CN111063790A - 压电换能器、制备压电换能器的方法及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电换能器、制备压电换能器的方法及电子设备。一种压电换能器，包括支撑结构以及设置于所述支撑结构上的压电振膜；所述压电振膜包括梁，所述梁在第一方向上的一端由所述支撑结构支撑，另一端为自由端；所述压电振膜包括依次层叠设置于所述支撑结构上的第一电极层以及压电材料层；其中，所述自由端的压电材料层的面积小于所述第一电极层的面积。上述压电换能器、制备压电换能器的方法及电子设备相对于传统压电换能器，在压电振膜形变时，弯曲应力更大，尤其是在压电换能器为压电电声换能器时，其讯杂比较高。

Description

压电换能器、制备压电换能器的方法及电子设备

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种压电换能器、制备压电换能器的方法及电子设备。

背景技术

在制备压电换能器时，压电振膜制程中薄膜堆栈不易控制残余应力，使得全膜压电换能器应力无法释放，因此，会增加压电振膜刚性，进而导致压电换能器灵敏度下降。

传统的解决方法是将压电振膜做成悬臂梁结构来释放残余应力，以提升压电换能器灵敏度。但是，压电振膜在形变时，弯曲应力仍然不够。尤其是压电换能器为压电电声换能器时，压电振膜形变时弯曲应力不够容易导致压电电声换能器讯杂比达不到要求。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种压电换能器、制备压电换能器的方法及电子设备。

一种压电换能器，包括支撑结构以及设置于所述支撑结构上的压电振膜；所述压电振膜包括梁，所述梁在第一方向上的一端由所述支撑结构支撑，另一端为自由端；

所述压电振膜包括依次层叠设置于所述支撑结构上的第一电极层以及压电材料层；

其中，所述自由端的压电材料层的面积小于所述第一电极层的面积。

在其中一个实施例中，所述压电振膜包括至少两个相对的梁且所述至少两个相对的梁之间具有缝隙；

其中，所述自由端的压电材料层在所述第一方向的垂直方向上的宽度从两边向中心逐渐减小。

在其中一个实施例中，所述自由端的压电材料层在所述第一方向的垂直方向上的相对两个侧边至少一边呈弧形。

在其中一个实施例中，所述自由端的压电材料层为对称结构。

在其中一个实施例中，所述压电振膜还包括设置于所述压电材料层远离所述第一电极层一侧的第二电极层，所述第一电极层和/或第二电极层的厚度小于所述压电材料层的厚度。

在其中一个实施例中，所述压电振膜还包括设置于所述压电材料层远离所述第一电极层一侧的第二电极层，所述压电材料上开设有通孔，以引出所述第一电极层；所述第二电极层包括第二电极以及第一电极引出端；

