CN110267185A - 压电式与电容式相结合的mems麦克风 - Google Patents

压电式与电容式相结合的mems麦克风 Download PDF

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Abstract

本发明提供了压电式与电容式相结合的MEMS麦克风，包括具有背腔的基座以及设于基座上的电容系统，电容系统包括背板和振膜，背板和振膜相对间隔设置以形成第一声腔，在电容系统与基座之间还设有压电膜片结构，电容系统与压电膜片结构之间形成有第二声腔，第二声腔至少与第一声腔或背腔连通，该压电式与电容式相结合的MEMS麦克风能够输出两组电信号，包括一组由电容系统输出的电信号和一组由压电膜片结构输出的电信号，因此能够提高麦克风的灵敏度。

Description

压电式与电容式相结合的MEMS麦克风
【技术领域】
本发明涉及声电转换装置技术领域,具体涉及一种压电式与电容式相结合的MEMS麦克风。
【背景技术】
MEMS麦克风是一种用微机械加工技术制作出来的电声换能器，其具有体积小、频响特性好、噪声低等特点。随着电子设备的小巧化、薄型化发展，MEMS麦克风被越来越广泛地运用到这些设备上。
相关技术中的MEMS麦克风包括硅基底以及由振膜和背板组成的平板电容，振膜与背板相对并相隔一定距离。振膜在声波的作用下产生振动，导致振膜和背板之间的距离发生变化，导致平板电容的电容发生改变，从而将声波信号转化为了电信号。目前，电容式MEMS麦克风似乎达到了性能瓶颈，而且在最近几年也没有可观的改进；此外，这种MEMS麦克风的性能受灰尘、水及污染物的影响较大，而且当振膜在高声压环境下工作时，可靠性会变差。此外，制作工艺也比较复杂，生产成本也比较高。
因此，有必要提供一种新的MEMS麦克风以解决上述问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种灵敏度高的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风。
本发明的技术方案如下：
一种新的MEMS麦克风，包括具有背腔的基座以及设于所述基座上的电容系统，所述电容系统包括背板和振膜，所述背板和所述振膜相对间隔设置以形成第一声腔，在所述电容系统与所述基座之间还设有压电膜片结构，所述电容系统与所述压电膜片结构之间形成有第二声腔，所述第二声腔至少与所述第一声腔或所述背腔连通。
作为一种改进方式，所述第一声腔、所述第二声腔和所述背腔连通，所述电容系统上开设有连通所述第一声腔与所述第二声腔的第一声学孔，所述压电膜片结构上贯穿开设有连通所述第二声腔与所述背腔的第二声学孔。
作为一种改进方式，所述压电膜片结构包括依次叠压的第一电极片、压电膜片、第二电极片，所述第一电极片设于所述压电膜片之朝向所述电容系统的一侧，所述第二电极片设于所述压电膜片之朝向所述基座的一侧。
作为一种改进方式，所述第一电极片的中心、所述压电膜片的中心和所述第二电极片的中心均在同一竖直线上，所述第一电极片的面积小于所述压电膜片的面积，所述压电膜片和所述第二电极片对应贯穿开设有所述第二声学孔，所述第二声学孔围设于所述第一电极片的外周侧。
作为一种改进方式，所述第一电极片呈圆形或者方形。
作为一种改进方式，所述第一电极片的中心、所述压电膜片的中心和所述第二电极片的中心均在同一竖直线上，所述压电膜片和所述第二电极片对应贯穿开设有所述第二声学孔，所述第二声学孔设于所述第一电极片的内周侧。
作为一种改进方式，所述第一电极片呈圆环形或者“回”字形。
作为一种改进方式，所述第一电极片的中心、所述压电膜片的中心和所述第二电极片的中心均在同一竖直线上，所述压电膜片和所述第二电极片对应贯穿开设有所述第二声学孔，所述第一电极片包括至少两个电极体，相邻两个所述电极体之间形成有狭缝，所述狭缝与所述第二声学孔连通，两个或多个以上所述电极体围合成圆形或方形。
作为一种改进方式，所述压电膜片结构还包括第一电极线和第一电极端子，所述第一电极片通过所述第一电极线与所述第一电极端子连接。
作为一种改进方式，所述压电膜片结构还包括绝缘基底层，所述第二电极片设于所述绝缘基底层上，所述绝缘基底层的形状与所述第二电极片的形状相同。
作为一种改进方式，所述压电膜片结构与所述基座之间设有第一绝缘层，所述第一绝缘层与所述压电膜片结构或所述基座相连，所述电容系统与所述压电膜片结构之间设有第二绝缘层，所述第二绝缘层与所述电容系统或所述压电膜片结构相连，所述振膜与所述背板之间设有第三绝缘层，所述第三绝缘层与所述振膜或所述背板相连。
本发明的有益效果在于：
与现有技术相比，本发明的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风，在电容式的MEMS麦克风的基础上耦合进压电膜片结构，使得麦克风除了振膜与背板的配合作用将声波信号转变为电信号之外，声压作用于压电膜片结构上，使压电膜片结构发生形变，从而产生电荷输出，即本发明的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风能够输出两组电信号，包括一组由电容系统输出的电信号和一组由压电膜片结构输出的电信号，因此能够提高麦克风的灵敏度，而且，压电膜片结构的设置在一定程度上也起到了防尘的作用。
