CN108419189A - 压电传感器 - Google Patents

Abstract

一种压电传感器，包括基材、压电层及加强结构。基材具有腔室。压电层配置于基材上且包括位移区、多个感测区、多个缝隙、多个上电极及多个下电极。位移区位于腔室上方。多个感测区环绕连接于位移区的外缘且位于腔室上方。多个缝隙分别成形于多个感测区中任两相邻的感测区之间，各缝隙连通腔室。多个上电极分别配置于各感测区的顶面。多个下电极分别配置于各感测区的底面。加强结构配置于位移区的底部。

Description

压电传感器

技术领域

本发明涉及一种压电传感器，特别是涉及一种应用于声波感测的压电传感器。

背景技术

麦克风是一种可将声音转换成电子信号的换能器，包括多种形式，如动圈式、电容式及压电式等。压电式麦克风是结合压电材料所制成的一种压电传感器。压电材料的特点在于：可将作用于压电材料上的机械振动转化成电信号，或将施加于压电材料上的电压转化为变形量。

现有的压电传感器的主要架构如下：在基材上透过微机电工艺制作振动膜，再将压电组件配置在振动膜上。当外力如声波作用于振动膜时，声波的压力挤压振动膜产生振动变形，也同时带动压电组件产生变形，以使压电组件产生相对应的电信号，并透过电极将电信号传递至外部的放大器或其它电子组件。

然而，现有配置在压电传感器上的振动膜多数为整体结构，当外力作用于压电传感器时，振动膜整体均会产生变形，而并非集中于压电组件的位置，致使压电组件读出的电信号过于微弱而不易达成高灵敏。因此，现有压电传感器的感测性能仍具有改善的空间。

发明内容

基于此，有必要针对压电传感器不灵敏的问题，提供一种可有效提升声波感测灵敏度，同时平衡传感器内部的静态压力的压电传感器，。

一种压电传感器，包括基材、压电层及加强结构。基材具有腔室。压电层配置于基材上且包括位移区、多个感测区、多个缝隙、多个上电极及多个下电极。位移区位于腔室上方。多个感测区环绕连接于位移区的外缘且位于腔室上方。多个缝隙分别成形于多个感测区中任两相邻的感测区之间，各缝隙连通腔室。多个上电极分别配置于各感测区的顶面。多个下电极分别配置于各感测区的底面。加强结构配置于位移区的底部。其中，当声波传递至压电层时，推动位移区与加强结构相对于基材产生位移，并使多个感测区产生变形以产生电信号，且多个缝隙用以平衡腔室内的压力。

在其中一个实施例中，还包括弹性层，配置于基材与压电层之间，且附着于位移区及多个感测区。加强结构成形于弹性层上且对应位移区的底部。

在其中一个实施例中，上述的弹性层具有多个穿孔，各穿孔连通相应的各缝隙，以使各缝隙连通腔室。

在其中一个实施例中，上述的腔室的形状为矩形，各缝隙的长度不大于腔室的对角长度的三分之一。

在其中一个实施例中，上述的腔室的形状为矩形，该位移区的第一面积介于该腔室的第二面积的1/2至1/9之间。

在其中一个实施例中，上述的位移区及加强结构位于腔室的中央处，腔室的内缘与位移区的外缘之间配置各感测区。

在其中一个实施例中，上述的各感测区是朝向腔室的该内缘而宽度渐增的梯形梁。

在其中一个实施例中，上述的各上电极与各下电极均为对应各感测区设置的梯形电极。

在其中一个实施例中，上述的各上电极的面积小于各下电极的面积。

在其中一个实施例中，上述的加强结构包括多个延伸于腔室内的肋条。

在其中一个实施例中，上述的加强结构包括延伸于腔室内的块体。

在其中一个实施例中，上述的腔室、位移区及加强结构的形状为多边形。

本发明的压电传感器的压电层划分为位移区及多个感测区，并于位移区底部设置加强结构以强化刚性。当外部声波作用于压电传感器时，压电层的位移区产生上下位移，而使得压电层的变形多数集中在多个感测区上，使各个感测区可产生较强烈的电信号，以获得较佳的声波感测灵敏度。此外，各个感测区之间的缝隙可让腔室与外界连通，借此平衡腔室内的压力，避免因外界大气压力变化而产生错误信号。

附图说明

图1A是依照本发明一实施例的压电传感器的俯视示意图；

图1B是图1A的压电传感器沿AA’切线的截面示意图；

图1C是图1A的压电传感器沿BB’切线的截面示意图；

图1D是图1B的压电传感器经声波作用的变形状态图；

图2A是依照本发明另一实施例的压电传感器的俯视示意图；

图2B是图2A的压电传感器沿AA’切线的截面示意图；

图2C是图2A的压电传感器沿BB’切线的截面示意图；

图3A是依照本发明再一实施例的压电传感器的俯视示意图；

图3B是图3A的压电传感器沿AA’切线的截面示意图；

图3C是图3A的压电传感器沿BB’切线的截面示意图；

附图标记说明：

100、100B、100C：压电传感器

110、110b、110c：基材

120、120b、120c：压电层

122、122b、122c：位移区

124、124b、124c：感测区

126：上电极

128：下电极

130、130b、130c：加强结构

140b、140c：弹性层

P：底部

C：中央处

R：腔室

G：缝隙

O：穿孔

E1：外缘

E2：内缘

L1：长度

L2：对角长度

A1：第一面积

A2：第二面积

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1A是依照本发明一实施例的压电传感器的俯视示意图。图1B是图1A的压电传感器沿AA’切线的截面示意图。图1C是图1A的压电传感器沿BB’切线的截面示意图。图1D是图1A的压电传感器的压电层的变形状态图。