所述第一电极层包括第一电极，所述第一电极引出端与所述第一电极通过所述压电材料层上的通孔电连接。

在其中一个实施例中，所述压电振膜还包括依次层叠设置于所述支撑结构和所述第一电极层之间的柔性薄膜层和/或绝缘层。

在其中一个实施例中，所述支撑结构包括基板以及设置于所述基板上的牺牲层，所述牺牲层与所述压电振膜相邻设置；

其中，所述基板和所述牺牲层上开设有背腔以裸露所述自由端。

一种制备压电换能器的方法，所述方法包括：

提供支撑结构；

在所述支撑结构上形成压电振膜；所述压电振膜包括依次层叠设置于所述支撑结构上的第一电极层以及压电材料层；

对所述支撑结构进行刻蚀形成背腔，以裸露部分所述压电振膜；

在与所述背腔相对位置处于所述压电振膜上开设缝隙；所述压电振膜包括梁，所述梁在第一方向上的一端由所述支撑结构支撑，另一端为自由端；

去除部分所述压电材料层，以使所述自由端的压电材料层的面积小于所述第一电极层的面积。

在其中一个实施例中，所述压电振膜包括至少两个相对的梁且所述至少两个相对的梁之间具有缝隙；

其中，所述自由端的压电材料层在所述第一方向的垂直方向上的相对两个侧边为对称的弧形，且所述自由端的压电材料层在所述第一方向的垂直方向上的宽度从两边向中心逐渐减小。

一种电子设备，所述电子设备包括如上任一所述的压电换能器。

上述压电换能器、制备压电换能器的方法及电子设备在利用悬臂梁结构释放压电振膜的残余应力基础上，移除部分压电材料层以使压电材料层的面积小于第一电极层的面积，从而在压电振膜形变时能够产生更大的弯曲应力，尤其是在压电换能器为压电电声换能器时，有利于提升压电电声换能器杂讯比；其相对于传统的减薄压电材料层的做法，能够保证压电材料层的厚度从而表现出足够的压电效应；进一步的，压电振膜包括至少两个相对的梁且两个相对的梁之间具有缝隙，自由端的压电材料层在第一方向的垂直方向上的宽度从两边向中心逐渐减小，例如，使自由端的压电材料层的在第一方向的垂直方向上两边呈弯曲方向相反的弧形，从而得到双曲压电材料层，如此，双曲压电材料层末端的宽度大于中心宽度，可以减少移除部分压电材料层后压电振膜自由端由于释放残余应力带来的翘曲量，从而改善相对的两个梁间缝隙扩大的现象，得到的压电电声换能器低频灵敏度较高；进一步的，压电振膜除了包括依次层叠设置于支撑结构上的第一电极层和压电材料层，还包括设置于压电材料层远离第一电极层一侧的第二电极层，第一电极层和/或第二电极层的厚度小于压电材料层的厚度，使得压电振膜整体厚度较薄，压电振膜更加敏感，从而压电电声换能器性能更佳；压电材料层上可以开设有通孔，第二电极层上的第一电极引出端通过压电材料层上的通孔与第一电极电连接，从而避免侧边走线；压电振膜还可以包括设置于支撑结构和第一电极层之间的柔性薄膜层，柔性薄膜层有利于带动压电材料层形变，从而得到更高信噪比的压电电声换能器。

附图说明

图1为一实施例中的压电换能器的剖视图。

图2为一实施例中的压电换能器中悬臂梁结构立体图。

图3为一实施例中的压电换能器的悬臂梁结构正视图。

图4为一实施例中的压电换能器的悬臂梁结构俯视图。

图5为一实施例中的压电振膜和传统压电换能器中压电振膜翘曲量比较图。

图6为一实施例中的压电换能器和传统压电换能器能量输出曲线图。

图7为一实施例中的制备压电换能器方法的流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”以及“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，需要说明的是，当元件被称为“形成在另一元件上”时，它可以直接连接到另一元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以直接连接到另一元件或者同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。

本申请提供一种基于悬臂梁结构的压电换能器，从而利用悬臂梁结构释放压电振膜的残余应力以保证压电换能器较高的灵敏度，同时压电振膜形变时弯曲应力更大，尤其是在压电换能器为压电电声换能器时，有利于提高其讯杂比。该压电换能器可以进一步包括集成电路等其他设备从而形成MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）压电换能器。

结合图1至图3，根据本申请的一个实施例，压电换能器100包括支撑结构110以及设置于支撑结构110上的压电振膜120。

压电振膜120包括梁121，梁121在第一方向上的一端由支撑结构110支撑，另一端为自由端A，使得各梁121分别与支撑结构110构成悬臂梁结构，以释放压电振膜120的残余应力，从而保证压电换能器100较高的灵敏度。本实施例中的第一方向指的是梁121的固定端指向自由端A的方向，即图2中的X方向。

具体的，压电振膜120包括依次层叠设置于支撑结构110上的第一电极层122以及压电材料层123。压电振膜120还可以包括压电材料层123远离第一电极层122一侧的第二电极层124。示例性的，压电材料层123上可以开设通孔，以引出第一电极层122。第二电极层124包括第二电极1242以及第一电极引出端1244；第一电极层122包括第一电极1222，第一电极引出端1244与第一电极1222通过压电材料层123上的通孔电连接。需要说明的是，本实施例中第二电极层124上的第二电极1242和第一电极引出端1244之间是断开的。

示例性的，当压电换能器100应用于麦克风时，受到气压或者声压的推动后，梁121的自由端A产生形变，压电材料层123由于正压电效应将形变能转换为电荷转移，使得第一电极层122和第二电极层124输出电信号，并且第一电极层122的信号可以传输给第二电极层124上的第一电极引出端1244，使得外部信号处理电路直接与表面的第二电极层124连接以获取该电信号即可，从而实现对声波的探测；当压电换能器100应用于扬声器时，外部信号处理电路与第二电极层124上的第一电极引出端1244和第二电极1242连接，从而将电信号输出给第二电极1242和通过第一电极引出端1244将电信号输出给第一电极1222，压电材料层123由于逆压电效应将电荷转移转变为形变能，梁121的自由端A产生形变，从而产生声波。

