CN103763668B - 一种mems传声器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开提出一种MEMS传声器，其包括外壳、PCB板以及位于外壳内部且设置于PCB板上的ASIC芯片与MEMS振动膜片；所述外壳设置有多个声孔且底面开口，PCB板将该底面开口密封；所述MEMS振动膜片包括基膜、附着于基膜一侧表面的上电极层以及附着于基膜另一侧表面的下电极层。本发明的MEMS传声器具有灵敏度高、结构简单、失真小的有益效果。

Description

一种MEMS传声器
技术领域
本发明涉及传声器设备领域，尤其涉及一种MEMS传声器。
背景技术
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)传声器是指利用MEMS技术加工的传声器产品。现有的MEMS传声器的结构图如图1所示，现有的MEMS传声器包括PCB底板1，框架2，PCB顶板5；PCB底板1，框架2，PCB顶板5构成中空壳体；设置于PCB底板1上的ASIC(Application Specific Integrated Circuits)(专用IC)芯片4以及振动膜3。PCB底板1上设置有进声孔，声音通过进声孔进入壳体1内部引起振动膜3振动从而使得振动膜的电容发生变化，ASIC芯片检测该电容变化并将其转换为电信号传递给相关处理器件，例如配套的前置放大器或音频输入接口等。
MEMS传声器中，振动膜是整个MEMS传声器的核心器件。现有的MEMS传声器中的振动膜的材料一般为、二氧化硅、多晶硅、聚酰亚胺等材料，也有采用其他材料制成，例如公开号为CN101091413A的中国专利“扬声器用振动膜及其制造方法、使用该振动膜的扬声器及使用该扬声器的设备”，其振动膜采用树脂、芳香族聚酰亚胺纤维和有机硅化合物构成，其主要是提高振动膜的物理参数设定自由度、确保耐湿可靠性和强度。然而MEMS传声器的振动膜主要考虑的是其电学性能而非机械性能。
又如公开号为“CN101646119A”的中国专利“具有微蜂窝结构振动膜的硅微电容传声器芯片及制备方法”，其将微蜂窝结构应用于振动膜中以提高振动膜刚度，提高谐振频率。
上述现有的专利均未针对振动膜的电学性能对振动膜的材料进行改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种压电性能好、灵敏度高的MEMS传声器。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种MEMS传声器，其包括外壳、PCB板以及位于外壳内部且设置于PCB板上的ASIC芯片与MEMS振动膜片；所述外壳设置有多个声孔且底面开口，PCB板将该底面开口密封；所述MEMS振动膜片包括基膜、附着于基膜一侧表面的上电极层以及附着于基膜另一侧表面的下电极层：
所述基膜通过如下方式制备：
向配有机械搅拌、温度计和氮气入口的5L干燥的三口圆底烧瓶中加入3,5-二硝基苯甲酰氯185.00g，0.815mol，4，4’-二苯甲烷二异氰酸酯12.58g，0.096mol，三乙胺500ml，苯乙炔26.78g,0.269mol搅拌反应30分钟得到均相溶液；
继续加入3,5-二硝基-4’-苯乙炔基二苯甲酮25.78g，0.089mol，N-N二甲基乙酰胺258.32g，0.986mol在10-15℃下反应约10-15小时得到聚酰亚胺溶液；
将聚酰亚胺溶液均匀涂覆于玻璃板上，放入烘箱中，在170℃温度下加热30分钟，而后在200℃温度下加热2小时，最后在250℃温度下加热1小时后冷却至室温，将玻璃板置于沸腾的去离子水中浸泡得到厚度为20-25μm的聚酰亚胺基膜；
所述上电极层为铝金属层，厚度为0.03-0.05μm；
所述下电极层厚度为0.3-0.7μm；所述下电极层的组分及重量百分比为：
Al:10％-15％；Cr:5％-8％；Nb:0.2％-1.5％；Ni:2.5％-5％； Pt:7％-10％；余量为Ti。
本发明中，采用特殊材质的材料和工艺制成MEMS振动膜片的基膜与下电极层，使得整个MEMS传声器的灵敏度更高。在下电极层材料中，铝、铬、铌、镍、铂、钛都是良好的导电元素，首先能够满足下电极层最基本的导电要素。其次，下电极层中的元素均具有良好的热稳定性，在后续制备过程中不会因为氧化而发生性质改变。
