)40包括聲音傳感器42和處理電路44。所述聲音傳系統(tǒng)40還包括附加電路46(例記錄器、放大器、送話器等)。所述聲音傳感器42包括用于感測風速的熱線式風速計48和用于感測聲音及風壓的麥克風50。所述處理電路44包括轉(zhuǎn)換級52，用于將風速信息轉(zhuǎn)換成風壓信息，還包括輸出級54，用于輸出去除了風噪聲的聲音信息。所述聲音系統(tǒng)40可有效的去除進入麥克風50的非固定和非線性的風噪聲，而不需要有傳統(tǒng)的泡沫狀的風擋。僅作為示例，所述附加電路46包括模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器56和數(shù)字信號處理器58，用于處理從輸出級54輸出的聲音信息。
最好將所述聲音傳感器42做成一個MEMS器件(即微機械器件)。這樣，所述聲音傳感器42就適用于小型化的情況，如掌上攝像機、手機、隱蔽的監(jiān)視設(shè)備等。也可以用于非小型化的情況(如手持麥克風)。因為聲音傳感器42能夠提供去除了風噪聲的聲音信息，所以可以將聲音傳感器42的MEMS器件方便地稱作MEMS電子風擋麥克風(MEWM)。
此外，可將所述處理電路44封裝在單個集成電路(IC)內(nèi)，例如專用集成電路(ASIC)。按照一種方案，所述處理電路44是ASIC內(nèi)的一個專有的模擬電路，這樣就減少了對多個A/D轉(zhuǎn)換器的需求，也就是所述附加電路46只有一個A/D轉(zhuǎn)換器來使聲音系統(tǒng)40的信息數(shù)字化，而不是像上述的以往科學實驗中那樣，需要多個轉(zhuǎn)換器來分別轉(zhuǎn)換風速信號、聲音和風壓信號。可將多個聲音傳感器42作為一個MEMS器件來實現(xiàn)，并且模擬電路能去除輸出級54輸出的聲響/聲音中的風噪聲。按照另一種方案，可將所述處理單元44可以作為混合電路來實現(xiàn)，也就是將多個IC封裝塊裝配到一個小型電路板上。
在聲音系統(tǒng)40的工作過程中，為了獲得清晰的沒有風噪聲的聲音信號，所述聲音系統(tǒng)40將原始的物理風速信號(即風/紊動氣流/速度信號)轉(zhuǎn)化成聲音的等效電信號，并從包括聲音和風壓部分的全部麥克風信號中減去該電信號。特別是，熱線式風速計48為轉(zhuǎn)換級52提供一個風速信號60(即熱損失信號)。轉(zhuǎn)換級52將風速信號60轉(zhuǎn)換成風壓信號62，并將該風壓信號62輸送到所述輸出級54。該輸出級54從轉(zhuǎn)換級52接收所述風壓信號62，同時，還從麥克風50接收聲音及風壓信號64，并向所述附加處理電路46輸出一個輸出信號66。所述輸出信號66是根據(jù)來自轉(zhuǎn)換級52的風壓信號62和來自麥克風50的聲音及風壓信號64生成的。特別地，所述輸出信號66包括由麥克風50感測的已經(jīng)去除了風噪聲的聲音。按照一種方案，所述輸出信號66是模擬信號，可以通過A/D轉(zhuǎn)換器56將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號68，為的是利用數(shù)字信號處理器58對其進行信號處理。
應(yīng)該理解，由于風速信號60和風壓信號62之間的轉(zhuǎn)換，造成了聲音及風壓信號64與風壓信號62之間的延遲，可以通過在聲音及風壓信號64中引入一個小的延遲補償這種延遲。可以通過使用較長的導體(如較長的導電材料通路、較長的蝕刻線等)、延遲緩沖器等來實現(xiàn)這種小的延遲。以下將參考圖2對進一步說明本發(fā)明。
圖2表示圖1中聲音傳感器42的組件70的透視圖。組件70包括構(gòu)成麥克風50(即電容式麥克風)的麥克風振動膜72和剛性部件74(即剛性背板)。所述剛性部件74上確定孔76。組件70還包括熱線式風速計48的一組熱線延展部件78-A、78-B…(共同組成所述延展部件78)。這組熱線延展部件78與麥克風振動膜72嚴格地平行。組件70還包括一層網(wǎng)格狀的保護材料層80(如縱橫交錯的柵格)。聲音和風86可以通過熱線延展部件78和保護材料80的網(wǎng)格內(nèi)的孔84之間的間隙82激活麥克風50。下文將參考圖3和4進一步說明本發(fā)明。
圖3和4分別給出圖1中聲音傳感器42的側(cè)視剖面圖90和圖3中平面106的俯視圖110(即麥克風振動膜72的平面106)。如圖3和4所示，聲音傳感器42包括基座94，它用以支撐麥克風振動膜72和剛性部件74(也可見圖2)。按照一種方案，所述聲音傳感器42為MEMS器件，而且基座94是由多層材料形成的(如硅、外延硅、低溫二氧化硅、等離子氮化物等)?；?4還支撐熱線延展部件78(圖4中的虛線所示)以及保護材料80的網(wǎng)格(圖4中未示出)。
基座94在麥克風振動膜72和剛性部件74之間形成電容式麥克風的空腔96，以及通向外部位置100的聲音傳感器開口98。通過熱線延展部件78和保護材料80網(wǎng)格內(nèi)的孔84之間的間隙82，聲音102和風104可以從外部位置100傳到麥克風振動膜72。剛性部件74中的孔76使空氣能夠進出所述電容式麥克風的空腔，這就使麥克風振動膜74在響應(yīng)聲音102和風104時，易于相對剛性部件74振動。
應(yīng)予理解的是，由于麥克風振動膜72很好的密封了電容式麥克風的空腔96，所以能防止沾污物(如灰塵、濕氣、粉末等)從位置100進入電容式麥克風的空腔96中。此外，聲音傳感器42的器件封裝也能阻止沾污物通過孔76(即通氣孔)進入電容式麥克風的空腔96。
麥克風50是電容式麥克風。即隨著麥克風振動膜72的振動，它和剛性部件74之間的距離發(fā)生變化。當電源在麥克風振動膜72與剛性部件74之間提供恒定電位差時，通過電源流向麥克風振動膜72和剛性部件74的電流變化，可以檢測麥克風振動膜的振動。只是作為示例，圖4示出通向麥克風振動膜72的蝕刻線112和焊盤114(即電源線)。類似的結(jié)構(gòu)可以用來連接剛性部件74。
