CN111050256A - 一种小型化的高灵敏度压电式麦克风 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型化的高灵敏度压电式麦克风，属MEMS压电器件领域。本发明的压电式麦克风包括具有背腔的衬底和固定于衬底上的压电悬臂梁，压电悬臂梁包括与衬底固定连接的固定端和与固定端连接并悬置于背腔上方的自由端，自由端设有降低压电悬臂梁的谐振频率的质量块，通过调整质量块的参数使器件的谐振频率降低到合适的范围。本发明通过在悬臂梁自由端设置质量块，可有效降低器件谐振频率，提高输出电压，在减小麦克风面积时保持麦克风的灵敏度。同时通过连接悬臂梁和固定框架的压电叠层，将电信号在固定框架上引出；进一步地，阵列多个麦克风，进行串联连接可显著增强输出电信号，进行并联连接可减小麦克风元器件的输出阻抗。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS压电器件领域，具体涉及一种小型化的高灵敏度压电式麦克风。
背景技术
麦克风是一种将声音信号转化为电信号的器件，广泛用于话筒、手机、PC和车载语音识别等设备中。历经长期发展，目前在麦克风的性能指标上，更注重于智能化、数字化以及小型化。如今MEMS麦克风技术与航空航天、生物医学、消费电子、信息通信以及军工等领域结合得愈发紧密，对麦克风的可靠性和灵敏度也有了更高的要求。
人类对声音的感知频率范围是20Hz～20kHz，所以消费电子中的压电式麦克风的工作频率范围是20Hz～20KHz，并且压电式麦克风器件的谐振频率一般需大于等于(2～3)*20kHz。传统的梁式压电麦克风，是由声压驱动带有压电叠层的悬臂梁振动，由于正压电效应，麦克风将声音信号转化为电信号。所以，一般的压电式麦克风的灵敏度与接收声压面积有很大关系，呈正相关，只通过改变梁的结构形式，很难在缩小器件面积的同时保持麦克风器件的灵敏度。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供一种小型化的高灵敏度压电式麦克风，解决当麦克风器件的面积缩小时，接收声压面积会减小而造成麦克风的灵敏度降低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种小型化的高灵敏度压电式麦克风，包括具有背腔的衬底和固定于衬底上的压电悬臂梁，压电悬臂梁包括与衬底固定连接的固定端和与固定端连接并悬置于背腔上方的自由端，自由端设有降低压电悬臂梁的谐振频率的质量块。
进一步地，质量块设置在压电悬臂梁自由端的上方、下方或端部。设置在压电悬臂梁自由端的上方的质量块可以通过图案化沉积的材料形成；设置在压电悬臂梁自由端的下方的质量块可以通过背腔刻蚀衬底层形成。
进一步地，压电悬臂梁为单晶片结构，从上至下依次是上电极、压电薄膜、下电极、支撑层。
进一步地，压电悬臂梁为双晶片结构，从上至下依次是上电极、上压电薄膜、中间电极、下压电薄膜、下电极。
进一步地，压电悬臂梁为多个，且相邻两压电悬臂梁之间设置有间隙，各压电悬臂梁均包括与所述衬底固定连接的所述固定端和所述自由端，且每个自由端均设有所述质量块。
进一步地，所述压电悬臂梁的形状为扇形、梯形或三角形，组成的接收声压区域为圆形或多边形。
进一步地，还包括固定框架，所述固定框架设置在所述悬臂梁的外围，且所述固定框架上设有与所述悬梁臂对应的压电叠层，通过连接结构上的压电叠层连接所述悬臂梁的固定端的压电叠层和所述固定框架的压电叠层，从所述固定框架上引出电信号。
进一步地，还包括固定框架，固定框架设置在悬臂梁的外围，且固定框架上设有与悬梁臂对应的压电叠层，悬臂梁的固定端的压电叠层和固定框架的压电叠层相连接，从固定框架上引出电极。