【附图说明】
图1为本发明实施例1提供的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风的剖面图；
图2为本发明实施例1提供的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风的压电膜结构的俯视图；
图3为本发明实施例2提供的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风的剖面图；
图4为本发明实施例2提供的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风的压电膜结构的俯视图；
图5为本发明实施例3提供的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风的剖面图；
图6为本发明实施例3提供的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风的压电膜结构的俯视图。
【具体实施方式】
下为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1
请参阅图1及图2，本实施例提供一种压电式与电容式相结合的MEMS麦克风1，包括基座10以及设于基座10上并与基座10绝缘相连的电容系统，电容系统与基座10之间还设有压电膜片结构12，压电膜片结构12与基座之间设有第一绝缘层131，电容系统与压电膜片结构12之间设有第二绝缘层132。
基座10由半导体材料制成，具有背腔101、上表面和与上表面相对的下表面，背腔101贯穿上表面及下表面，其中背腔101可以通过体硅微加工工艺或蚀刻形成。电容系统通过第二绝缘层132设于压电膜片结构12上，电容系统包括背板111、与背板111相对间隔设置的振膜112和位于背板111与振膜112之间的第三绝缘层133，背板111与振膜112间隔设置并形成第一声腔113，电容系统与压电膜片结构12间隔设置并形成第二声腔114，第一声腔113贯穿第三绝缘层133，第二声腔114贯穿第二绝缘层132，背板111朝向第一声腔113的表面还设有多个用于防止背板111与振膜112电导通的绝缘凸起，背板111和振膜112均为导体，由多晶硅掺杂或单晶硅掺杂导电材料制成，在MEMS麦克风的通电工作状态下，两者会带上极性相反的电荷，形成电容系统。当振膜112在声波的作用下产生振动，振膜112与背板111之间的距离会发生变化，从而导致电容系统的电容发生改变，从而将声波信号转化为了电信号，实现麦克风的相应功能。
值得注意的是，背板111和振膜112的位置是可以调整的，只要两者能够形成电容系统即可，即可以是背板111位于振膜112与基座10之间，也可以是振膜112位于背板111与基座10之间。
在本实施例中，背板111位于振膜112与基座10之间，第二绝缘层132设于背板111与压电膜片结构12之间，背板111上贯穿开设有连通第一声腔113和第二声腔114的第一声学孔1111，振膜112上方设有与振膜相连的振膜电极115，第三绝缘层133上贯穿设有连接孔1331，连接孔1331内设有与背板111相连的背板电极116，第二绝缘层132与背板111或压电膜片结构12相连，第二绝缘层132既可以起到支撑背板的作用，又可以保证背板111与压电膜片结构12之间的绝缘，第三绝缘层133既可以起到支撑振膜112的作用，又可以保证振膜112与背板111之间的绝缘，第一绝缘层131、第二绝缘层132和第三绝缘层133均由半导体氧化硅绝缘层材料制成。
需要说明的是，在其他实施例中，背板111上不一定需要开设第一声学孔1111，也就是说第一声腔113和第二声腔114不一定需要连通，压电膜片结构12上也不一定需要开设第二声学孔125，因为压电式与电容式相结合的MEMS麦克风1的安装方式不同，声音传播到振膜112和压电膜片结构12的方向也会不同，在应用中，只要声音能够到达振膜112和压电膜片结构12即可，因此，第一声学孔1111和第二声学孔125的有无可以根据需要调整。
进一步地,振膜112上贯穿开设有通孔1121，使得振膜112振动时，与背板111之间产生的气流更为容易排泄，从而降低麦克风的噪音，提高信噪比。
值得注意的是，振膜112上贯穿开设通孔1121有可能起到其他作用，比如，当声音不是从背腔101往电容系统的方向传播，而是从电容系统往背腔101的方向传播时，在振膜112上贯穿开设通孔1121是为了使声音能够到达振膜112和压电膜片结构12。
