CN110798787A - 一种用于微型麦克风的悬臂梁振膜和微型麦克风 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于微型麦克风的悬臂梁振膜和微型麦克风。所述悬臂梁振膜包括第一延伸段和第二延伸段，所述第一延伸段的一端为固定端，所述固定端用于固定连在微型麦克风内，所述第二延伸段从所述第一延伸段的另一端向远离所述固定端的方向延伸，所述第一延伸段的宽度为第一宽度，所述第二延伸段的宽度为第二宽度，所述第一宽度大于所述第二宽度，所述悬臂梁振膜被配置为能随声音振动而产生振动。本发明的一个技术效果是悬臂梁振膜能够在满足高谐振频率的性能要求下具有良好的机械灵敏度。

Description

一种用于微型麦克风的悬臂梁振膜和微型麦克风
技术领域
本发明属于声电换能技术领域，具体地，本发明涉及一种用于微型麦克风的悬臂梁振膜和微型麦克风。
背景技术
近年来半导体工艺技术发展迅速，使得微机电器件在电子产品中的应用大幅增加，进而使得电子产品的功能、性能的得到显著的改善和优化。微机电麦克风(即MEMS麦克风)近年来广泛应用在移动通信设备、计算机、医疗电子设备等电子产品上。微机电麦克风利用振膜感应周围的声音振动，进而把振动转换为电信号。
在现有技术中，消费类电子产品要求微机电器件的尺寸越来越小，而对于现有的电容式和压电式微机电麦克风，其振膜尺寸由于分别受到最低有效电容和灵敏度要求的限制，很难进一步减小。为了进一步减小微机电麦克风的尺寸，本领域技术人员开发了基于磁阻效应的GMR/TMR微机电麦克风，这种微机电麦克风可以采用单悬臂式的振膜。因为单悬臂式振膜所占用的面积更小，因此微机电麦克风的尺寸得以进一步减小。
但是实际应用中也发现了单悬臂式振膜的缺陷。在实际应用中，需要尽可能提高单悬臂式振膜的谐振频率，最好使其谐振频率大于任何可识别声音的最高频率。这样，可以避免单悬臂式振膜与音频信号之间发生共振。但是，如果显著提高单悬臂式振膜的谐振频率，就会使得单悬臂式振膜的机械灵敏度下降，进而使得振膜对声音振动的响应能力下降。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的悬臂梁振膜。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于微型麦克风的悬臂梁振膜，该悬臂梁振膜包括第一延伸段和第二延伸段，所述第一延伸段的一端为固定端，所述固定端用于固定连在微型麦克风内，所述第二延伸段从所述第一延伸段的另一端向远离所述固定端的方向延伸，所述第一延伸段的宽度为第一宽度，所述第二延伸段的宽度为第二宽度，所述第一宽度大于所述第二宽度，所述悬臂梁振膜被配置为能随声音振动而产生振动。
可选地，所述悬臂梁振膜相对于其自身宽度方向的中线呈轴对称结构。
可选地，所述悬臂梁振膜的厚度一致。
可选地，所述悬臂梁振膜的厚度范围为1微米-1.6微米。
可选地，所述第一宽度与第二宽度的比值范围为200:1-5:1；
所述第一延伸段的长度与第二延伸段的长度的比值范围为1:1-11:5。
可选地，第一宽度与第二宽度的比值为80:1。
可选地，所述第一延伸段和第二延伸段的形状呈长方形片状结构；
或者，所述第一延伸段的形状呈长方形片状结构，所述第二延伸段的形状呈梯形片状结构或三角形片状结构，所述第二延伸段的与所述第一延伸段连接的一端的宽度为所述第二宽度，所述第二宽度大于所述第二延伸段的远离于所述第一延伸段的一端的宽度；
或者，所述第一延伸段的形状呈梯形片状结构，所述第一延伸段的固定端的宽度大于所述第一延伸段的另一端的宽度，所述第二延伸段的与所述第一延伸段连接的一端的宽度为所述第二宽度，所述第二宽度小于或等于所述第一延伸段的与所述第二延伸段连接的一端的宽度。