铌元素虽然具有较好的耐氧化性能，但是若将其形成很薄的薄膜时，铌元素表面会形成致密的氧化膜并阻止继续氧化，该层致密的氧化膜即可作为下电极层的衬底。
铝元素能增强下电极层的导电性能，同时铝元素、铬元素和镍元素相互之间能够形成强力的吸附效应，使得铝元素、铬元素、镍元素以及其他金属元素均能很好的吸附于铌元素形成的衬底上。
铂元素是衬底的扩散阻挡层，但是铂元素的界面结合力太差，即使铝元素、铬元素和镍元素形成的吸附效应也不足以使得铂元素很好的结合于衬底中，因此本发明中下电极层的主体成分采用钛元素。钛元素不仅具有良好的导电性能、热稳定性能还能很好的增加铂元素与衬底的结合性能。
进一步地，所述下电极层厚度为0.5μm；所述下电极层的组分及重量百分比为：
Al:13％；Cr:5％；Nb:1.0％；Ni:3％,Pt:10％；余量为Ti。
进一步地，所述下电极层通过如下方式附着于基膜上：
S1：磁控溅射铌元素：选用纯铌靶材，调节靶材与基膜的距离至100-120mm；溅射沉积：溅射时间5-10分钟，工作气压1.2-1.5Pa；
S2：氧化反应：将溅射有铌元素的基膜静置10-30分钟使得铌元素氧化反应以在基膜表面形成氧化铌薄膜；
S3：磁控溅射铝、铬、镍元素：选用纯铝、纯铬、纯镍靶材，通入氩气作为保护气体，调节靶材与基膜的距离至50-70mm；溅射沉积：溅射时间20-30分钟，工作气压1.0-1.2Pa；
S4：磁控溅射铂元素；
S5：磁控溅射钛元素。
本发明的下电极层在制备过程中，将各个元素分别磁控溅射至基膜上，而非将所有的元素一次性溅射至基膜上，使得各个元素各自发挥其作用，同时又使得所有的元素能够很好的相互结合，不会轻易脱落。
进一步地，所述上电极层厚度为0.04μm，所述基膜厚度为7.5μm。
厚度是影响MEMS振动膜片灵敏度和电性能的重要参数。MEMS振动模片振动时引起的电容值变化是电荷分别向膜片两端移动所引起，厚度的值即决定了聚集在MEMS膜片内部的电荷密度，但是厚度也影响着MEMS振动膜片的电阻率，一般来讲，厚度降低，电阻率下降，同时电荷密度急剧上升。为了平衡二者的关系，通过大量计算和实验，最终选取的基膜厚度和上电极层厚度使得MEMS振动膜片具有最好的灵敏度。
进一步地，所述上电极层通过真空蒸镀附着于基膜一侧表面；真空蒸镀时，抽真空达到6X10-4Pa，阻蒸电流为320-350A。
由于上电极层仅有单一的铝元素且上电极层厚度更薄，因此采用真空蒸镀的方法附着于基膜表面。真空蒸镀中，真空度和阻蒸电流是影响成膜质量的两个制约因素。真空度越高，成膜质量越好，同时空气中的氧气对铝元素的氧化效应影响越小，但真空度太高会使得成本上升太快。阻蒸电流是影响蒸汽分子入射动能，影响成膜致密度的参数，阻蒸电流增大，成膜致密，但阻蒸电流过大使得膜内应力增大，反而致使膜层松散。本发明在真空蒸镀时选取的参数充分考虑了铝元素的性能以及上电极层的厚度，因 此最终的上电极层附着效果较好。
进一步地，所述多个声孔设置于外壳顶面且所述声孔的数量为4个，其中三个声孔的圆心的连线构成等边三角形，另一个声孔的圆心位于该等边三角形中心。
本发明中，声孔设置于外壳顶面而非传统的设置于PCB板底面，使得进声方式由之前的背部进声变化为前部进声。采用此种进声方式无需对PCB板进行改造，仅需对外壳进行改造，简化了产品生产工艺，提高产品组装效率且大幅降低产品成本。
另外，四个声孔的位置关系设置使得声音经过该4个声孔传递至MEMS振动膜片时，膜片的表面受压均匀，膜片的振动更加接近活塞振动，大大减小谐波的产生，减小失真。
与现有技术相比，本发明的MEMS传声器具有如下有益效果：
1、灵敏度高、附着效果好。通过材料体系设计和制备工艺的改进大大提高了MEMS传声器的灵敏度和附着效果、提高了使用寿命。
2、产品结构简单、制备精度要求低。
3、通过声孔的位置关系设计使得MEMS传声器失真小。
附图说明
图1为现有MEMS传声器的剖面示意图；
图2为本发明MEMS传声器的剖面示意图；