應(yīng)予理解，所述一組熱線延展部件78的平面106與麥克風振動膜72嚴格平行。此外，還應(yīng)理解，可以優(yōu)選微機械器件實現(xiàn)所述聲音傳感器42，從而使這組熱線部件78基本上與麥克風振動膜72配置于一起，也就是說，熱線延展部件78與麥克風振動膜72之間有極小的間隔(比如幾個微米)，或者作為選擇也可以彼此接觸。因此，熱線式風速計48和麥克風50可在同一位置分別感測風速、聲音和風壓。另外，由于這種配置，聲音傳感器42對各個方向的聲音和氣流都是有效的，而不需要像有些科學實驗中那樣要求流向麥克風振動膜的聲音和氣流充分正常。以下將參考圖5進一步說明本發(fā)明。
圖5是熱線式風速計48內(nèi)熱線部件120的俯視圖。所述熱線部件120包括一組熱線延展部件78(也可參見圖2和4)，一組連接部件122和一組焊盤124。連接部件122-A將各熱線延展部件78的尾部連接到焊盤124-A，另一連接部件122-B將各熱線延展部件78的另一尾部連接到另一焊盤124-B。如上所述，這組熱線延展部件78由基座94支撐，因此各延展部件78就形成一個與麥克風振動膜72嚴格平行的平面106(參見圖3)。
工作期間，由于電流的流過，使這組熱線延展部件78(如鎢)溫度升高。風經(jīng)過各熱線延展部件78而帶走熱量，因而導致流過各熱線延展部件78的電流或電壓發(fā)生變化，這種變化可被處理電路44檢測到。因此，熱線延展部件78能精確的指示風速，這個風速可以轉(zhuǎn)換成風壓信號。以下將參考圖6進一步說明本發(fā)明。
圖6表示使用圖1的聲音系統(tǒng)40時的程序130。在步驟132，為了在一個特定的位置檢測聲音、風壓以及風速，使用了音傳感器42(可參見圖3和4)。回顧所述聲音傳感器42包含一組熱線延展部件78，這組熱線延展部件78有一個與麥克風振動膜72嚴格平行的平面106，這樣就將熱線式風速計48與麥克風50配置在一起(比如在一個MEMS器件內(nèi))。
在步驟134，聲音傳感器42中的麥克風50響應(yīng)麥克風振動膜72上的聲音和風壓，生成一個聲音及風壓信號64(可參見圖1)。按照一種方案，所述麥克風50生成一個電流信號，作為所述聲音及風壓信號64。而按另一方案，所述麥克風50生成一個電壓信號，作為所述聲音及風壓信號64。
在步驟136，聲音傳感器42中的熱線式風速計48響應(yīng)所述一組熱線延展部件78上的風速，生成風速信號60。按照一種方案，這組熱線延展部件78包括一組鎢絲電橋，用以提供一個電流信號，作為所述風速信號60(即熱損失信號)。而按另一方案，所述風速計48提供一個電壓信號，作為所述風速信號60。同時進行步驟134和136是更為可取的，所以聲音及風壓信號64和/或風速信號62不會發(fā)生延時，或者只需有最小的延時(例如使用一個或多個延使緩沖器)。
在步驟138，處理電路44根據(jù)所述聲音及風壓信號64和風速信號60生成輸出信號66。特別是所述處理電路44中的轉(zhuǎn)換級52，它將風速信號60轉(zhuǎn)換成一個含有風壓分量的模擬風壓信號62(即風壓電流信號)。然后，所述輸出級54根據(jù)來自麥克風50的聲音及風壓信號64和來自所述轉(zhuǎn)換級52的模擬風壓信號62，生成輸出信號66。比如，輸出級54從聲音及風壓信號64中減去模擬風壓信號62中的風壓分量。所述輸出信號66是麥克風感測到的去除了風噪聲后的聲音信號。所述輸出信號66還可受到附加電路46的處理(如濾波、放大、數(shù)字化、存儲、復制、傳輸?shù)?。以下將參考圖7進一步說明本發(fā)明。
應(yīng)予理解，上述包含一個熱線式風速計48和一個麥克風50的聲音傳感器42僅只是一個示例。在其他的方案中，所述聲音傳感器42包含多對風速計和麥克風。圖7表示具有多個聲音感測部件142的聲音傳感器140的俯視圖。每個聲音感測部件142包含圖3和4所示的被配置于一起的一個熱線式風速計48和一個麥克風50(即一對風速計/麥克風)。也就是說，各感測組件的熱線式風速計48和麥克風50被集成在一起。按照一種方案，將所述各熱線延展部件78設(shè)置在麥克風振動膜72的正上方(比如只有幾微米的微小間隔)。按另一方案，將所述各熱線延展部件78設(shè)置在麥克風振動器72的頂部(即相互接觸)。這兩種方案都能精確地測量風速，都優(yōu)于傳統(tǒng)的用一個或幾個熱線式風速計的試驗，傳統(tǒng)試驗中熱線式風速計距離麥克風有幾毫米(甚至更遠的距離)。
在聲音傳感器140內(nèi)，所述各聲音感測部件142被排列成N×M的陣列(僅為示例，圖7中N和M等于3)。因此，聲音傳感器140基本上是一個微型聲音傳感器陣列。
如果將聲音傳感器140做成一個微機械器件，這種聲音傳感器140最好包括導體通路144-1、144-2...(共同構(gòu)成導體144)，這些導體通路有條理地將過聲音感測部件142的各熱線式風速計48和麥克風50連接到處理電路44(可參見圖1)?；仡檲D4，它示出一個連接麥克風振動膜72和焊盤114的短的導體通路112。最好是類似的、但較長的導體通路144，從每個聲音感測部件142延伸到外部陣列140的焊盤位置，所以外部導線(未示出)可以實現(xiàn)聲音傳感器陣列140與處理電路44之間的電連接。僅為示例，圖7以列的形式示出各連接聲音感測部件142的導體144。
按照一種方案，將每個聲音感測部件142調(diào)整到不同的特定頻率范圍。例如，將聲音傳感器140的第一聲音感測部件142調(diào)整到0-10KHz的第一頻率范圍，將第二聲音感測部件142調(diào)整到10-20KHz的第二頻率范圍等。這就使得所述聲音傳感器140能適用于特殊的頻率范圍，實現(xiàn)特定的目標(比如感測特殊的聲音信號、整體覆蓋較寬的頻率范圍等)。