可选地，所述悬臂梁振膜还包括第三延伸段，所述第三延伸段连接在所述第二延伸段的远离于所述第一延伸段的一端上，所述第三延伸段向远离于所述固定端的方向延伸，所述第三延伸段的宽度为第三宽度，所述第三宽度小于所述第二宽度。
另一方面，本发明还提供了一种微型麦克风，所述微型麦克风包括壳体和上述悬臂梁振膜，所述悬臂梁振膜的固定端连接在所述壳体上，所述微型麦克风被配置为能将声音振动通过所述悬臂梁振膜的振动转换成电信号，以供检测。
本发明的一个技术效果在于，在提高悬臂梁振膜的谐振频率的情况下，使悬臂梁振膜能够具有良好的机械灵敏度。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明提供的悬臂梁振膜的俯视结构示意图；
图2是本发明提供的悬臂梁振膜的机械灵敏度和谐振频率随长度比值变化的曲线图；
图3是现有技术中的悬臂梁振膜的机械灵敏度和谐振频率随长度变化的曲线图；
图4是本发明提供的悬臂梁振膜的侧面结构示意图；
图5是本发明提供的悬臂梁振膜的俯视结构示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明提供了一种用于微型麦克风的悬臂梁振膜，如图1所示，这种悬臂梁振膜包括第一延伸段1和第二延伸段2，所述第一延伸段1的一端是固定端11。所述固定端11用于固定连接在所述微型麦克风中。悬臂梁振膜在微型麦克风中形成单端固定的结构，当声音通过空气振动或其它媒介振动传递至微型麦克风所在的区域时，悬臂梁振膜能够产生相应的振动，进而将声音转化成电信号。
本发明提供的悬臂梁振膜可以应用在基于磁阻效应的GMR/TMR微型麦克风中。本发明并不限制所述悬臂梁振膜只能用在一种微机电麦克风中，其也可以根据实际需要应用于电容式麦克风、压电式麦克风中。
如图1所示，所述第一延伸段1的一端为固定端11，另一端则用于与所述第二延伸段2连接。所述第二延伸段2从所述第一延伸段1上向远离所述固定端11的方向延伸。所述第二延伸段2的整体宽度小于所述第一延伸段1的整体宽度。在本发明的技术方案中，将所述第一延伸段1的宽度计为第一宽度，所述第二延伸段2的宽度计为第二宽度。将所述第二宽度设计成小于第一宽度的形式，能够有效提高悬臂梁振膜整体的机械灵敏度，同时提高悬臂梁振膜的谐振频率。相对于所述第一延伸段1的宽度，所述第二延伸段2的宽度出现了明显的变化，第一延伸段1与第二延伸段2之间形成了台阶状的宽度变化。
本发明通过将悬臂梁振膜至少分段成两段结构，并且使远离于固定端的第二延伸段的宽度小于第一延伸段的宽度。两段结构会使悬臂梁整体结构体现出与单一规则形状的悬臂振膜完全不同的性能。使悬臂梁振膜整体体现出机械灵敏度和谐振频率均能够获得增加的整体性能特点。
图2示出了本发明提供的悬臂梁振膜的性能特点。在本发明的技术方案中，第一延伸段与第二延伸段的长度关系、第一宽度与第二宽度的宽度关系以及第一延伸段与第二延伸段的厚度均对悬臂梁振膜的性能产生影响。
图2所示的实施方式选定了所述第一宽度、第二宽度、悬臂梁振膜的整体长度以及厚度的数值，这一固定数值形成的实施方式是在微型麦克风中实际应用的优选实施方式。第一宽度为w1为400微米，第二宽度w2为5微米，悬臂梁振膜的整体长度l1+l2为402微米，悬臂梁振膜的整体厚度为1.3微米。图2中的横坐标为第一延伸段的长度l1与第二延伸段的长度l2的比值，左侧纵坐标为机械灵敏度Sm，右侧纵坐标为谐振频率fr。实心圆点的连线标记出的是谐振频率fr的曲线，空心圆点的连线标记出的是机械灵敏度Sm。从图中可以明显知晓，通过将悬臂梁振膜设计成两段结构，使得悬臂梁振膜的谐振频率呈现出倒V形变化的趋势。相应地，悬臂梁振膜的机械灵敏度Sm呈V形变化的趋势。这样，通过调节第一延伸段的长度l1与第二延伸段的长度l2的比值，可以选择出能够同时满足高机械灵敏度和高谐振频率的区间。进而设计出性能更好的悬臂梁振膜。例如，在一阶谐振频率为25kHz时，机械灵敏度能够达到35.9nm/Pa。