请参考图1A至图1C，压电传感器100可以配置于电子装置中，电子装置可例如为手机、平板计算机或其他手持式电子装置，且压电传感器100可以是应用在扬声器、麦克风或是其他相似的传感组件。

压电传感器100包括基材110、压电层120及加强结构130。基材110可以是采用成熟半导体加工技术的多晶硅、硅与氧化硅或其它相关的材质。基材110具有腔室R，凹陷成形在基材110中。在本实施例中，腔室R可以是透过干式蚀刻，在基材110表面进行电浆离子轰击而形成，或是透过湿式蚀刻，利用化学液体与基材110表面进行化学反应而形成。

压电层120配置于基材110上且覆盖腔室R。在本实施例中，压电层120可以是采用石英、硫化镉、氧化锌或氮化铝等压电单晶体材料、PZT压电多晶体材料、压电聚合物、压电复合材料或是其他具备压电特性的材料，本申请的压电层可不限于上述材料。

压电层120包括位移区122、多个感测区124、多个缝隙G、多个上电极126及多个下电极128。位移区122位于基材110的腔室R上方且位于腔室R的中央处C，即位移区122的外缘E1间隔于腔室R的内缘E2。在本实施例中，位移区122的外形可以是近似于矩形。

多个感测区124环绕连接于位移区122的外缘E1且位于腔室R上方。详细而言，腔室R的内缘E2与位移区122的外缘E1之间配置各感测区124，以使各个感测区124悬空于腔室R并形成可相对于基材110振动及位移的悬臂梁结构。多个缝隙G分别贯穿成形于多个感测区124中任两相邻的感测区124之间，以使外部环境透过各缝隙G连通基材110的腔室R。

请参考图1A，在本实施例中，腔室R的形状可以是矩形，且各缝隙G自位移区122的外缘E1延伸至腔室R的内缘E2的长度L1不大于腔室R的对角长度L2的三分之一。此外，位移区122的第一面积A1介于腔室R的第二面积A2的1/2至1/9之间。在其他实施例中，各缝隙的长度及位移区的第一面积也可依据实际需求而对应调整。

进一步而言，当位移区的第一面积大于腔室R的第二面积的1/2时，将造成感测区124所形成的悬臂梁结构过短，使感测区124的感测面积过小。当感测区124受到声波作用时，将造成感测区124的变形量不足，而不利于声波的感测灵敏度。当位移区的第一面积小于腔室R的第二面积的1/9时，将使缝隙G的长度增加以及感测区124所形成的悬臂梁结构过长。当声波传递至感测区124时，容易经由缝隙G而消散，不利于提升压电传感器的感测带宽。

进一步而言，各感测区124是朝向腔室R的内缘E2而宽度渐增的梯形梁。多个上电极126分别配置于各感测区124的顶面T。多个下电极128分别配置于各感测区124的底面，其中各个上电极126及各个下电极128可以是金属材质且通过蒸镀、溅镀或其它相关工艺而配置在感测区124上。各个上电极126及各个下电极128电性耦接于相应的感测区124并用以传输电信号。

此外，各上电极126与各下电极128均为对应各感测区124的梯形外观设置的梯形电极，以充分利用感测区124，当感测区124受外力变形而产生电信号时，可透过上电极126或下电极128传输至外部电子组件，以利于提升感测灵敏度。各上电极126的面积小于各下电极128的面积，此利于减少迭层工艺的蚀刻问题。在其它实施例中，各上电极与各下电极可以是矩形、圆形或其它形状，即电极的形状可依据实际需求而对应调整。

参考图1A及图1B，加强结构130配置于位移区122的底部P且位于腔室R的中央处C。在本实施例中，加强结构130可以是透过微机电工艺而成形在位移区122上的多个肋条，且各肋条延伸于腔室R内。详细而言，加强结构130的多个肋条适合用于强化位移区122的结构刚性。

配合参考图1D，当声波W传递至压电层120时，声波W推动位移区122与加强结构130相对于基材110产生位移，且可以是朝向或远离腔室R。当位移区122与加强结构130位移时，将同步带动多个感测区124产生变形以产生电信号，且电信号可透过各个上电极126或各个下电极128传递至外部的放大器或其它电子组件以进行相应的信号处理。由于位移区122的结构刚性较大而不易产生变形，故声波W对于压电层120造成的变形将集中于各个感测区124。在本实施例中，多个缝隙G用以平衡腔室R内的压力。举例而言，当大气状况为低气压垄罩时腔室R内的压力较大，此时腔室R内的压力可透过多个缝隙G而泄漏至外部环境，使得腔室R内外的压力趋于一致。