按照另一種方案，將聲音感測部件142排列成組，比如，部件142的列，部件142的行，部件142的I×J陣列(I和J是正整數(shù))等。將每組調(diào)整成接收不同頻率范圍內(nèi)的聲音和風壓(例如第一頻率范圍0-10KHz、第二頻率范圍10-20KHz等)。通過逐組的改變聲音感測部件142的一個或多個物理特征(如數(shù)目、形狀、大小、厚度等)能完成這樣的調(diào)整。就是說，可以調(diào)整第一組聲音感測部件142中的麥克風振動膜72的特征，使它響應(yīng)第一頻率范圍，調(diào)整第二組聲音感測部件142中的麥克風振動膜72的特征，使它響應(yīng)第二頻率范圍等。僅為示例，圖7中聲音傳感器140內(nèi)的第一列聲音感測部件142被調(diào)整到0-10KHz的第一頻率范圍，第二列聲音感測部件142被調(diào)整到10-20KHz的第二頻率范圍，第三列聲音感測部件142被調(diào)整到20-30KHz的第三頻率范圍。
應(yīng)予理解，聲音傳感器140具有很高的穩(wěn)定度。例如，由于聲音感測部件142的尺寸微小，而且他們的數(shù)目眾多，所以能較好的去除噪聲(即有較好的信噪比)、增強信號、提高容錯能力等。以下將參考圖8進一步說明本發(fā)明。
圖8示出了一種適用于本發(fā)明的聲音系統(tǒng)150。所述聲音系統(tǒng)150與圖1的聲音系統(tǒng)40類似，它包括聲音傳感器42，所述聲音傳感器42具有感測風速用的熱線式風速器48和感測聲音和風壓用的麥克風50。并且所述聲音系統(tǒng)150與聲音系統(tǒng)40有類似的工作方式(參見圖2-6)。作為選擇，所述聲音系統(tǒng)150包含圖7的聲音傳感器140。
圖8中的聲音系統(tǒng)150還包括處理電路152。所述處理電路152具有轉(zhuǎn)換級52、輸出級154、相關(guān)級156和一個或多個檢查表158。所述處理電路152與圖1的處理電路44有類似的工作方式，即轉(zhuǎn)換級52能將風速信息轉(zhuǎn)換成風壓信息，輸出級154能輸出去除了風噪聲的聲音信息。特別是，所述轉(zhuǎn)換級52能將風速信號60轉(zhuǎn)換成風壓信號62，并將風壓信號62輸送到輸出級154。輸出級154能從轉(zhuǎn)換級52接收風壓信號62，同時從麥克風50接收一個聲音及風壓信號64，并根據(jù)來自轉(zhuǎn)換級52的風壓信號62和來自麥克風50的所述聲音及風壓信號64生成輸出信號164。這個輸出信號164是由麥克風50感測的并去除了風噪聲的聲音信號。
處理電路152還能以繞過轉(zhuǎn)換級52的方式工作。在此情況下，相關(guān)級156使風速信號60關(guān)于風壓信號162具有高保真。特別是，相關(guān)級156根據(jù)風速信號60生成數(shù)字化的風速信息，并對數(shù)字化的風速信息實行一種算法(如一種或多種流體動力學算法、實時DSP算法等)，以生成風壓信號162。按照一種方案，所述檢查表158包含一列含有風壓值的項，并且相關(guān)級156的處理器(比如在嵌入程序中運行)從已被數(shù)字化的風速信息(如風速信號60的電流值)中生成一系列的關(guān)鍵字(指針)。這種關(guān)鍵字用于識別檢查表158中的項。處理器根據(jù)這些關(guān)鍵字從檢查表158中查找風壓值(即查找一系列與風速信號60相關(guān)的風壓值)，并將風壓信號162中的這些數(shù)值提供給輸出級154(例如使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的的模擬信號)。輸出級154執(zhí)行減法操作，生成去除了風噪聲的聲音信號，作為所述輸出信號164。因此，用戶可按多種操作模式做出選擇(即使用轉(zhuǎn)換級52或繞過轉(zhuǎn)換級52)，以及使用相關(guān)級156，這都取決于該種模式能更好的去除特定位置的風噪聲。
應(yīng)予理解，所述相關(guān)級156可以包含D/A轉(zhuǎn)換器，用來為輸出級154提供風壓信號162的模擬信號。另外，所述風壓信號162可以是一個數(shù)字信號，輸出級154可以包含一個A/D轉(zhuǎn)換器，在生成輸出信號164之前使聲音和風壓信號64數(shù)字化，并根據(jù)數(shù)字的風壓信號1 62和(數(shù)字化的)聲音及風壓信號64生成輸出信號164。
還應(yīng)當理解，對風速信號60實行的所述一個或多個算法可以是傳統(tǒng)的算法(如成熟的宏觀流體力學方程、最近發(fā)展的微觀流體力學方程、基于聲音系統(tǒng)140特殊應(yīng)用的動態(tài)輸入方程，或者他們的組合)。例如，用戶最初可以使用宏觀流體力學方程來操作聲音系統(tǒng)140。然后，用戶可以引入一個特殊的微觀流體力學方程(即適用于微機械器件水平的流體力學方程)或用其替換一個宏觀流體力學方程，并且運行聲音系統(tǒng)140，以確定這樣的引用或替換是否改善了輸出信號164。之后，用戶用動態(tài)輸入流體力學方程(或者根據(jù)新的試驗數(shù)據(jù))來調(diào)整聲音系統(tǒng)140，確定是否還能改善輸出信號164，等等。
應(yīng)該理解，上述的聲音傳感器40和140可以是MEMS器件。這樣配置時，聲音傳感器40和140適用于小型化的使用，例如掌上攝像機、手機、隱蔽式監(jiān)視設(shè)備等(以及非小型化的應(yīng)用)。因此，聲音傳感器40和140適用于很多場合，在這些場合中，泡沫狀的風擋很笨重，或者不適用。
本發(fā)明的各實施例涉及用于構(gòu)成MEMS器件的方法，這種MEMS器件包括被配置在一起的熱線式風速計48和麥克風50，并如上述，他們與聲音傳感器40和140相連。以下將參考圖9至39詳細說明如何能夠構(gòu)成這樣的器件。