其中，自由端A的压电材料层123的面积小于第一电极层122的面积。即，压电材料层123的部分被移除，能够减小压电振膜120刚性，从而使压电振膜120形变时能够产生更大的弯曲应力，尤其是在压电换能器100为压电电声换能器时，有利于提升压电电声换能器杂讯比。传统的压电换能器通过减薄压电材料层的厚度以增加压电材料层受力后的产生的弯曲应力，但是过薄的压电材料层无法表现出足够的压电效应，而本实施例中通过减小压电材料层123的面积的方式能够保证压电材料层123较厚的厚度以产生足够的压电效应。

进一步的，参见图4，以第一方向为X方向，第一方向的垂直方向为Y方向。自由端A的压电材料层123在第一方向的垂直方向上即Y方向上的宽度d从两边向中心逐渐减小。梁121可以为矩形梁，第一电极层122同样呈矩形，而压电材料层123由于在Y方向上的宽度从两边向中心逐渐减小，因此压电材料层123的面积小于第一电极层122的面积。

示例性的，自由端A的压电材料层123在Y方向上的一个侧边呈弧形使其在Y方向上的宽度从两边向中心逐渐减小；或者，自由端A的压电材料层123为对称结构，即自由端A的压电材料层123在Y方向上的相对两个侧边均呈弧形，也即为双曲压电材料层123。在其他实施例中，自由端A的压电材料层123在Y方向至少一个边缘去除一个大小合适的三角形，使得其在Y方向上的宽度从两边向中心逐渐减小；或者自由端A的压电材料层123在Y方向至少一个边缘祛除一个大小合适的梯形，使得其在Y方向上的宽度近似从两边向中心逐渐减小等。

本实施例中，压电振膜120至少包括两个相对的梁121，且这两个梁121之间具有缝隙127，使得这两个梁121不会互相干扰。需要注意的是，缝隙127的宽度需要做的非常小。例如，缝隙127的宽度小于5um，以避免压电换能器100为压电电声换能器时产生严重的低频衰减。本实施例中，由于双曲压电材料层123末端的宽度大于中心宽度，可以减少移除部分压电材料层123后自由端A由于释放残余应力带来的翘曲量，避免相对的两个梁121之间缝隙127扩大，在压电换能器100为压电电声换能器时，有利于进一步改善其低频灵敏度。

请参见图5，M为本实施例中提供的压电振膜120中单个梁121由于释放残余应力带来的自由端A的翘曲量示意图；N为传统的压电换能器中压电振膜翘曲量示意图。其中，阴影部位为翘曲量为30×10^-4的部分，其余部分翘曲量均小于30×10^-4。可以看到，本实施例中提供的梁121的自由端A翘曲量明显小于传统压电换能器中压电振膜翘曲量。请参见图6，L1为本实施例提供的压电换能器100能量输出曲线，L2为传统压电换能器能量输出曲线。可以看到，本实施例中提供的压电换能器100的能量输出相比于传统的压电换能器能够提升约21%，从而验证了本实施例提供的压电换能器100相对于传统压电换能器性能更好。

在一实施例中，第一电极层122和/或第二电极层124的厚度小于压电材料层123的厚度。由于压电换能器100能量输出大小与压电材料层123产生的压电效应呈正相关，而相对较厚的压电材料层123能够保证其产生足够的压电效应；并且较薄的第一电极层122和第二电极层124能够减薄压电振膜120的整体厚度，使得压电振膜120更敏感，在压电换能器100为压电电声换能器时，有利于提升其声学性能。

进一步的，压电振膜120还可以包括依次层叠设置于支撑结构110与第一电极层122之间的柔性薄膜层125和/或绝缘层126。可选的，采用硅材料制作柔性薄膜层125，柔性薄膜层125有利于带动压电材料层123的形变，从而进一步提升压电电声换能器在低频下的灵敏度。绝缘层126对第一电极层122与支撑结构110之间起到绝缘作用。柔性薄膜层125和绝缘层126同时还对第一电极层122、压电材料层123以及第二电极层124具备支撑作用。

在一实施例中，支撑结构110包括基板112以及设置于基板112上的牺牲层113。牺牲层113与压电振膜120相邻设置。基板112可以采用硅材料，硅具有强度高、耐磨性好等特点，从而更好的支撑压电振膜120。利用传统的刻蚀技术在基板112上刻蚀通孔，如，深离子反应刻蚀；或者支撑结构110还可以包括设置于基板112远离牺牲层113一侧的掩膜板111，利用掩膜板111对基板112进行光刻，从而严格控制基板112上刻蚀的通孔位置与尺寸。

牺牲层113可以采用二氧化硅等材料，从而在刻蚀基板112时牺牲层113可以作为阻挡层。在基板112刻蚀完成后，去除牺牲层113对应部分，从而在基板112和牺牲层113上形成背腔114，如，采用氢氟酸（HF）溶液对牺牲层113进行湿法刻蚀。背腔114能够裸露自由端A，从而各梁121分别与支撑结构110形成悬臂梁结构。