本发明还提供一种小型化的高灵敏度压电式麦克风装置，包括多个串联或并联的上述的小型化的高灵敏度压电式麦克风。
本发明的有益效果是：本发明通过在悬臂梁自由端设置降低压电悬臂梁的谐振频率的质量块，质量块影响着振动系统的刚度k和等效质量m，在单位声压的激励下，相较于不带质量块的压电悬臂梁，自由端带有质量块的压电悬臂梁有效质量会变大，通过优化质量块尺寸，压电悬臂梁振动的谐振频率会显著降低，另外，在振动过程中，在悬臂梁自由端的质量块存在着惯性力，使悬臂梁的挠曲程度更大，提高工作频率范围(20Hz～20kHz)内的电压输出，在缩小面积之后可保持和原有面积大小的麦克风有相同的谐振频率和灵敏度，即在保持性能不变的情况下，新结构也可缩小麦克风器件面积。
进一步地，还包括固定框架，固定框架设置在悬臂梁的外围，且固定框架上设有与悬梁臂对应的压电叠层，悬臂梁的固定端的压电叠层和固定框架的压电叠层相连接，从固定框架上引出电极。当接收声压区域的压电悬臂梁在外周固定，梁的面积较大端作为固定端，梁的面积较小端作为自由端，压电悬臂梁与固定框架直接连接，产生的电信号在固定框架上引出；当接收声压区域的压电悬臂梁在中心固定，梁的面积较小端作为固定端，梁的面积较大端作为自由端，有两种电信号的引出方式，一种是在中心的固定柱部分，通过TSV工艺，将电信号引至带有电路结构的晶圆衬底上，另一种是通过设置连接结构，连接固定柱和固定框架上的压电叠层，电信号在固定框架上引出。
本发明也可以缩小单个麦克风的尺寸，在与原有麦克风的相同面积下阵列多个麦克风器件，每个器件相当于一个信号源，将其进行串联连接可叠加多个器件的产生的电信号，可显著增强麦克风灵敏度；将其进行并联连接，可减小麦克风元器件的输出阻抗，便于后续电路对麦克风元器件进行信号采集。
附图说明
图1为本发明一种小型化的高灵敏度压电式麦克风的结构示意图。
图2为本发明具有四个倒梯形压电悬臂梁的压电式麦克风的俯视图；
图3为图2沿A-A线的剖面图；
图4为图2沿B-B线的剖面图；
图5为图2沿C-C线的剖面图；
图6是四个串联连接的缩小尺寸的麦克风俯视图；
图7是四个并联连接的缩小尺寸的麦克风俯视图。
图中，101-硅衬底层，102-SiO2层，201-器件衬底层，202-第二绝缘层，203-器件支撑层，204-质量块，205-固定柱，206-间隙，301-下电极，302-压电薄膜，303-上电极，401-引出上电极，402-引出下电极，403-第三绝缘层，404-第一信号端，405-第二信号端，1-表面有热氧化SiO2的硅片，2-SOI晶圆衬底，5-固定框架，6-压电悬臂梁，7-固定区域，8-连接结构，9-面积较小端，10-面积较大端，11-接收声压区域11。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方案及原理作进一步的说明。
麦克风在缩小面积之后，谐振频率会显著升高。本发明通过在悬臂梁自由端的上方、下方或端部设置质量块，质量块影响着振动系统的刚度k和等效质量m，通过调整质量块，可使振动系统的谐振频率降低到一个合适的范围，提高工作频率范围电压输出，在缩小面积之后可保持和原有面积大小相同的麦克风有相同的谐振频率和灵敏度，甚至效果更好。
实施例一：
本实施例公开了一种小型化的高灵敏度压电式麦克风的结构，如图1所示，包括具有背腔的SOI晶圆衬底2和固定于SOI晶圆衬底2上的压电悬臂梁6，压电悬臂梁6包括与SOI晶圆衬底2固定连接的固定端和与固定端连接并悬置于背腔上方的自由端，自由端的下方设有一个质量块204，通过调整质量块204的参数来降低器件的谐振频率，从而提高压电式麦克风的灵敏度。通常情况下，压电式麦克风的衬底可以选用多种衬底，SOI，Si，蓝宝石衬底都行，适用于各类结构的麦克风，可根据梁的结构形式来定衬底的类型。调整的质量块204的参数可以根据需要灵活地调整，所调整得质量块的参数包括尺寸、形状、材料、距离固定端的距离等，最终转化成等效质量与等效距离。