圖9是一種MEMS結(jié)構(gòu)的剖面圖200，這種MEMS結(jié)構(gòu)是經(jīng)過了微機械加工得到，用以形成圖7所示的聲音傳感器140(即有多個聲音感測部件142的聲音傳感器)。應(yīng)當理解，類似的MEMS結(jié)構(gòu)可以用于形成圖3和4中的聲音傳感器40(即單個的聲音感測部件)。用于聲音傳感器40、140的微機械加工過程包括多個步驟，應(yīng)保持MEMS結(jié)構(gòu)的溫度在攝氏700℃以下，而不能像傳統(tǒng)的半導體制造工藝那樣使溫度等于或超過700℃。因此，當制造該MEMS器件的微設(shè)計結(jié)構(gòu)時，不存在使用高溫生產(chǎn)工藝所引致的形變或者形變很小。
如圖9所示，MEMS結(jié)構(gòu)最初包括襯底202、外延層204、層導電材料層206和光刻膠區(qū)208-A、208-B、...(一起構(gòu)成光刻膠區(qū)208)。襯底202最好是單晶硅的，為了作為阻止蝕刻而工作，外延層204是有摻雜的外延硅。也就是說，外延層204的厚度可在1-10μm之間變化，可以用作濕法各向異性蝕刻(將有簡短的說明)的組止蝕刻。標號206是導電材料層，如多晶硅、適宜的硅化物等。光刻膠區(qū)208是聚合物的，在蝕刻下層材料的過程中作為蝕刻掩膜。可利用正性抗蝕劑或負性抗蝕劑工藝(即紫外線曝光、顯影、浸蝕等)，由光刻膠層形成光刻膠區(qū)域208。
圖10是圖9中MEMS結(jié)構(gòu)去掉部分導電材料層206和光刻膠區(qū)域208后(即繪制及蝕刻金屬后)的剖面圖210。外延層204的末端為柔性配置。因而，外延層204上所保留的導電材料層206的各部分將最終形成聲音傳感器140的麥克風振動膜72(也可見于圖2和4的麥克風振動膜72)。也就是說，導電材料層206能夠響應(yīng)風和聲壓，即風/氣流的流動和聲音的傳播(聲音)而移動。
圖11是圖10的MEMS結(jié)構(gòu)附加低溫氧化物(LTO)層222和新光刻區(qū)域224后的剖面圖220。按照一種方案，低溫氧化物(LTO)層222是二氧化硅，是利用化學氣相淀積(CVD)工藝生成的(如使用CVD爐)。
圖12是圖11的MEMS結(jié)構(gòu)去除部分LTO層222和光刻膠區(qū)域224后的剖面圖230。剩余的LTO層222形成了聲音傳感器140的基座部分(即壁)(也可見于圖3的基座92)。
圖13是圖12的MEMS結(jié)構(gòu)附加聚酰亞胺242之后以及使結(jié)構(gòu)表面平整化(比如用聚酰亞胺、回流以及灰化覆蓋使MEMS結(jié)構(gòu)表面平整化)之后的剖面圖240。作為選擇，也可以拋光MEMS結(jié)構(gòu)，直至使LTO部分的頂部露出來。因此，聚酰亞胺242-A、242-B、...現(xiàn)在填充在LTO層222被去掉的部分所在的位置。
圖14是圖13的MEMS結(jié)構(gòu)附加一層導電材料層252(如鎢)后的剖面圖250。按照一種方案，所述導電材料層252包括金屬材料，如鎢，用CVD的方法使鎢覆蓋在LTO層和聚酰亞胺部分上面。也可用其他材料，比如多晶硅、適宜的硅化物、碳，或者其他高阻抗材料，這些材料也都適用于MEMS或半導體生產(chǎn)工藝。
圖15是圖14的MEMS結(jié)構(gòu)把光刻膠區(qū)262附加在在導電材料層252上之后的剖面圖260。
圖16是圖15的MEMS結(jié)構(gòu)去掉(如蝕刻掉)部分導電材料層252和光刻膠區(qū)域262后的剖面圖270。導電材料層252的一些剩余部分形成聲音傳感器140中熱線式風速計48的多組熱線延展部件78(還形成焊盤124-A、124-B)。這些微機械加工的部件比傳統(tǒng)的脆性熱線式風速計部件更加穩(wěn)定和具有彈性。導電材料層252的其它部分形成了部分基座(見圖3的基座92)。
圖17是圖16的MEMS結(jié)構(gòu)把另外的聚酰亞胺282附加在在導電材料層252的剩余部分和較早給出的聚酰亞胺242上之后的剖面圖280。聚酰亞胺242，282為導電材料層252的剩余部分提供保護和支撐，但最終將被去掉。
圖18是圖17的MEMS結(jié)構(gòu)把光刻膠區(qū)292-A、292-B、...附加在在聚酰亞胺282上之后的剖面圖290。
圖19是圖18的MEMS結(jié)構(gòu)去掉(如蝕刻掉)部分聚酰亞胺282和光刻膠區(qū)域292之后的剖面圖300。這種蝕刻可以發(fā)生在常規(guī)的反應(yīng)器里，指向各向異性的蝕刻。
圖20是圖19的MEMS結(jié)構(gòu)在把基座材料層312附加在覆蓋在導電材料層252和聚酰亞胺282的剩余部分上，以及把光刻膠區(qū)域314附加在基座材料312上之后的剖面圖310。按照一種方案，所述基座材料層312是利用等離子增強化學氣相淀積(PECVD)工藝生成的氮化硅。作為選擇，在使用玻璃旋轉(zhuǎn)工藝的同時，也可以使用氧化硅。
圖21是圖20的MEMS結(jié)構(gòu)去掉部分基座材料312和光刻膠部分314之后的剖面圖320。利用氟可以進行等離子蝕刻?；牧蠈?12的剩余部分形成基座92的一部分(見圖3中標號92-A部分)?；牧蠈?12的其他剩余部分322形成保護材料網(wǎng)格80，例以柵格圖樣的方式(見圖2和3)。
圖22是圖21的MEMS結(jié)構(gòu)附加保護材料層332之后的剖面圖330。這種保護層包括較多的聚酰亞胺，而且最終被去掉。
圖23是圖22的MEMS結(jié)構(gòu)在襯底202(即MEMS結(jié)構(gòu)的底部)上附加光刻膠區(qū)域342之后的剖面圖340。在附加保護層332之后(圖22)，為了形成光刻膠區(qū)342，可使MEMS結(jié)構(gòu)被翻轉(zhuǎn)(上下倒轉(zhuǎn))并受到處理。
圖24是圖23的MEMS結(jié)構(gòu)去掉部分襯底202，形成空腔部分352-A、352-B、352-C之后的剖面圖350。按照一種方案，所述MEMS結(jié)構(gòu)受到各向異性濕法蝕刻，比如使用氫氧化鉀/異丙醇。另外，也可用氫氧化四甲銨。
圖25是圖24的MEMS結(jié)構(gòu)從襯底202上去掉光刻膠部分342之后的剖面圖360。為了形成聲音傳感器140，現(xiàn)在準備將這種MEMS結(jié)構(gòu)與其他MEMS結(jié)構(gòu)結(jié)合。以下將參考圖26-30詳細說明如何形成所述的其他MEMS結(jié)構(gòu)。