图3示出了现有技术中一种传统的单悬臂振膜的性能曲线。图3中的纵坐标与图2的纵坐标一致，图3的横坐标为单悬臂振膜的长度，已选定宽度为400微米。该单悬臂振膜的厚度选定为与图2中相同的1.3微米。单悬臂振膜采用长方形片状结构。由图3中可以清晰的知晓，随着单悬臂振膜的长度逐渐增大，单悬臂振膜的机械灵敏度逐渐增加，谐振频率却逐渐减小。两条曲线均未呈现出具有峰值或谷值的特点。这就使得本领域技术人员难以将两种性能兼顾，只能选择使单悬臂振膜突出其中一项性能指标，无法在高谐振频率时获得较高机械灵敏度。
通过对图2与图3的对比，可以清晰的知晓本发明提供的悬臂梁振膜体现出了与传统的、具有单个规则形状的单悬臂振膜完全不同的性能特点和优势。在图2中，当一阶谐振频率为25kHz时，机械灵敏度能够达到35.9nm/Pa。而相同条件下，图3中常规的长方形单悬臂振膜能达到的机械灵敏度为20.7nm/Pa，明显低于本发明的具有至少两节结构特点的振膜在满足高一阶谐振频率的性能要求下，能够达到较高的机械灵敏度。以图2所示的为例，当第一延伸段的长度l1与第二延伸段的长度l2的比值处在一定区间内时，悬臂梁振膜的机械灵敏度和谐振频率均能呈现较高的性能特点，进而满足本领域对微型麦克风的性能要求。
优选地，所述悬臂梁振膜相对于其自身宽度方向的中线呈轴对称。以如图1所示的实施例为例，第一延伸段和第二延伸段相对于宽度方向的中线呈轴对称结构，两段延伸段具有同一条对称轴。具有对称结构的悬臂梁振膜能够表现出更好的振动稳定性，使接收的声音转换成的电信号具有更高的声音还原度。
可选地，如图4所示，所述悬臂梁振膜可以具有均一的厚度，所述第一延伸段1与第二延伸段2的厚度一致。这样，所述悬臂梁振膜整体能够体现出更好的振动一致性，提高对声音震动的相应振动的真实性。本发明并不限制所述悬臂梁振膜必须具有一致的厚度，在其它实施方式中，也可以通过将所述第一延伸段和第二延伸段的厚度设置的不同，从而调节悬臂梁振膜的机械灵敏度和谐振频率。例如，所述第一延伸段1的厚度为1.3微米，二第二延伸段的厚度为1微米，从而提高悬臂梁的机械灵敏度。
可选地，所述悬臂梁振膜的厚度范围为0.1微米-5微米，在这一厚度范围内，技术上均可以制得满足机械灵敏度的悬臂梁振膜。当悬臂梁振膜的厚度符合这一厚度范围时，其能够在机械灵敏度和谐振频率方面表现出更优的技术效果。优选地，所述悬臂梁振膜的厚度范围为0.3微米-1.5微米。在图2所示的实施方式中，所述悬臂梁振膜的厚度为1.3微米。
可选地，所述第一宽度与第二宽度的比值范围为200:1-5:1。所述第一宽度与第二宽度的比值越大，在悬臂梁振膜整体的机械灵敏度越高。但是，如果第一宽度与第二宽度的比值过大，则会造成悬臂梁振膜整体结构的稳定性下降，容易破损、难以制备。相反的，如果第一宽度与第二宽度的比值过小，其机械灵敏度会无法呈现出如图2所示的V形变化特点，进而也就难以保证悬臂梁振膜同时具有较高的机械灵敏度和一阶谐振频率。上述范围能够使悬臂梁振膜具有良好的性能表现。在如图2所示的具体实施方式中，所述第一宽度与第二宽度的优选比值为80:1。
可选地，所述第一延伸段的长度与第二延伸段的长度的比值范围为1:1-11:5。第一延伸段的长度与第二延伸段的长度的比值越大，一阶谐振频率越低，悬臂梁振膜的性能呈现出与现有的单一形状结构的振膜相同的性能。如果第一延伸段的长度与第二延伸段的长度的比值过小，其一阶谐振频率也会降低，悬臂梁振膜的性能同样会呈现出与现有的单一形状结构的振膜相同的性能。本发明给出的优选长度比值范围能够使悬臂梁振膜明显的体现出两段结构呈现出的谐振频率具有倒V形的分布特点。