在本实施例中，背腔114在XY平面呈方形，各梁为矩形梁，制备工艺简单、成本较低。在其他实施例中，背腔114在XY平面也可以呈圆形，各梁为锥形梁，从而压电振膜120变形部分整体在XY平面呈圆形，在相同比表面积下，圆形的变形部分相对于方形更加敏感，从而有利于增加压电换能器100灵敏度。在其他实施例中，背腔114在XY平面也可以呈其他不规则形状等。

本申请还提供一种制备压电换能器的方法。如图7所示，制备压电换能器的方法包括以下步骤：

S110，提供支撑结构。

示例性的，参见图1，支撑结构110可以包括基板112和形成于基板112上的牺牲层113。可选的，基板112采用硅材料，牺牲层113采用二氧化硅材料。在其他实施例中，本步骤中还可以根据需要增加清洗、烘干等传统实施步骤。

S120，在支撑结构上形成压电振膜。

示例性的，采用沉积工艺在支撑结构110上依次形成柔性薄膜层125、绝缘层126、第一电极层122、压电材料层123以及第二电极层124。其中，柔性薄膜层125和绝缘层126可以有选择性的忽略。在本步骤中，还可以包括对第一电极层122进行图案化以形成第一电极1222；对第二电极层124进行图案化以形成第二电极1242以及第一电极引出端1244；在压电材料层123上开设通孔；通过压电材料层123上通孔将第一电极引出端1244与第一电极1222电连接的过程。

S130，对支撑结构进行刻蚀形成背腔。

具体的，先对基板112进行刻蚀以形成背腔114位置处的通孔，在此步骤中牺牲层113作为阻挡层；再对通过湿法刻蚀等工艺去除牺牲层113的对应部分，从而形成背腔114，以裸露部分压电振膜120。背腔114的截面可以为圆形、方向或其他形状。

S140，在与背腔相对位置处于压电振膜上开设缝隙。

具体的，在与背腔114相对位置处于压电振膜120上开设缝隙127，以使压电振膜120包括梁121。梁121在第一方向上的一端由支撑结构110支撑，另一端为自由端A，从而形成悬臂梁结构。

S150，去除自由端的部分压电材料层。

本实施例中可以采用传统工艺中对压电材料层123进行部分去除的任意工艺，从而使得自由端A的压电材料层123的面积小于第一电极层122的面积。在压电振膜120变形时，能够产生更大的弯曲应力，尤其是在压电换能器100为压电电声换能器时，有利于提升压电电声换能器杂讯比。进一步的，自由端A的压电材料层123在第一方向的垂直方向上的相对两个侧边为对称的弧形且自由端A的压电材料层123在第一方向的垂直方向上的宽度从两边向中心逐渐减小，从而形成双曲压电材料层123。本实施例中，压电振膜120包括至少两个相对的梁121，且这两个梁121之间具有缝隙127，使得这两个梁121不会互相干扰。需要注意的是，缝隙127的宽度需要做的非常小。例如，缝隙127的宽度小于5um。本实施例中，在保证压电振膜120形变时较大的弯曲应力基础上，减少移除部分压电材料层123后悬臂梁由于释放残余应力带来的翘曲量，从而改善相对两个梁121间缝隙扩大的现象，在尤其是压电换能器100为压电电声换能器时，有利于改善压电电声换能器低频灵敏度。

需要注意的是，上述实施例中提供的制备压电换能器的方法中的实施步骤并不限制实施顺序。例如，可以在去除部分压电材料层123的步骤之后在支撑结构110上形成背腔114。另外，本实施例中提供的制备压电换能器的方法能够形成上述任一实施例中的压电换能器100，具体过程此处不赘述。

本申请还提供一种电子设备。电子设备包括如上任一实施例中的压电换能器100。该电子设备可以为麦克风、扬声器，也可以为手机、数码相机、笔记本电脑、个人数字助理、MP3播放器、助听器、电视、电话、会议系统、有线耳机、无线耳机、录音笔、录音设备、线控器等等。