圖26是另一種MEMS結(jié)構(gòu)的側(cè)向剖面圖400，這種MEMS結(jié)構(gòu)適于微機械加，為的是形成圖7中聲音傳感器140部分。用于制造聲音傳感器140部分的微機械加工工藝包括半導體/微機械加工的制造步驟，應(yīng)保持MEMS結(jié)構(gòu)的溫度低于攝氏700℃。因此，沒有或者很少有各種生產(chǎn)特征的形變。
如圖26所示，所述MEMS結(jié)構(gòu)最初包括襯底402、在襯底402上的外延層404、在外延層404上的導電材料層406、在襯底402相對側(cè)的硼硅玻璃層408，還包括在導電材料層406上的光刻膠區(qū)410-A、410-B、...(一起構(gòu)成光刻膠區(qū)410)。
正如圖9中的襯底202一樣，圖26中的襯底402也是單晶硅，而且為了用以阻止蝕刻，所述外延層404是有摻雜的外延硅。導電材料層406可以是比如多晶硅、適宜的硅化物等導電材料。光刻膠區(qū)410是聚合物的，在蝕刻下層材料時作為蝕刻掩膜。
圖27是圖26的MEMS結(jié)構(gòu)去掉部分導電材料層406和光刻膠區(qū)410之后的剖面圖420。外延層404上剩余的導電材料層406部分中，最終形成聲音傳感器140的麥克風50的剛性部件74(也可見于圖2-4)。
圖28是圖27的MEMS結(jié)構(gòu)附加光刻膠區(qū)域432之后的側(cè)視剖面圖430。
圖29是圖28的MEMS結(jié)構(gòu)去掉部分外延層404和光刻膠區(qū)432之后的剖面圖440。相應(yīng)地，現(xiàn)在由外延層404和導電層406的剩余部分上限定多個孔442-A、442-B、...每個孔442將成為電容式麥克風空腔上的孔76(見圖3)。
圖30是圖29的MEMS結(jié)構(gòu)經(jīng)過多道工序后的側(cè)視剖面圖450。特別地，圖30表示，所述MEMS結(jié)構(gòu)經(jīng)過如下工序，將MEMS結(jié)構(gòu)上下顛倒之后；把保護材料層452附加在剩余的外延層404和剩余的導電層406上之后；以及給部分硼硅玻璃層408和部分襯底402覆蓋以光刻膠區(qū)454，并經(jīng)過各向異性的蝕刻形成電容式麥克風空腔96的部分456之后。隨后，將光刻膠區(qū)454去調(diào)。
圖30是一種MEMS器件的側(cè)視剖面圖406，這種MEMS器件是將圖25中的MEMS結(jié)構(gòu)和圖30(去除光刻膠區(qū)454后)中的MEMS結(jié)構(gòu)壓焊在一起形成的。按照一種方案，通過陽極焊的方法，將圖25和附圖30中的MEMS結(jié)構(gòu)焊在一起。保護層(即聚酰亞胺部分242、282和332)也經(jīng)被去掉。最終的結(jié)果是有多個聲音感測部件142(見圖7)的聲音傳感器140(即聲音感測MEMS器件)。
圖32是形成諸如圖31中MEMS器件的聲音傳感器生產(chǎn)過程470的流程圖。
在步驟472，在基座結(jié)構(gòu)的襯底上形成麥克風振動膜。有如上面參考圖9和10所述的，通過在襯底202上形成金屬部分206，可以實現(xiàn)這種工序。
在步驟474，在基座結(jié)構(gòu)上淀積第一層材料。有如上面參考圖11-13所述的，通過在襯底202上形成LTO區(qū)域222和聚酰亞胺區(qū)域242(例如由LTO區(qū)域222限定的圓柱形空腔內(nèi)的聚酰亞胺區(qū)域)，可以實現(xiàn)這種工序。
在步驟476，在第一層材料上淀積第二層材料。有如上面參考圖14所述的，用CVD(或RTP)方法，可由LTO區(qū)域222和聚酰亞胺區(qū)域242形成的第一層上淀積一層鎢(或者選擇多晶硅、適宜的硅化物等)，實現(xiàn)所述工序。
在驟478，至少去掉第一層的一部分和第二層的一部分，以使第二層的剩余部分形成多個延展部件，該延展部件由基座結(jié)構(gòu)支撐，并且彼此之間嚴格平行。尤其是，去掉聚酰亞胺區(qū)242形成第一層的一部分，去掉部分鎢形成第二層的一部分。可以有如上述參考圖15和16那樣實現(xiàn)去掉部分鎢。最好是，在整個工藝接近尾聲的時候去掉聚酰亞胺，這樣在最后的步驟中聚酰亞胺能夠支撐和保護延展部件。最后，多個延展部件形成了熱線式風速計48的一組熱線延展部件。
在步驟480，去掉一部分襯底(例如通過各向異性的蝕刻)，形成電容式麥克風空腔的第一部分?？梢匀缟鲜鰠⒖紙D23-25那樣實現(xiàn)所述工序。
在步驟482，在其它的襯底上形成一個剛性部件，去掉一部分襯底(例如通過各向異性的蝕刻)，以形成電容式麥克風空腔的第二部分，并將兩塊襯底壓焊在一起(例如通過陽極焊)，以使電容式麥克風的空腔排成一列，并使麥克風振動膜被設(shè)置在延展部件和電容式麥克風的空腔之間。最后形成具有聲音感測部件的MEMS器件(例如見圖3和4中的聲音傳感器42)。這種部件包括熱線式風速計48和麥克風50(見圖1)。
應(yīng)能理解，還有可選的方法用于形成上述MEMS器件的各部分。例如，用其它的方法來生成MEMS的底部。
圖33是另一種MEMS結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖面圖500。這種MEMS結(jié)構(gòu)適于微機械加工，為的是形成圖7中聲音傳感器140的下部。同上述其他工藝一樣，用于制造聲音傳感器140部分的微機械工藝包括半導體/微機械制造步驟，應(yīng)保持MEMS結(jié)構(gòu)的溫度低于攝氏700℃。相應(yīng)地，沒有或者很少有各種微機械加工特點的形變。
如圖33所示，所述MEMS結(jié)構(gòu)最初包括襯底502，在襯底402上的光刻膠層504。