根据设置质量块的原理与目的，显然质量块不仅可以设置在自由端的下方，也可以设置在压电悬臂梁自由端的上方或端部。设置在压电悬臂梁自由端的上方的质量块可以通过图案化沉积的材料制得；设置在压电悬臂梁自由端的下方的质量块可以通过背腔刻蚀SOI晶圆衬底2制得。
进一步地，压电悬臂梁可以为单晶片结构，从上至下依次是上电极、压电薄膜、下电极、支撑层，压电悬臂梁也可以为双晶片结构，从上至下依次是上电极、上压电薄膜、中间电极、下压电薄膜、下电极。
进一步地，还包括固定框架，固定框架设置在悬臂梁的外围，且固定框架上设有与悬梁臂对应的压电叠层，悬臂梁的固定端的压电叠层和固定框架的压电叠层相连接，从固定框架上引出压电悬臂梁产生的电信号。
实施例二：
本实施例公开了一种具有四个梯形膜瓣的压电式麦克风。如图2所示，压电悬臂梁6为多个，相邻压电悬臂梁6之间会留有一定宽度的间隙206。优选地，压电悬臂梁6的形状为扇形、梯形或三角形，本实施例的压电悬臂梁6形状选用梯形，四个梯形压电悬臂梁6组成接收声压区域11，接收声压区域可以为圆形、三角形、正方形或其他多边形。每个压电悬臂梁6的面积较小端9与衬底固定连接，另一端作为自由端，每个自由端均设有质量块204；当然也可以选用面积较大端10与衬底固定连接，另一端作为自由端。
本例的衬底选用SOI晶圆2，包括器件衬底层201、第二绝缘层202、器件支撑层203。SOI晶圆衬底上方为压电叠层，如图3所示，在SOI衬底上沉积下电极301，压电薄膜302和上电极303；或图案化刻蚀所述上电极303。对SOI衬底进行两次背腔刻蚀，以第二绝缘层202作为第二次背腔刻蚀的停止层，分别刻蚀出质量块204和固定柱205结构。固定柱205在振动区域中心，需要键合衬底来固定固定柱205，如果是固定区域设置在振动区域外周，进行两次背腔刻蚀即可，不需要额外添加衬底层。衬底层以选取表面有热氧化SiO2的硅片1，上层为SiO2层102，下层为硅衬底层101，上层的SiO2层102与SOI晶圆衬底2的器件衬底层201进行阳极键合处理，形成Si-O键，从而固定固定柱205。
当声波信号通过空气等媒介传播至麦克风处，在接收声压区域11处引起悬臂梁的振动，压电薄膜302由于正压电效应，在其上下表面产生异号电荷，通过下电极301和上电极303引出电信号。靠近固定区域7的所述压电薄膜302所受应力更大，表面极化电荷密度更大，所以图案化刻蚀上电极303，通过靠近固定区域7的上电极303引出电信号。如图4和图5所示，在压电叠层上沉积一层SiO2，刻蚀通孔，沉积Al或Au层，便可以引出压电叠层的上下电极。悬臂梁自由端的压电薄膜受到的横向“拉、压应力”很小，几乎不产生极化电荷，而靠近固定端的压电薄膜“拉、压应力”集中，所以刻蚀掉一部分上电极，分开靠近固定端和自由端的上电极，用靠近固定端的上电极引出电信号。
进一步地，还可以在压电悬臂梁6组成的接收声压区域11的外围接收声压的外围设置固定框架5，如图2、图3和图4所示，固定框架5上也有压电叠层。以本例中压电悬臂梁固定在接收声压区域的中心的结构为例，相邻压电悬臂梁的一间隙之中还可以设置有连接结构8，振动区域的压电叠层和固定框架上的压电叠层通过连接结构8上的压电叠层连接，通过连接结构8来引出电信号。由此，麦克风的输出电信号可在固定框架5上引出。这种压电悬臂梁的结构形式，自由端的面积大，在接收声压区域面积不变的情况下，相较于外周固定的压电悬臂梁，同等声压使压电悬臂梁的挠曲程度更大，产生的电信号更大。