上述压电换能器100、制备压电换能器的方法及电子设备在利用悬臂梁结构释放压电振膜120的残余应力基础上，移除部分压电材料层123以使压电材料层123的面积小于第一电极层122的面积，从而在压电振膜120形变时能够产生更大的弯曲应力，尤其是在压电换能器为压电电声换能器时，有利于提升压电电声换能器杂讯比；其相对于传统的减薄压电材料层的做法，能够保证压电材料层123的厚度从而表现出足够的压电效应；进一步的，压电振膜120包括至少两个相对的梁121且两个相对的梁121之间具有缝隙，自由端A的压电材料层123在第一方向的垂直方向上的宽度从两边向中心逐渐减小，例如，使自由端A的压电材料层123的在第一方向的垂直方向上两边呈弯曲方向相反的弧形，从而得到双曲压电材料层123，如此，双曲压电材料层123末端的宽度大于中心宽度，可以减少移除部分压电材料层123后压电振膜120自由端A由于释放残余应力带来的翘曲量，从而改善相对两个梁121间缝隙扩大的现象，得到的压电电声换能器低频灵敏度较高；进一步的，压电振膜120除了包括依次层叠设置于支撑结构110上的第一电极层122和压电材料层123，还包括设置于压电材料层123远离第一电极层122一侧的第二电极层124，第一电极层122和/或第二电极层124的厚度小于压电材料层123的厚度，使得压电振膜120整体厚度较薄，压电振膜120更加敏感，从而压电电声换能器性能更佳；压电材料层123上可以开设有通孔，第二电极层124上的第一电极引出端1244通过压电材料层123上的通孔与第一电极电1222连接，从而避免侧边走线；压电振膜120还可以包括设置于支撑结构110和第一电极层122之间的柔性薄膜层125，柔性薄膜层125有利于带动压电材料层123形变，从而得到更高信噪比的压电电声换能器。

可以理解，本案中所有的附图的尺寸不代表实际比例，且仅仅为示意图。

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 (11)

1.一种压电换能器，其特征在于，包括支撑结构以及设置于所述支撑结构上的压电振膜；所述压电振膜包括梁，所述梁在第一方向上的一端由所述支撑结构支撑，另一端为自由端；

所述压电振膜包括依次层叠设置于所述支撑结构上的第一电极层以及压电材料层；

其中，所述自由端的压电材料层的面积小于所述第一电极层的面积。

2.根据权利要求1所述的压电换能器，其特征在于，所述压电振膜包括至少两个相对的梁且所述至少两个相对的梁之间具有缝隙；其中，所述自由端的压电材料层在所述第一方向的垂直方向上的宽度从两边向中心逐渐减小。

3.根据权利要求2所述的压电换能器，其特征在于，所述自由端的压电材料层在所述第一方向的垂直方向上的相对两个侧边至少一边呈弧形。

4.根据权利要求3所述的压电换能器，其特征在于，所述自由端的压电材料层为对称结构。

5.根据权利要求1所述的压电换能器，其特征在于，所述压电振膜还包括设置于所述压电材料层远离所述第一电极层一侧的第二电极层，所述第一电极层和/或第二电极层的厚度小于所述压电材料层的厚度。

6.根据权利要求1所述的压电换能器，其特征在于，所述压电振膜还包括设置于所述压电材料层远离所述第一电极层一侧的第二电极层，所述压电材料上开设有通孔，以引出所述第一电极层；所述第二电极层包括第二电极以及第一电极引出端；

所述第一电极层包括第一电极，所述第一电极引出端与所述第一电极通过所述压电材料层上的通孔电连接。

7.根据权利要求1所述的压电换能器，其特征在于，所述压电振膜还包括依次层叠设置于所述支撑结构和所述第一电极层之间的柔性薄膜层和/或绝缘层。

8.根据权利要求1所述的压电换能器，其特征在于，所述支撑结构包括基板以及设置于所述基板上的牺牲层，所述牺牲层与所述压电振膜相邻设置；

其中，所述基板和所述牺牲层上开设有背腔以裸露所述自由端。

9.一种制备压电换能器的方法，其特征在于，所述方法包括：

提供支撑结构；

在所述支撑结构上形成压电振膜；所述压电振膜包括依次层叠设置于所述支撑结构上的第一电极层以及压电材料层；

对所述支撑结构进行刻蚀形成背腔，以裸露部分所述压电振膜；

在与所述背腔相对位置处于所述压电振膜上开设缝隙；所述压电振膜包括梁，所述梁在第一方向上的一端由所述支撑结构支撑，另一端为自由端；

去除部分所述压电材料层，以使所述自由端的压电材料层的面积小于所述第一电极层的面积。

10.根据权利要求9所述的制备压电换能器的方法，其特征在于，所述压电振膜包括至少两个相对的梁且所述至少两个相对的梁之间具有缝隙；

其中，所述自由端的压电材料层在所述第一方向的垂直方向上的相对两个侧边为对称的弧形，且所述自由端的压电材料层在所述第一方向的垂直方向上的宽度从两边向中心逐渐减小。

11.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1至8任一所述的压电换能器。

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