圖34是圖33的MEMS結(jié)構(gòu)去掉了部分襯底502和光刻膠層504形成多個孔512之后的側(cè)視剖面圖510。也可以通過較長時間的各向異性蝕刻來形成各孔512。作為選擇，也可以簡單地預(yù)先鉆通襯底502(如硼硅玻璃晶片)來形成各孔512。使用硼硅玻璃晶片(即使帶有預(yù)先鉆的孔)可以明顯降低MEMS結(jié)構(gòu)的成本，因為減少了掩膜步驟，而且不需要在襯底502上淀積硼硅玻璃層(見圖26的硼硅玻璃層408)。
圖35是圖34的MEMS結(jié)構(gòu)在襯底502上加給導電材料層522，使襯底502內(nèi)留下開孔512(比如為了避免孔512被填充，使導電材料經(jīng)電子束蒸發(fā))之后的側(cè)視剖面圖520。
圖36是圖35的MEMS在導電材料層522上附加光刻膠層532之后的側(cè)視剖面圖530。
圖37是圖36的MEMS結(jié)構(gòu)去掉部分導電材料層522和光刻膠層532之后的側(cè)視剖面圖540。
圖38是一種MEMS器件的剖面圖550，通過將圖25中的MEMS結(jié)構(gòu)和圖37中的MEMS結(jié)構(gòu)壓焊在一起(如在兩種MEMS結(jié)構(gòu)間使用陽極焊)，并去除保護層(如聚酰亞胺)形成該MEMS器件，以形成具有多個聲音感測部件的MEMS器件。
應(yīng)當理解的是，導電材料522的剩余部分形成麥克風50的剛性部件74。與圖31的MEMS器件相反，剛性部件74設(shè)在電容式麥克風的空腔352內(nèi)，該空腔352是由襯底202和襯底502限定的(回顧圖31MEMS器件的剛性部件放在電容式麥克風空腔352之外)。
還應(yīng)理解的是，由于各向異性濕法蝕刻，所述電容式麥克風空腔352的側(cè)面逐漸變細。在其它方案中，電容式麥克風空腔的側(cè)面完全是平直的(如基本上垂直于由金屬部件206形成的麥克風振動膜)。圖39是圖23的MEMS結(jié)構(gòu)去掉部分襯底后(如各向異性等離子蝕刻)的剖面圖560，這樣剩下的電容式麥克風的空腔562的側(cè)面基本上就是平直的。
應(yīng)能理解，上述各個制造步驟可以采用標準的硅工藝。另外，這些制造步驟不需要昂貴的照相平版印刷技術(shù)，因為能夠以相當大的尺寸來實現(xiàn)這些特征(例如可以是微米級的而不是亞微米級)。此外，至于形成電容式麥克風空腔的襯底的蝕刻部分，可采用各向異性等離子蝕刻來取代各向異性濕法蝕刻，為的是省去V型槽，從而可減小整個芯片的尺寸。
此外，正如早先所闡釋的，最好是在低于700℃的溫度下制造本發(fā)明用于聲音系統(tǒng)的MEMS器件。這樣會使溫度形變很小，從而使MEMS器件具有高的精密度，也就是說，以較高的微機械加工精度進行制造。
再有，本發(fā)明所實現(xiàn)的MEMS器件比先前所述傳統(tǒng)的采用具有精細的1-5mm細絲的熱線式風速計的試驗方案更加耐用也更加可靠。因此，本發(fā)明的聲音系統(tǒng)40，150適于商業(yè)應(yīng)用(如攝像機、戶外記錄設(shè)備、廣播、助聽器、手機等)。還可以用于軍事/國防方面(如無人軍用戰(zhàn)場傳感系統(tǒng)、聲音感測陣列等)。
如上所述，本發(fā)明的一些實施例是針對利用MEMS技術(shù)獲得聲學信號的方法。例如，實質(zhì)上可將諸如麥克風和熱線式風速計等感測部件配置于一個MEMS器件中。因此，可以測得幾乎為同一位置的風速、以及聲音及風壓信號。風壓信號是基于所在位置的風速信號所產(chǎn)生的，這樣，從聲音及風壓信號中減掉風壓信號，就可以得到去除風噪聲的、而且是精確的聲音信號。
上述聲音傳感器40，150適于商業(yè)應(yīng)用，如攝像機、助聽器、電話、手機等。也適用于軍事/國防方面，如無人軍用戰(zhàn)場傳感器(比如用來識別坦克，汽車和卡車的信號)、戰(zhàn)場聲音監(jiān)控系統(tǒng)、飛機、導彈，定位傳感器，戰(zhàn)術(shù)隱蔽監(jiān)視設(shè)備等。如上所述，本發(fā)明的這些特征可用于電子系統(tǒng)設(shè)備和方法中，例如麻薩諸塞州，Wilmington的Textron Systems公司的一些產(chǎn)品中。
雖然已經(jīng)參考各優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了特定的揭示和闡述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明精神實質(zhì)和由權(quán)利要求所限定的保護范圍情況下，本發(fā)明在形式和細節(jié)上可進行改變。
例如，應(yīng)該理解，上述包括一個N×M陣列的聲音感測部件142的聲音傳感器140(見圖7)只是一種示例的方式，其他結(jié)構(gòu)也同樣適用于聲音傳感器140。例如，可將聲音感測部件142排列成同心圓式的、半圓形式的、三角形結(jié)構(gòu)式的、六邊形結(jié)構(gòu)式的等環(huán)形結(jié)構(gòu)。另外，N×M陣列不需要包括垂直的行和列，而且在某種程度上，N×M陣列可以是不規(guī)則形狀(如梯形的)，或不規(guī)則圖樣。
另外，還應(yīng)理解，可將上述聲音感測部件142可以組合成多個組，每組的單元142可以具有不同的屬性(例如不同數(shù)目、形狀、厚度或大小)。按照一種方案，單元142的不同的列(或行)具有不同的屬性，因此可以將每組中的部件142調(diào)整到不同的頻率。按照另一種方案(例如一種不規(guī)則圖樣的排列、一個N×M陣列排布等)，將第一麥克風振動膜設(shè)置成用于響應(yīng)第一頻率范圍的聲波，而將第二麥克風振動膜設(shè)置成用于響應(yīng)與第一頻率范圍不同的第二頻率范圍聲波。再一種方案，使所有單元142具有相同的幾何形狀排列，但是不同組的信號被以電的方式加權(quán)。例如，沿著聲音傳感器140邊緣部分的聲音感測部件142的風速以及聲音和風壓信號的權(quán)重要小于中央附近部件142的權(quán)重。
