CN110545511A - 压电式mems麦克风 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种压电式MEMS麦克风，包括具有腔体的基底和设置在基底上的压电振膜，基底包括环形底座以及设于环形底座内侧并与环形底座间隔设置的支撑柱，压电振膜包括多个沿支撑柱周向间隔设置的膜片，每一膜片包括与支撑柱连接的固定端和悬置于腔体上方的自由端，膜片的宽度由固定端朝向自由端逐渐增大。本发明的压电式MEMS麦克风，在声压的作用下，自由端发生振动，由宽的自由端带动短的固定端，靠近固定端的膜片发生更大的形变进而产生较多的电荷，因此，灵敏度可以进一步提高。

Description

压电式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。随着电子设备朝向小巧化、薄型化发展，MEMS麦克风被越来越广泛地运用到这些设备上。
目前，MEMS麦克风主要分为电容式MEMS麦克风和压电式MEMS麦克风。压电式MEMS麦克风相比于传统的电容式MEMS麦克风具有很多优势，包括防尘性、防水性以及较高的最大输出声压(AOP)等。不同于电容式麦克风的压电振膜结构，压电式MEMS麦克风的压电振膜由多个膜片组成，每个膜片—端与基底相连，另一端采用了悬臂梁结构来避免工艺中的残余应力对膜片表面造成的形变，以减小噪底和提升灵敏度。
图1至图4为两种较为典型的压电式MEMS麦克风的设计，这一结构的特点是压电振膜20上膜片21的固定端211在基底10上腔体14的四周、自由端212在中心，膜片21的形状为从固定端211到自由端212的悬臂梁宽度逐渐缩小的三角形或者扇形结构。在声压的作用下，自由端212带动悬臂梁发生振动，靠近固定端211的膜片21在力的作用下产生电压，当外部的声音信号从声孔中传入，声压引起悬臂梁形变，产生电压变化，从而感知声学信号。在实际应用中，对于给定的膜片21材料和MEMS Die的尺寸,图1至图4所示的设计其灵敏度存在局限,不考虑ASIC的增益,MEMS Die的灵敏度一般在-43dB左右，很难提升到-40dB以上。
因此，为了进一步提升压电式MEMS麦克风的灵敏度，有必要提供一种新的压电式MEMS麦克风，对整体的结构进行改进，提升灵敏度以解决上述问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种灵敏度高的压电式MEMS麦克风。
本发明的技术方案如下：
为实现上述目的，本发明提供了一种压电式MEMS麦克风，包括具有腔体的基底和设置在所述基底上的压电振膜，所述基底包括环形底座以及设于所述环形底座内侧并与所述环形底座间隔设置的支撑柱，所述压电振膜包括多个沿所述支撑柱周向间隔设置的膜片，每一所述膜片包括与所述支撑柱连接的固定端和悬置于所述腔体上方的自由端，所述膜片的宽度由所述固定端朝向所述自由端逐渐增大。
作为一种改进方式，所述基底还包括若干个间隔设置的支撑梁，所述支撑梁的一端与所述支撑柱连接、另一端与所述环形底座连接从而将所述腔体分隔成若干个沿所述支撑柱的周向间隔设置的子腔体，所述自由端悬置于所述子腔体上方。
作为一种改进方式，每个所述子腔体的上方悬置一个所述自由端。
作为一种改进方式，所述自由端在振动方向上的投影轮廓位于所述子腔体在振动方向上的投影轮廓以内。
作为一种改进方式，所述自由端在振动方向上的投影轮廓与对应的所述子腔体在振动方向上的投影轮廓形状相同。
作为一种改进方式，所述环形底座之朝向所述支撑柱一侧设有第一壁体，所述支撑柱之朝向所述环形底座一侧设有第二壁体，所述第一壁体和所述第二壁体在振动方向上的投影轮廓均为圆形。
作为一种改进方式，所述膜片在振动方向上的投影轮廓呈扇形。
作为一种改进方式，所述第一壁体和所述第二壁体在振动方向上的投影轮廓均为多边形。
作为一种改进方式，所述膜片在振动方向上的投影轮廓呈梯形。
作为一种改进方式，所述第一壁体在振动方向上的投影轮廓和所述第二壁体在振动方向上的投影轮廓中的一者为圆形、另一者为多边形。
本发明的有益效果在于：
本发明的压电式MEMS麦克风，在声压的作用下，自由端发生振动，靠近固定端的压电振膜产生电压信号。相比于传统的设计，膜片的宽度由固定端朝向自由端逐渐增大，这一设计由宽的自由端带动短的固定端，靠近固定端的膜片发生更大的形变进而产生较多的电荷，因此，灵敏度可以进一步提高。
【附图说明】
图1为现有技术中压电式MEMS麦克风一的俯视图；
图2为图1中A-A处的剖视图；
图3为现有技术中压电式MEMS麦克风二的俯视图；
图4为图3中B-B处的剖视图；
图5为本发明实施例提供的压电式MEMS麦克风的立体图；
图6为本发明实施例提供的压电式MEMS麦克风的爆炸图；
图7为本发明实施例提供的压电式MEMS麦克风的俯视图；
图8为图7中C-C处的剖视图；
图9为本发明实施例提供的基底的立体图一；
图10为本发明实施例提供的基底的立体图二；
图11为本发明实施例提供的基底的立体图三；
图12为本发明实施例提供的基底的立体图四。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、内、外、顶部、底部……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，该元件可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
请参阅图5至图12，本发明的实施例提供了一种压电式MEMS麦克风，压电式MEMS麦克风包括基底30和设置在基底30上的压电振膜40，外部的声音信号从声孔中传入，声音所产生的声压将引起压电振膜40形变，产生电压变化，从而感知声学信号。
请参阅图5至图8，基底30包括环形底座31、设于环形底座31的内侧并与环形底座31间隔设置的支撑柱32、以及若干个沿支撑柱32的周向间隔设置的支撑梁33，基底30具有腔体34，支撑柱32通过支撑梁33与环形底座31连接，环形底座31与支撑柱32围合形成上述一个环形的所述腔体34，支撑梁33的一端与支撑柱32连接、另一端与环形底座31连接从而将腔体34分隔成若干个沿支撑柱32的周向间隔设置的子腔体35，环形底座31可以是一个360度封闭的环形，也可以不是一个完整的环形。
压电振膜40包括多个沿支撑柱32周向间隔设置的膜片41，每一膜片41包括与支撑柱32连接的固定端411和与固定端411连接并悬置于子腔体35上方的自由端412，膜片41呈悬臂梁设置。膜片41以宽度尺寸逐渐增大的形式从固定端411朝向自由端412延伸设置，这样，在声压的作用下，自由端412带动悬臂梁结构的膜片41发生振动，靠近固定端411的膜片41部分在力的作用下发生更大的形变进而产生较多的电荷，因此，其灵敏度可以进一步提高。在具体实验中，对于同样面积的MEMS芯片和膜层结构不发生改变的情况下，这一结构设计能够将灵敏度数值提升到-37dB以上，相对于传统结构的-43dB的灵敏度有着显著提升。
本实施例中每个子腔体35的上方悬置一个自由端412，环形底座31之朝向支撑柱32一侧(环形底座31的内侧壁)设有第一壁体311，第一壁体311在振动方向上的投影轮廓可以为圆形或者多边形，支撑梁33的数量可根据实际需要进行设置，具体的数量不做限制，当第一壁体311在振动方向上的投影轮廓为多边形时，支撑梁33的数量可以小于、等于或者大于多边形的顶点数。需要说明的是，每个子腔体35的上方也可以悬置两个或者两个以上的自由端412，具体根据实际设计需要而定。
作为优选地实施方式，自由端412在振动方向上的投影轮廓位于子腔体35在振动方向上的投影轮廓以内，每个子腔体35内对应有一个自由端412。优选地，自由端412在振动方向上的投影轮廓与对应的子腔体35在振动方向上的投影轮廓形状相同，以便于压电振膜40能覆盖于腔体34，避免压电振膜40与基底30之间的间隔过大，从而影响发声效果。
请进一步参阅图9，具体地，支撑柱32之朝向环形底座31一侧设有第二壁体321，第一壁体311和第二壁体321在振动方向上的投影轮廓均为多边形，此时，膜片41在振动方向上的投影轮廓呈梯形，整个压电振膜40的外轮廓为多边形结构。
当然，基底30的形状并不仅限于上述所述，请进一步参阅图10，第一壁体311和第二壁体321在振动方向上的投影轮廓也可均为圆形，单个膜片41在振动方向上的投影轮廓呈扇形。
或者，请进一步参阅图11至图12，第一壁体311在振动方向上的投影轮廓和第二壁体321在振动方向上的投影轮廓中的一者为圆形、另一者为多边形。
本实施例中，固定端411和膜片41的具体结构不做限制，且压电振膜40的整体结构的对称性也不做限制，膜片41可以是对称或者非对称的多边形，膜片41的侧边缘可以是直线也可以是曲线，而且膜片41的自由端412的宽度大于膜片41的固定端411的宽度均在本专利范围之内。
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 (10)