图3为图2中外壳的立体结构示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图2所示，本发明MEMS传声器，其包括外壳10、PCB板20以及位于外壳内部且设置于PCB板20上的ASIC芯片50与MEMS 振动膜片30；所述外壳10设置有多个声孔40且底面开口，PCB板20将该底面开口密封。
所述MEMS振动膜片30包括基膜、附着于基膜一侧表面的上电极层以及附着于基膜另一侧表面的下电极层。
下面通过三个较佳实施例描述本发明中MEMS振动膜片的组分、制备方法以及最终的压电性能。
实施例1
制备厚度为20μm的基膜：
(1)向配有机械搅拌、温度计和氮气入口的5L干燥的三口圆底烧瓶中加入3,5-二硝基苯甲酰氯(185.00g，0.815mol)，4，4’-二苯甲烷二异氰酸酯(12.58g，0.096mol)，三乙胺(500ml)，苯乙炔(26.78g,0.269mol)搅拌反应30分钟得到均相溶液；
(2)继续加入3,5-二硝基-4’-苯乙炔基二苯甲酮(25.78g，0.089mol)，N-N二甲基乙酰胺(258.32g，0.986mol)在10-15℃下反应约10-15小时得到聚酰亚胺溶液；
(3)将聚酰亚胺溶液均匀涂覆于玻璃板上，放入烘箱中，在170℃温度下加热30分钟，而后在200℃温度下加热2小时，最后在250℃温度下加热1小时后冷却至室温，将玻璃板置于沸腾的去离子水中浸泡得到厚度为20-25μm的聚酰亚胺基膜；
制备厚度为0.3μm的下电极层：
(1)在基膜上磁控溅射铌元素：选用纯铌靶材，调节靶材与基膜的距离至100-120mm；溅射沉积：溅射时间5-10分钟，工作气压1.2-1.5Pa；
(2)将溅射有铌元素的基膜静置10-30分钟使得铌元素氧化反应以在基膜表面形成氧化铌薄膜；
(3)磁控溅射铝、铬、镍元素：选用纯铝、纯铬、纯镍靶材，通入氩气作为保护气体，调节靶材与基膜的距离至50-70mm；溅射沉积：溅射时间20-30分钟，工作气压1.0-1.2Pa；
(4)磁控溅射铂元素；
(5)磁控溅射钛元素。
上述铌元素、铝元素、铬元素、镍元素、铂元素和钛元素的重量百分分别为：10％、5％、0.2％、2.5％、7％以及余量。
制备厚度为0.03μm的上电极层：
通过真空蒸镀将铝元素附着于上电极层一侧表面，真空蒸镀时，抽真空达到6X10-4Pa，阻蒸电流为320A。
将制得的MEMS振动膜片取代B&K4149标准传声器中的振动膜片并按照GB9401-88的标准，测试最终的传声器的灵敏度。测试过程中，对比传声器采用B&K4149标准传声器。
测试过程中，将标准传声器和待测传声器并排放在距声源1米处进行测试，采用Agi-lent 35670A动态信号分析仪进行信号分析，最终测试得到5kHz左右，待测传声器的灵敏度值见表一。
实施例2
制备厚度为23μm基膜；制备方法与实施例1相同。
制备厚度为0.5μm的下电极层：
(1)在基膜上磁控溅射铌元素：选用纯铌靶材，调节靶材与基膜的距离至100-120mm；溅射沉积：溅射时间5-10分钟，工作气压1.2-1.5Pa；
(2)将溅射有铌元素的基膜静置10-30分钟使得铌元素氧化反应以在基膜表面形成氧化铌薄膜；
(3)磁控溅射铝、铬、镍元素：选用纯铝、纯铬、纯镍靶材，通入氩气作为保护气体，调节靶材与基膜的距离至50-70mm；溅射沉积：溅射时间20-30分钟，工作气压1.0-1.2Pa；
(4)磁控溅射铂元素；
(5)磁控溅射钛元素。
上述铌元素、铝元素、铬元素、镍元素、铂元素和钛元素的 重量百分分别为：13％、5％、1％、3％、10％以及余量。
制备厚度为0.04μm的上电极层：
通过真空蒸镀将铝元素附着于上电极层一侧表面，真空蒸镀时，抽真空达到6X10-4Pa，阻蒸电流为340A。
按照与实施例1相同的测试方法测试最终制得的传声器的灵敏度，测试数据见表1。
实施例3
制备厚度为25μm基膜；制备方法与实施例1相同。
制备厚度为0.5μm的下电极层：
(1)在基膜上磁控溅射铌元素：选用纯铌靶材，调节靶材与基膜的距离至100-120mm；溅射沉积：溅射时间5-10分钟，工作气压1.2-1.5Pa；
(2)将溅射有铌元素的基膜静置10-30分钟使得铌元素氧化反应以在基膜表面形成氧化铌薄膜；