再有，還應(yīng)該理解，有如所述3×3陣列的聲音傳感器140的聲音感測部件142僅是作為一種示例，其他數(shù)目的行和列同樣是適用的。行和列數(shù)目的大小、數(shù)量，在很大程度上可根據(jù)特定的應(yīng)用而指定。由于微機械加工技術(shù)的進步，可以以極其精確的公差和極高的可靠性生產(chǎn)出大型的陣列。
此外，應(yīng)該理解的是，所述網(wǎng)格狀保護層80也是優(yōu)選的。如果由其它部件(如MEMS器件封裝)為聲音傳感器40、140提供保護，則無需采用網(wǎng)格狀保護層80。還應(yīng)該理解，適用于網(wǎng)格狀的保護層80除了柵格圖樣外，還可以是其他圖樣，如圓形、六邊形等。
另外，可以理解，上述相對的呈桿形并彼此平行的熱線延展部件78僅作為一種示例。其他形狀和排列同樣適用于熱線延展部件78，例如手指形部件、交叉的指狀排列、環(huán)形部件等。
另外，可以理解，所述熱線式風速計48和所述電容式麥克風僅是示例而已，其它類型的風速計和麥克風也同樣適用。例如所述麥克風可以采用比如電動式麥克風(即通過在磁場中移動線圈來感測電流)，比如惠斯登電橋(即響應(yīng)因麥克風振動膜的物理運動所致電阻改變，而檢測電壓的變化)等。
此外，可以理解，上述處理電路44、152是用ASIC實現(xiàn)的，這僅是作為示例。其他的實現(xiàn)方式，如采用混合電路(即電路板材料一小部分上的多個IC)、一個標準尺寸的電路板或者遠程電子設(shè)備(通過發(fā)送器和接收器進行通信)上多個IC等也都是適用的。
權(quán)利要求
1.一種聲音傳感器，包括基座；由所述基座支撐的麥克風，所述麥克風包括麥克風振動膜；和由所述基座支撐的熱線式風速計，所述熱線式風速計包括一組熱線延展部件，這組熱線延展部件限定一個實際上與所述麥克風振動膜平行的平面。
2.如權(quán)利要求1所述的聲音傳感器，其中，第一導電材料層確定所述麥克風振動膜，第二導電材料層確定所述一組熱線延展部件，并且所述基座包括一個襯底，該襯底支撐所述第一層導電材料和第二層導電材料。
3.如權(quán)利要求2所述的聲音傳感器，其中，所述麥克風還包括剛性部件，它被所述基座支撐，并且實際上與所述麥克風振動膜平行，它限定一個電容式麥克風的空腔；第三層導電材料確定所述麥克風的剛性部件；所述襯底支撐所述第三導電材料層；并且所述麥克風振動膜延伸到接近所述基座，在所述一組熱線延展部件與電容式麥克風的空腔之間形成密封。
4.如權(quán)利要求2所述的聲音傳感器，其中，所述一組熱線延展部件包括在該組熱線延展部件限定的平面內(nèi)實際上彼此平行的多個鎢絲電橋。
5.如權(quán)利要求2所述的聲音傳感器，其中，還包括由襯底支撐的保護材料層，所述保護材料層確定一個網(wǎng)格，使外部位置的聲波能夠通過保護材料層，到達所述熱線延展部件和麥克風振動膜。
6.如權(quán)利要求2所述的聲音傳感器，其中，所述第一導電材料層確定多個麥克風振動膜，其中包含上述麥克風振動膜；所述多個麥克風振動膜被排列成二維N×M麥克風振動膜陣列；所述第二導電材料層確定多組熱線延展部件，其中包含上述一組熱線延展部件；所述多組熱線延展部件排列成二維N×M熱線延展部件組陣列，它們對應(yīng)于所述二維N×M麥克風振動膜陣列。
7.如權(quán)利要求6所述的聲音傳感器，其中，所述二維N×M的麥克風振動膜陣列包括第一麥克風振動膜，用以響應(yīng)第一頻率范圍內(nèi)的聲波；和第二麥克風振動膜，用以響應(yīng)與第一頻率范圍是不同的第二頻率范圍內(nèi)的聲波。
8.如權(quán)利要求6所述的聲音傳感器，其中，所述二維N×M的麥克風振動膜陣列包括用以響應(yīng)第一頻率范圍內(nèi)聲波的第一行麥克風振動膜，和用以響應(yīng)與第一頻率范圍是不同的第二頻率范圍內(nèi)聲波的第二行麥克風振動膜。
9.一種聲音系統(tǒng)，包括聲音傳感器，它具有(i)基座，(ii)具有麥克風振動膜的麥克風，它被所述基座支撐，以及(iii)具有一組熱線延展部件的熱線式風速計，它被所述基座支撐，這組熱線延展部件限定一個實際上與所述麥克風振動膜平行的平面；和處理電路，它從麥克風接收聲音及風壓信號，從熱線式風速計接收風速信號，并且根據(jù)來自麥克風的所述聲音及風壓信號和來自熱線式風速計的所述風速信號給出一個輸出信號。
10.如權(quán)利要求9所述的聲音系統(tǒng)，其中，所述聲音傳感器是微電子機械系統(tǒng)器件；第一層導電材料確定所述麥克風振動膜，第二層導電材料確定所述一組熱線延展部件；所述基座包括襯底，用于支撐所述第一導電材料層和第二導電材料層。
11.如權(quán)利要求10所述的聲音系統(tǒng)，其中，所述聲音傳感器的麥克風還包括剛性部件，它實際上與所述麥克風振動膜平行，用以形成電容式麥克風的空腔；第三層導電材料確定所述麥克風的剛性部件；襯底支撐所述第三導電材料層；所述麥克風振動膜延伸到接近基座，在所述一組熱線延展部件與電容式麥克風的空腔之間形成密封。
12.如權(quán)利要求10所述的聲音系統(tǒng)，其中，所述聲音傳感器的熱線式風速計中的所述一組熱線延展部件包括在該組熱線延展部件限定的平面內(nèi)實際上彼此平行的多個鎢絲電橋。
13.如權(quán)利要求10所述的聲音系統(tǒng)，其中，所述聲音傳感器還包括由襯底支撐的保護材料層，所述保護材料層確定一個網(wǎng)格，使外部位置的聲波能夠通過保護材料層，到達所述一組熱線延展部件和麥克風振動膜。
14.如權(quán)利要求10所述的聲音系統(tǒng)，其中，所述第一導電材料層確定多個麥克風振動膜，其中包含上述麥克風振動膜；多個麥克風振動膜排列成二維N×M麥克風振動膜陣列；第二導電材料層確定多組熱線延展部件，其中包含上述一組熱線延展部件；多組熱線延展部件排列成二維N×M熱線延展部件組陣列，它們對應(yīng)于所述二維N×M麥克風振動膜陣列。