1.一种压电式MEMS麦克风，其特征在于，包括具有腔体的基底和设置在所述基底上的压电振膜，所述基底包括环形底座以及设于所述环形底座内侧并与所述环形底座间隔设置的支撑柱，所述压电振膜包括多个沿所述支撑柱周向间隔设置的膜片，每一所述膜片包括与所述支撑柱连接的固定端和悬置于所述腔体上方的自由端，所述膜片的宽度由所述固定端朝向所述自由端逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述基底还包括若干个间隔设置的支撑梁，所述支撑梁的一端与所述支撑柱连接、另一端与所述环形底座连接从而将所述腔体分隔成若干个沿所述支撑柱的周向间隔设置的子腔体，所述自由端悬置于所述子腔体上方。
3.根据权利要求2所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，每个所述子腔体的上方悬置一个所述自由端。
4.根据权利要求3所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述自由端在振动方向上的投影轮廓位于所述子腔体在振动方向上的投影轮廓以内。
5.根据权利要求4所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述自由端在振动方向上的投影轮廓与对应的所述子腔体在振动方向上的投影轮廓形状相同。
6.根据权利要求5所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述环形底座之朝向所述支撑柱一侧设有第一壁体，所述支撑柱之朝向所述环形底座一侧设有第二壁体，所述第一壁体和所述第二壁体在振动方向上的投影轮廓均为圆形。
7.根据权利要求6所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述膜片在振动方向上的投影轮廓呈扇形。
8.根据权利要求6所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述第一壁体和所述第二壁体在振动方向上的投影轮廓均为多边形。
9.根据权利要求8所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述膜片在振动方向上的投影轮廓呈梯形。
10.根据权利要求6所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述第一壁体在振动方向上的投影轮廓和所述第二壁体在振动方向上的投影轮廓中的一者为圆形、另一者为多边形。
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