压电膜片结构12为中间弯曲式结构，其包括依次叠压的第一电极片121、压电膜片122、第二电极片123、第一电极线1211和第一电极端子1212，第一电极片121的中心、压电膜片122的中心和第二电极片123的中心均在同一竖直线上，第一电极片121复合在压电膜片122之朝向背板111的一侧，第一电极片121通过第一电极线1211连接第一电极端子1212，且第一电极片121的面积小于压电膜片122的面积，第二电极123片复合在压电膜片122之朝向基座10的一侧，第二电极片123和压电膜片122两端设于基座10与第二绝缘层132之间，相当于固定端，则第二电极片123和压电膜片122的中间部分为反应区域，第一电极片121复合在压电膜片122的反应区域上，压电膜片122和第二电极片123在固定端与自由端之间对应贯穿开设有连通第二声腔114和背腔101的第二声学孔125，第二声学孔125以压电膜片122中心为圆心均布设置，第二声学孔125围设于第一电极片121的外周侧，在本实施例中，第二声学孔125包括相互连通的贯穿压电膜片122开设的弧形槽1251和贯穿第二电极片123开设的圆孔1252，弧形槽1251的面积大于圆孔1252的面积，弧形槽1251对称设置有两个，圆孔1252设有四个，第二声学孔125起到连通第二声腔114和背腔101的作用，而且合理布置第二声学孔125的数量与位置，还能起到防尘作用，尽可能地避免灰尘进入第二声腔114和第一声腔113。
可选地，第一电极片121呈圆形或者方形，当然，第一电极片121的形状并不限于圆形或方形，此外，压电膜片122和第二电极片123的形状不做限制。
麦克风工作时，声压作用于压电膜片结构12上，从而引起压电膜片122发生变形，从而产生电荷输出，即本实施例的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风1能够输出两组电信号，包括一组由电容系统输出的电信号和一组由压电膜片结构12输出的电信号，因此能够提高麦克风的灵敏度。
进一步地，压电膜片结构12还包括通过第一绝缘层131设于基座10上的绝缘基底层124，第二电极片123设于绝缘基底层124上，绝缘基底层124的形状与第二电极片123的形状相同。绝缘基底层124由单晶硅、多晶硅或氮化硅等材料制成，起保护作用，第一绝缘层131起到支撑绝缘基底层124的作用。
实施例2
请参阅图3及图4，本实施例与实施例1的不同之处在于压电膜片结构12，本实施的压电膜片结构12为边缘弯曲式结构，其包括依次叠压的第一电极片121、压电膜片122、第二电极片123、第一电极线1211和第一电极端子1212，第一电极片121的中心、压电膜片122的中心和第二电极片123的中心均在同一竖直线上，第一电极片121复合在压电膜片122朝向背板111的一侧面，第一电极片121通过第一电极线1211连接第一电极端子1212，第二电极123片复合在压电膜片122之朝向基座10的一侧，压电膜片122和第二电极片123的两端设于第一绝缘层131与第二绝缘层132之间，压电膜片122和第二电极片123中间部分贯穿开设有连通第二声腔114和背腔101的第二声学孔125，第二声学孔125包括相互连通的贯穿压电膜片122开设的大圆孔1251和贯穿第二电极片123开设的小圆孔1252，则压电膜片122内侧壁到固定端的部分为反应区域，第一电极片121复合在压电膜片122的反应区域上，大圆孔1251和小圆孔1252均设于第一电极片121的内周侧，大圆孔1251以压电膜片122中心为圆心均布设置，小圆孔1252设有四个，小圆孔1252以压电膜片122中心为圆心均布设置，小圆孔1252的总面积远小于大圆孔1251的面积，因此第二电极片123还能起到防尘作用，尽可能地避免灰尘进入第二声腔114和第一声腔113。
可选地，第一电极片121呈圆环形或者“回”字形。当然，第一电极片121的形状并不限于圆环形或者“回”字形。此外，压电膜片122和第二电极片122的形状不做限制。
麦克风工作时，声压作用于压电膜片结构12上，从而引起压电膜片122发生变形，从而产生电荷输出，即本实施例的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风1能够输出两组电信号，包括一组由电容系统输出的电信号和一组由压电膜片结构12输出的电信号，因此能够提高麦克风的灵敏度。
进一步地，压电膜片结构12还包括通过第一绝缘层131设于基座10上的绝缘基底层124，第二电极片123设于绝缘基底层124上，绝缘基底层124的形状与第二电极片123的形状相同。绝缘基底层124由单晶硅、多晶硅或氮化硅等材料制成，起保护作用，第一绝缘层131起到支撑绝缘基底层124的作用。
实施例3
请参阅图5及图6，本实施例与实施例1的不同之处在于压电膜片结构12，本实施的压电膜片结构12为四悬壁梁式结构，其包括依次叠压的第一电极片121、压电膜片122、第二电极片123、第一电极线1211和第一电极端子1212，第一电极片121的中心、压电膜片122的中心和第二电极片123的中心均在同一竖直线上，第一电极片121复合在压电膜片122朝向背板111的一侧面，第一电极片121通过第一电极线1211连接第一电极端子1212，第二电极123片复合在压电膜片122之朝向基座10的一侧，压电膜片122和第二电极片123对应贯穿开设有连通第二声腔114与背腔101的第二声学孔125，在本实施例中，第一电极片121为分体结构，包括四个电极体1213，相邻两个电极体1213之间形成有狭缝，狭缝与第二声学孔125连通，且，狭缝的形状与第二声学孔125的形状相同，四个电极体1213大小和形状相同，也可以不同，即第一电极片121可以是对称结构，也可以是非对称结构。在本实施中，四个电极体1213的大小和形状均相同，为对称结构，且四个电极体1213配合围成圆形结构，在其他实施例中，四个电极体1213配合围成方形结构，当然，电极体1213并不限于配合围成圆形结构或方形结构，可以根据实际需要设置每个电极体1213的大小和形状，此外，压电膜片122和第二电极片123的形状不做限制。