可选地，所述第一延伸段的长度与所述第二延伸段的长度之和的范围为10微米-1000微米。通常的设计范围在50微米-500微米之间。图2所示的实施方式中第一延伸段的长度与所述第二延伸段的长度之和为402微米。悬臂梁振膜的整体长度对其一阶谐振频率具有影响。在悬臂梁振膜的整体厚度和宽度一定的情况下，悬臂梁振膜的总长度增加会使得机械灵敏度增加，一阶谐振频率降低。本发明提供的优选范围使得悬臂梁振膜在能够满足微型麦克风的尺寸要求的情况下，尽可能提供更大的长度范围，以便对悬臂梁振膜的性能进行调节。
可选地，在如图2所示的实施方式中，所述第一延伸段和第二延伸段的形状均呈长方形的片状结构。在其他可选地实施方式中，所述第一延伸段通常为长方形片状结构，所述第二延伸段可以是梯形片状结构或三角形片状结构。第二延伸段也可以是其他宽度逐渐变化的结构形状。
通过将所述第二延伸段形成这类宽度逐渐变化的形状，可以使得悬臂梁振膜的性能在局部表现出连续变化的特点，进而对悬臂梁振膜整体产生影响。例如，通过采用梯形或三角形的第二延伸段，可以使图2所示的机械灵敏度曲线略微上升。本领域技术人员可以通过对第一、第二延伸段的形状做出细微改变，进而改变机械灵敏度和一阶谐振频率的性能表现。
在第二延伸段的宽度呈逐渐变化的实施方式中，上述第二宽度以第二延伸段与所述第一延伸段连接的一端的宽度计算。在一些实施方式中，所述第二宽度为第二延伸段的最宽的部分的宽度。第二延伸段的宽度从连接于第一延伸段的最宽处，向远离于所述第一延伸段的方向逐渐减小。
此外，所述第一延伸段也可以呈宽度逐渐变化的结构。例如，所述第一延伸段呈梯形的片状结构，其固定端的宽度大于其另一端的宽度。宽度具有变化特点的第一延伸段可以与呈长方形的第二延伸段配合使用，也可以与呈宽度逐渐变化的形状的第二延伸段配合使用。对于所述第二延伸段的宽度，在本发明的可选实施方式中，所述第二延伸段的与所述第一延伸段连接的一端的宽度为第二宽度。所述第二宽度通常小于或等于所述第一延伸段的与第二延伸段连接的一端的宽度。这样，可以使悬臂梁振膜整体呈宽度逐渐减小的形状特点。通过将所述第一延伸段形成这类宽度逐渐变化的形状，本方案可以通过对第一延伸段的形状进行调整，与第二延伸段的形状形成宽度逐渐变窄的配合形状，使得振膜具有更优的效果。
可选地，所述悬臂梁振膜还可以包括第三延伸段，如图5所示。所述第三延伸段连接在所述第二延伸段2的远离于所述第一延伸段1的一端上。所述第三延伸段的宽度为第三宽度，所述第三宽度小于所述第二宽度。所述第三延伸段向远离于所述第二延伸段2的方向延伸。图5示出了具有三段延伸段的悬臂梁振膜。本发明并不限制所述悬臂梁振膜只能具有两段分段结构，本领域技术人员可以根据实际性能的需要，将所述悬臂梁振膜设计成三段、甚至更多段的结构。
优选地，在所述第二延伸段采用宽度逐渐变窄的形状的情况下，所述第三宽度可以小于第二延伸段的与所述第三延伸段连接的一端的宽度。
优选地，所述第三延伸段也可以采用梯形、三角形等宽度逐渐变窄的形状，以满足实际性能需要，本发明不对此进行限制。
在对本发明提供的悬臂梁振膜进行设计时，可以如图2所示的实施方式为例，优先确定厚度、总长度、宽度比，最后通过调节长度比实现对合适的性能点的选择。或者，也可以优先确定厚度、总长度、长度比，最后通过调节宽度比实现对合适的性能点的选择。除此之外，也可以预先确定第一延伸段的结构形状，再对第二延伸段、第三延伸段的形状结构进行选择。另一方面，可以优先考虑一阶谐振频率是否满足要求，之后通过调节形状参数，使机械灵敏度达到更高的指标。