(3)磁控溅射铝、铬、镍元素：选用纯铝、纯铬、纯镍靶材，通入氩气作为保护气体，调节靶材与基膜的距离至50-70mm；溅射沉积：溅射时间20-30分钟，工作气压1.0-1.2Pa；
(4)磁控溅射铂元素；
(5)磁控溅射钛元素。
上述铌元素、铝元素、铬元素、镍元素、铂元素和钛元素的重量百分分别为：13％、5％、1％、3％、10％以及余量。
制备厚度为0.04μm的上电极层：
通过真空蒸镀将铝元素附着于上电极层一侧表面，真空蒸镀时，抽真空达到6X10-4Pa，阻蒸电流为340A。
按照与实施例1相同的测试方法测试最终制得的传声器的灵敏度，测试数据见表1。
表1
从表1的三个测试结果可知，应用本发明的MEMS振动膜片的MEMS传声器相比标准传声器的灵明度能提高约100多个dB。
优选地，如图3所示，为了减小MEMS传声器本身的失真，降低生产成本，将声孔40设置于外壳10顶面而非传统的设置于PCB板底面同时将声孔40的数量设为4个，且其中三个声孔的圆心的连线构成等边三角形，另一个声孔的圆心位于该等边三角形中心。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种MEMS传声器，其特征在于：包括外壳、PCB板以及位于外壳内部且设置于PCB板上的ASIC芯片与MEMS振动膜片；所述外壳设置有多个声孔且底面开口，PCB板将该底面开口密封；所述MEMS振动膜片包括基膜、附着于基膜一侧表面的上电极层以及附着于基膜另一侧表面的下电极层：
所述基膜通过如下方式制备：
向配有机械搅拌、温度计和氮气入口的5L干燥的三口圆底烧瓶中加入3,5-二硝基苯甲酰氯185.00g，0.815mol，4，4’-二苯甲烷二异氰酸酯12.58g，0.096mol，三乙胺500ml，苯乙炔26.78g,0.269mol搅拌反应30分钟得到均相溶液；
继续加入3,5-二硝基-4’-苯乙炔基二苯甲酮25.78g，0.089mol，N-N二甲基乙酰胺258.32g，0.986mol在10-15℃下反应约10-15小时得到聚酰亚胺溶液；
将聚酰亚胺溶液均匀涂覆于玻璃板上，放入烘箱中，在170℃温度下加热30分钟，而后在200℃温度下加热2小时，最后在250℃温度下加热1小时后冷却至室温，将玻璃板置于沸腾的去离子水中浸泡得到厚度为20-25μm的聚酰亚胺基膜；
所述上电极层为铝金属层，厚度为0.03-0.05μm；
所述下电极层厚度为0.3-0.7μm；所述下电极层的组分及重量百分比为：
Al:10％-15％；Cr:5％-8％；Nb:0.2％-1.5％；Ni:2.5％-5％；Pt:7％-10％；余量为Ti。
2.根据权利要求1所述的MEMS传声器，其特征在于，所述下电极层厚度为0.5μm；所述下电极层的组分及重量百分比为：
Al:13％；Cr:5％；Nb:1.0％；Ni:3％,Pt:10％；余量为Ti。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS传声器，其特征在于，所述下电极层通过如下方式附着于氮化硅基膜上：
S1：磁控溅射铌元素：选用纯铌靶材，调节靶材与氮化硅基膜的距离至100-120mm；溅射沉积：溅射时间5-10分钟，工作气压1.2-1.5Pa；
S2：氧化反应：将溅射有铌元素的氮化硅基膜静置10-30分钟使得铌元素氧化反应以在氮化硅基膜表面形成氧化铌薄膜；
S3：磁控溅射铝、铬、镍元素：选用纯铝、纯铬、纯镍靶材，通入氩气作为保护气体，调节靶材与氮化硅基膜的距离至50-70mm；溅射沉积：溅射时间20-30分钟，工作气压1.0-1.2Pa；
S4：磁控溅射铂元素；
S5：磁控溅射钛元素。
4.根据权利要求3所述的MEMS传声器，其特征在于，所述上电极层厚度为0.04μm，所述氮化硅基膜厚度为7.5μm。
5.根据权利要求4所述的MEMS传声器，其特征在于，所述上电极层通过真空蒸镀附着于基膜一侧表面；真空蒸镀时，抽真空达到6X10-4Pa，阻蒸电流为320-350A。
6.根据权利要求1所述的MEMS传声器，其特征在于，所述多个声孔设置于外壳顶面且所述声孔的数量为4个，其中三个声孔的圆心的连线构成等边三角形，另一个声孔的圆心位于该等边三角形中心。
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