麦克风工作时，声压作用于压电膜片结构12上，从而引起压电膜片122发生变形，从而产生电荷输出，即本实施例的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风1能够输出两组电信号，包括一组由电容系统输出的电信号和一组由压电膜片结构12输出的电信号，因此能够提高麦克风的灵敏度。
进一步地，压电膜片结构121还包括通过第一绝缘层131设于基座10上的绝缘基底层124，第二电极片123设于绝缘基底层124上，绝缘基底层124的形状与第二电极片123的形状相同。绝缘基底层124由单晶硅、多晶硅或氮化硅等材料制成，起保护作用，第一绝缘层131起到支撑绝缘基底层124的作用。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种压电式与电容式相结合的MEMS麦克风，包括具有背腔的基座以及设于所述基座上的电容系统，所述电容系统包括背板和振膜，所述背板和所述振膜相对间隔设置以形成第一声腔，其特征在于：在所述电容系统与所述基座之间还设有压电膜片结构，所述电容系统与所述压电膜片结构之间形成有第二声腔，所述第二声腔至少与所述第一声腔或所述背腔连通。
2.根据权利要求1所述的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风，其特征在于：所述第一声腔、所述第二声腔和所述背腔连通，所述电容系统上开设有连通所述第一声腔与所述第二声腔的第一声学孔，所述压电膜片结构上贯穿开设有连通所述第二声腔与所述背腔的第二声学孔。
3.根据权利要求2所述的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风，其特征在于：所述压电膜片结构包括依次叠压的第一电极片、压电膜片、第二电极片，所述第一电极片设于所述压电膜片之朝向所述电容系统的一侧，所述第二电极片设于所述压电膜片之朝向所述基座的一侧。
4.根据权利要求3所述的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风，其特征在于：所述第一电极片的中心、所述压电膜片的中心和所述第二电极片的中心均在同一竖直线上，所述第一电极片的面积小于所述压电膜片的面积，所述压电膜片和所述第二电极片对应贯穿开设有所述第二声学孔，所述第二声学孔围设于所述第一电极片的外周侧。
5.根据权利要求4所述的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风，其特征在于：所述第一电极片呈圆形或者方形。
6.根据权利要求3所述的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风，其特征在于：所述第一电极片的中心、所述压电膜片的中心和所述第二电极片的中心均在同一竖直线上，所述压电膜片和所述第二电极片对应贯穿开设有所述第二声学孔，所述第二声学孔设于所述第一电极片的内周侧。
7.根据权利要求6所述的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风，其特征在于：所述第一电极片呈圆环形或者“回”字形。
8.根据权利要求3所述的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风，其特征在于：所述第一电极片的中心、所述压电膜片的中心和所述第二电极片的中心均在同一竖直线上，所述压电膜片和所述第二电极片对应贯穿开设有所述第二声学孔，所述第一电极片包括至少两个电极体，相邻两个所述电极体之间形成有狭缝，所述狭缝与所述第二声学孔连通，两个或多个以上所述电极体围合成圆形或方形。
9.根据权利要求3-8任一项所述的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风，其特征在于：所述压电膜片结构还包括第一电极线和第一电极端子，所述第一电极片通过所述第一电极线与所述第一电极端子连接。
10.根据权利要求3-8任一项所述的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风，其特征在于：所述压电膜片结构还包括绝缘基底层，所述第二电极片设于所述绝缘基底层上，所述绝缘基底层的形状与所述第二电极片的形状相同。
11.根据权利要求2-8任一项所述的压电式与电容式相结合的MEMS麦克风，其特征在于：所述压电膜片结构与所述基座之间设有第一绝缘层，所述第一绝缘层与所述压电膜片结构或所述基座相连，所述电容系统与所述压电膜片结构之间设有第二绝缘层，所述第二绝缘层与所述电容系统或所述压电膜片结构相连，所述振膜与所述背板之间设有第三绝缘层，所述第三绝缘层与所述振膜或所述背板相连。
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