需要说明的是，本发明的具体实施方式中涉及了厚度、总长度、宽度比、长度比几项悬臂梁振膜的参数。除了以上实施方式提供的可选尺寸和尺寸范围之外，还可以通过上述参数的其它组合方式得到提高机械灵敏度和高频谐振频率的效果。本发明并不限于保护以上具体的参数组合方式，只要采用了本发明的设计方式，将悬臂梁振膜设计为至少两段延伸段，第二延伸段的宽度相对于第一延伸段的宽度出现明显变化的方案，都包含在本发明的保护范围内。
本发明还提供了一种微型麦克风，该微型麦克风包括壳体和上述悬臂梁振膜。所述悬臂梁振膜的固定端固定在所述壳体上。悬臂梁振膜可以自身采用具有压敏特性或形变改变电阻等特性的材料制成，从而可以通过振动将声音转变为电信号。或者，所述壳体内设置有相应的传感电路，以将悬臂梁振膜受到声音而产生的振动转变为电信号。所述微型麦克风被配置为能将声音振动通过所述悬臂梁振膜的振动转换成电信号，以供检测。本发明所述的微型麦克风可以是GMR/TMR微机电麦克风。
本发明提供的微型麦克风以及悬臂梁振膜设计灵活性高，可以根据不同的性能、尺寸要求进行设计。而且，利用宽度不同的多段延伸段的设计方式，可以是悬臂梁振膜同时满足提高谐振频率和机械灵敏度的要求。本发明的微型麦克风结构易于通过MEMS微机电加工工艺制成，无需采用其它不常用的加工工艺。另一方面，本发明的悬臂梁振膜保持了原本的占用面积小、抗冲击强度高、防震放吹破的性能优点。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种用于微型麦克风的悬臂梁振膜，其特征在于，所述悬臂梁振膜包括第一延伸段和第二延伸段，所述第一延伸段的一端为固定端，所述固定端用于固定连在所述微型麦克风内，所述第二延伸段从所述第一延伸段的另一端向远离所述固定端的方向延伸；所述第一延伸段的宽度为第一宽度，所述第二延伸段的宽度为第二宽度，所述第一宽度大于所述第二宽度，所述悬臂梁振膜被配置为能随声音振动而产生振动。
2.根据权利要求1所述的悬臂梁振膜，其特征在于，所述悬臂梁振膜相对于其自身宽度方向的中线呈轴对称。
3.根据权利要求1所述的悬臂梁振膜，其特征在于，所述悬臂梁振膜的厚度一致。
4.根据权利要求3所述的悬臂梁振膜，其特征在于，所述悬臂梁振膜的厚度范围为0.1微米-5微米。
5.根据权利要求1所述的悬臂梁振膜，其特征在于，所述第一宽度与所述第二宽度的比值范围为200:1-5:1；
所述第一延伸段的长度与第二延伸段的长度的比值范围为1:1-11:5。
6.根据权利要求5所述的悬臂梁振膜，其特征在于，所述第一宽度与所述第二宽度的比值为80:1。
7.根据权利要求1-6任意之一所述的悬臂梁振膜，其特征在于，
所述第一延伸段和第二延伸段的形状呈长方形片状结构；
或者，所述第一延伸段的形状呈长方形片状结构，所述第二延伸段的形状呈梯形片状结构或三角形片状结构，所述第二延伸段的与所述第一延伸段连接的一端的宽度为所述第二宽度，所述第二宽度大于所述第二延伸段的远离于所述第一延伸段的一端的宽度；
或者，所述第一延伸段的形状呈梯形片状结构，所述第一延伸段的固定端的宽度大于所述第一延伸段的另一端的宽度，所述第二延伸段的与所述第一延伸段连接的一端的宽度为所述第二宽度，所述第二宽度小于或等于所述第一延伸段的与所述第二延伸段连接的一端的宽度。
8.根据权利要求1-6任意之一所述的悬臂梁振膜，其特征在于，所述悬臂梁振膜还包括第三延伸段，所述第三延伸段连接在所述第二延伸段的远离于所述第一延伸段的一端上，所述第三延伸段向远离于所述固定端的方向延伸，所述第三延伸段的宽度为第三宽度，所述第三宽度小于所述第二宽度。
9.一种微型麦克风，其特征在于，所述微型麦克风包括壳体和权利要求1-8任意之一所述的悬臂梁振膜，所述悬臂梁振膜的固定端连接在所述壳体上，所述微型麦克风被配置为能将声音振动通过所述悬臂梁振膜的振动转换成电信号，以供检测。
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