15.如權(quán)利要求14所述的聲音系統(tǒng)，其中，所述二維N×M麥克風振動膜陣列包括第一麥克風振動膜，用以響應(yīng)第一頻率范圍內(nèi)的聲波；和第二麥克風振動膜，用以響應(yīng)與第一頻率范圍是不同的第二頻率范圍內(nèi)的聲波。
16.如權(quán)利要求14所述的聲音系統(tǒng)。其中，所述二維N×M麥克風振動膜陣列包括用以響應(yīng)第一頻率范圍內(nèi)聲波的第一行麥克風振動膜，以及用以響應(yīng)與第一頻率范圍是不同的第二頻率范圍內(nèi)聲波的第二行麥克風振動膜。
17.如權(quán)利要求9所述的聲音系統(tǒng)，其中，所述處理電路包括轉(zhuǎn)換級，它將來自所述熱線式風速計的風速信號轉(zhuǎn)換成含有風壓分量的模擬風壓信號；和輸出級，它從來自麥克風的所述聲音及風壓信號減去所述模擬風壓信號的風壓分量，生成一個輸出信號。
18.如權(quán)利要求17所述的聲音系統(tǒng)，其中，所述轉(zhuǎn)換級和輸出級都是模擬電路，這些模擬電路被設(shè)置在一塊專用集成電路內(nèi)。
19.如權(quán)利要求9所述的聲音系統(tǒng)，其中，所述處理電路包括相關(guān)級，它使風速信號數(shù)字化，并使被數(shù)字化的風速信號與檢查表中的一系列風壓值相關(guān)聯(lián)，再以相關(guān)信號的形式提供一系列風壓值；輸出級，用于(i)從相關(guān)級接收所述相關(guān)信號，(ii)從麥克風接收所述聲音及風壓信號，以及(iii)從所述聲音及風壓信號減去所述一系列風壓值，提供一個輸出信號。
20.一種提供聲音信號的方法，其中，所述方法包括以下步驟響應(yīng)所述麥克風振動膜上的聲音和風壓，生成聲音及風壓信號；響應(yīng)所述具有一組熱線延展部件的熱線式風速計上的風速，生成風速信號，所述一組熱線延展部件確定一個實際上與所述麥克風振動膜平行的平面；和根據(jù)已生成的聲音及風壓信號和已生成的風速信號給出一個輸出信號，作為所述聲音信號。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述方法還包括下述步驟提供微電子機械系統(tǒng)器件，作為所述麥克風和熱線式風速計。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述給出輸出信號的步驟包括以下各步把風速信號轉(zhuǎn)換成具有風壓分量的模擬風壓信號；和從所述聲音將風壓信號中減去所述模擬風壓信號的風壓分量，給出輸出信號。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述給出輸出信號的步驟包括以下各步使風速信號數(shù)字化；使被數(shù)字化的風速信號與檢查表中的一系列風壓值相關(guān)聯(lián)；和從所述聲音及風壓信號中減去上述一系列風壓值，給出輸出信號。
24.一種制造微電子機械系統(tǒng)器件的方法，其中，所述方法包括以下步驟在基座結(jié)構(gòu)上淀積第一材料層；在第一材料層上淀積第二材料層；和至少去除部分第一材料層和部分第二材料層，使第二材料層的剩余部分形成多個由基座結(jié)構(gòu)支撐的延展部件，所述各延展部件彼此平行；所述淀積第一材料層、淀積第二材料層以及去除步驟都在低于700℃的溫度范圍內(nèi)發(fā)生。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述淀積第二材料層的步驟包括利用等離子增強化學氣相淀積工藝淀積導電材料，作為所述第二材料層。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述淀積步驟包括在所述第一材料層上設(shè)置鎢，作為導電材料，使所述微電子機械系統(tǒng)器件能夠作為熱線式風速計而工作。
27.如權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述基座結(jié)構(gòu)包括襯底，并且所述反復還包括以下步驟在所述基座結(jié)構(gòu)上預(yù)先淀積第一材料層，同時在所述基座結(jié)構(gòu)的襯底上形成麥克風振動膜，在所述去除步驟之后，所述麥克風振動膜處于所述多個延展部件與襯底之間。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，還包括以下步驟去除部分襯底，形成電容式麥克風空腔的第一部分；在另一襯底上形成剛性部件，并去除部分另一襯底，形成電容式麥克風空腔的第二部分；和將所述襯底與另一襯底壓焊在一起，以使所述電容式麥克風空腔的第一和第二部分對準，并使麥克風振動膜被設(shè)置在所述多個延展部件與電容式麥克風的空腔之間，形成具有熱線式風速計和電容式麥克風的聲音部件，作為微電子機械系統(tǒng)器件。
全文摘要
一種具有聲音傳感器和處理電路的聲音系統(tǒng)。所述聲音傳感器包括基座，還包括具有由基座支撐的一組熱線延展部件的熱線式風速計。這組熱線延展部件限定一個實際上與麥克風振動膜平行的平面。所述處理電路接收來自麥克風的聲音及風壓信號和來自熱線式風速計的風速信號，并根據(jù)來自麥克風的所述聲音及風壓信號和來自熱線式風速計的所述風速信號提供一個輸出信號(例如，去除風噪聲的準確的聲音信號)。各熱線延展部件限定實際上與麥克風振動膜平行的平面，可以以MEMS器件容易地實現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)，使這種結(jié)構(gòu)適合于小型化的應(yīng)用。
文檔編號G01S7/521GK1498514SQ02806787
公開日2004年5月19日 申請日期2002年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月15日
發(fā)明者霍華德·C·雀, 埃姆爾·S·比拉, S 比拉, 霍華德 C 雀 申請人:特克斯特羅恩系統(tǒng)公司