在引出固定框架上的下电极301和上电极303时，同样可以沉积一层第三绝缘层403在上电极303上表面，第三绝缘层材料可以选用SiO2。在固定框架5上分别刻蚀一定深度的孔，露出下电极301和上电极303，然后沉积一层金属层，材料可选用Al、Au等，进一步经图案化刻蚀形成引出上电极401和引出下电极402。
实施例三：
参考图5，四个缩小尺寸的麦克风串联连接，与原有技术麦克风的面积相等，悬臂梁6自由端的质量块204对器件有降低谐振频率和提高工作范围(20Hz～20kHz)内输出电压的作用，通过优化质量块204，使单个缩小尺寸的麦克风输出性能与原有的大面积麦克风保持一致，四个麦克风进行串联连接，四个器件产生的电信号相互叠加后，由第一信号端404和第二信号端405引出，可有效增强麦克风电压灵敏度。
实施例四：
参考图6，在同一晶圆衬底上制造的四个缩小尺寸的麦克风，共用下电极，不需在固定框架5上引出下电极301，在第一信号端404处引出即可，四个麦克风器件的上电极303引出后相互连接至第二信号端405，四个器件做并联连接，减小麦克风元器件的输出阻抗，有利于电信号的引出。
特别地，本发明提供的技术方案可在缩小单个麦克风元器件尺寸的情况下，保证器件有良好的信号输出，提高微纳制造的集成度，通过优化质量块尺寸，在在单位接收声压区域面积下，可产生更高电信号，提高麦克风性能。本发明选取的实施例是消费电子中的麦克风，工作频率为20Hz～20kHz，在其余领域中应用的麦克风工作频率会有所调整。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种小型化的高灵敏度压电式麦克风，其特征在于，包括具有背腔的衬底和固定于所述衬底上的压电悬臂梁，所述压电悬臂梁包括与所述衬底固定连接的固定端和与所述固定端连接并悬置于所述背腔上方的自由端，所述自由端设有降低所述压电悬臂梁的谐振频率的质量块。
2.根据权利要求1所述的小型化的高灵敏度压电式麦克风，其特征在于，所述质量块设置在所述压电悬臂梁自由端的上方、下方或端部。
3.根据权利要求2所述的小型化的高灵敏度压电式麦克风，其特征在于，设置在所述压电悬臂梁自由端的上方的质量块是通过图案化沉积的材料形成。
4.根据权利要求2所述的小型化的高灵敏度压电式麦克风，其特征在于，设置在所述压电悬臂梁自由端的下方的质量块是通过背腔刻蚀衬底层形成。
5.根据权利要求1所述的小型化的高灵敏度压电式麦克风，其特征在于，所述压电悬臂梁为单晶片结构，从上至下依次是上电极、压电薄膜、下电极、支撑层。
6.根据权利要求1所述的小型化的高灵敏度压电式麦克风，其特征在于，所述压电悬臂梁为双晶片结构，从上至下依次是上电极、上压电薄膜、中间电极、下压电薄膜、下电极。
7.根据权利要求1所述的具小型化的高灵敏度压电式麦克风，其特征在于，所述压电悬臂梁为多个，且相邻两压电悬臂梁之间设置有间隙，各压电悬臂梁均包括与所述衬底固定连接的所述固定端和所述自由端，且每个自由端均设有所述质量块。
8.根据权利要求7所述的具有调频特性的压电式麦克风，其特征在于，所述压电悬臂梁的形状为扇形、梯形或三角形，组成的接收声压区域为圆形或多边形。
9.根据权利要求1任一项所述的小型化的高灵敏度压电式麦克风，其特征在于，还包括固定框架，所述固定框架设置在所述悬臂梁的外围，且所述固定框架上设有与所述悬梁臂对应的压电叠层，通过连接结构上的压电叠层连接所述悬臂梁的固定端的压电叠层和所述固定框架的压电叠层，从所述固定框架上引出电信号。
10.一种小型化的高灵敏度压电式麦克风装置，其特征在于，包括多个串联或并联的小型化的高灵敏度压电式麦克风，所述具有调频特性的压电式麦克风为权利要求1-9任一项所述的小型化的高灵敏度压电式麦克风。
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