在本实施例中，腔室R、位移区122及加强结构130的形状可以是多边形。

以下将列举其他实施例对本申请进行说明。在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的组件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的组件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，下述实施例不再重复赘述。

图2A是依照本发明另一实施例的压电传感器的俯视示意图。图2B是图2A的压电传感器沿AA’切线的截面示意图。图2C是图2A的压电传感器沿BB’切线的截面示意图。

请参考图2A至图2C及图1A，本实施例的压电传感器100B与上述实施例的压电传感器100的差异在于，压电传感器100B包括弹性层140b，配置于基材110b与压电层120b之间，且附着于位移区122b及多个感测区124b上。详细而言，当弹性层140b受到声波作用而产生变形时，压电层120b随之变形。在本实施例中，弹性层140b可以是由多晶硅、氮化硅、金属铝或者铝合金材质、或高分子聚合物所制成的振膜结构。

弹性层140b具有多个穿孔O，且各穿孔O连通相应的各缝隙G，使得各缝隙G通过各穿孔O而连通腔室R。详细而言，腔室R透过各缝隙G及各穿孔O以达到与外部环境的压力平衡，使压电层120b复归原位。

加强结构130b可以是成形于弹性层140b上的多个肋条且对应位移区122b的底部P，因此，加强结构130b适合用于提升位移区122b的结构刚性。

图3A是依照本发明再一实施例的压电传感器的俯视示意图。图3B是图3A的压电传感器沿AA’切线的截面示意图。图3C是图3A的压电传感器沿BB’切线的截面示意图。

请参考图3A至图3C及图2A，本实施例的压电传感器100C与上述实施例的压电传感器100B的差异在于：压电传感器100C的加强结构130c可以是成形于弹性层140c上且延伸于腔室R内的块体，且弹性层140c配置于基材110c与压电层120c之间。加强结构130c对应位移区122c的底部P。由于加强结构130c为成形在弹性层140c的实心块体，相较于图2A所示的加强结构130b，图3A所示的加强结构130c具备较大的结构刚性。

综上所述，本发明实施例的压电传感器的压电层划分为位移区及多个感测区，并于位移区底部设置加强结构以强化刚性。当外部声波作用于压电传感器时，压电层的位移区仅产生上下位移，而使得压电层的变形多数集中在多个感测区上，使各个感测区可产生较强烈的电信号，以获得较佳的声波感测灵敏度。此外，各个感测区之间的缝隙可让腔室与外界连通，借此平衡腔室内的压力，让压电层保持在初始位置以利于后续感测，避免因外界大气压力变化而产生错误信号。在另一实施例中，采用弹性层，可以吸收作用于压电层的部分外力，可避免压电层因过度变形而损坏。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种压电传感器，包括：

基材，具有腔室；

压电层，配置于所述基材上且包括：

位移区，位于所述腔室上方；

多个感测区，环绕连接于所述位移区的外缘且位于所述腔室上方；

多个缝隙，分别成形于所述多个感测区中任两相邻的感测区之间，各所述缝隙连通所述腔室；

多个上电极，分别配置于各所述感测区的顶面；以及

多个下电极，分别配置于各所述感测区的底面；以及

所述压电传感器还包括：加强结构，配置于所述位移区的底部，

其中，当声波传递至所述压电层时，推动所述位移区与所述加强结构相对于所述基材产生位移，并使所述多个感测区产生变形以产生电信号，且所述多个缝隙可平衡所述腔室内的压力。

2.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，还包括弹性层，配置于所述基材与所述压电层之间，且附着于所述位移区及所述多个感测区，所述加强结构成形于所述弹性层上且对应所述位移区的所述底部。

3.根据权利要求2所述的压电传感器，其特征在于，所述弹性层具有多个穿孔，各所述穿孔连通相应的各所述缝隙，以使各所述缝隙连通所述腔室。

4.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，所述腔室的形状为矩形，各所述缝隙的长度不大于所述腔室的对角长度的三分之一。

5.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，所述腔室的形状为矩形，所述位移区的第一面积介于所述腔室的第二面积的1/2至1/9之间。

6.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，所述位移区及所述加强结构位于所述腔室的中央处，所述腔室的内缘与所述位移区的所述外缘之间配置各所述感测区。

7.根据权利要求6所述压电传感器，其特征在于，各所述感测区是朝向所述腔室的所述内缘而宽度渐增的梯形梁。

8.根据权利要求7所述的压电传感器，其特征在于，各所述上电极与各所述下电极均为对应各所述感测区设置的梯形电极。

9.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，各所述上电极的面积小于各所述下电极的面积。

10.根据权利要求1或2所述的压电传感器，其特征在于，所述加强结构包括多个延伸于所述腔室内的肋条。

11.根据权利要求1或2所述的压电传感器，其特征在于，所述加强结构包括延伸于所述腔室内的块体。

12.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，所述腔室、所述位移区及所述加强结构的形状为多边形。