CN112383869B - 一种压电mems换能器及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种压电MEMS换能器，包括：衬底，所述衬底具有贯通腔；多个梁，每个所述梁具有第一端以及第二端，每个所述梁的第一端耦合固定于所述衬底上，每个所述梁的第二端向所述贯通腔区域延伸；刚性膜，所述刚性膜被收容于所述贯通腔内，每个所述梁的第二端通过一独立设置的连接部件连接至该刚性膜中心以外的位置上；以及多个压电单元，所述多个压电单元设置于所述梁上。本发明可提高刚性膜的刚度，减小刚性膜的翘曲力度，并保证换能器的灵敏度。

Description

一种压电MEMS换能器及电子设备
【技术领域】
本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种压电MEMS换能器及电子设备。
【背景技术】
压电MEMS换能器(如压电麦克风)的压电单元是通过薄膜沉积和刻蚀而成的多层膜悬臂梁结构，该结构由于一端是固定端，在薄膜沉积后释放过程中，很容易造成其边缘区域(即自由端)在残余应力作用下翘曲，这样会导致通气开口变大，进而导致刚性膜上的气压减少，导致低频灵敏度降低。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种压电MEMS换能器，用于解决现有技术中压电MEMS换能器低频灵敏度低及薄膜翘曲的问题，并且通过合理优化梁的长度和连接端的位置，使器件的灵敏度增加。
本发明的技术方案如下：
一种压电MEMS换能器，包括：
衬底，所述衬底具有贯通腔；
多个梁，每个所述梁具有第一端以及第二端，每个所述梁的第一端耦合固定于所述衬底上，每个所述梁的第二端向所述贯通腔区域延伸；
刚性膜，所述刚性膜被收容于所述贯通腔内，每个所述梁的第二端通过一独立设置的连接部件连接至该刚性膜中心以外的位置上；以及
多个压电单元，所述多个压电单元设置于所述梁上。
优选的，所述衬底为中心对称的结构，所述刚性膜也为中心对称的结构，所述每个梁相对于所述刚性膜的中心偏心设置。
优选的，所述多个梁的第二端上的所述连接部件在所述刚性膜上呈间隔分布。
优选的，所述多个压电单元包括设置于所述梁的第一端处的压电单元。
优选的，所述多个压电单元包括设置于所述梁的第二端处的压电单元。
优选的，所述每个梁在所述刚性膜上的投影长度大于等于所述刚性膜的边缘到中心的距离。
优选的，所述每个梁在所述刚性膜上的投影长度小于所述刚性膜的边缘到中心的距离。
一种电子设备，包括压电MEMS换能器，所述压电MEMS换能器包括：
衬底，所述衬底具有贯通腔；
多个梁，每个所述梁具有第一端以及第二端，每个所述梁的第一端耦合固定于所述衬底上，每个所述梁的第二端向所述贯通腔区域延伸；
刚性膜，所述刚性膜被收容于所述贯通腔内，每个所述梁的第二端通过一独立设置的连接部件连接至该刚性膜中心以外的位置上；以及
多个压电单元，所述多个压电单元设置于所述梁上。
优选的，所述衬底为中心对称的结构，所述刚性膜也为中心对称的结构，所述每个梁的相对于所述刚性膜的中心偏心设置。
优选的，所述多个梁的第二端上的所述连接部件在所述刚性膜上呈间隔分布。
本发明的有益效果在于：压电MEMS换能器的每个梁通过一个单独的连接部件连接到刚性膜的中心以外的位置上，这样，在刚性膜的中心以外的区域形成了多个连接部件，提高了刚性膜横向上的刚度，使刚性膜在相同残存应力下翘曲的力度更小，相应的，与梁通过连接部件连接到刚性膜的中心位置相比，本发明的梁在刚性膜上的投影长度若大于刚性膜中心到边缘的距离，当刚性膜移动相同的距离时，本发明的梁会得到更大的应变，有利于增加MEMS换能器的灵敏度。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一的压电MEMS换能器的剖面结构示意图。
图2为本发明实施例一的压电MEMS换能器的俯视结构示意图。
图3为本发明实施例二的压电MEMS换能器的俯视结构示意图。
图4为本发明实施例三的压电MEMS换能器的俯视结构示意图。
图5为本发明实施例一中刚性膜在残余用力作用下的末端翘曲仿真结果图。
图6为本发明实施例一中刚性膜在1Pa作用下，梁的应变仿真结果图。
图7为本发明实施例二中刚性膜在残余用力作用下的末端翘曲仿真结果图。
图8为现有一种实施例中刚性膜在残余用力作用下的末端翘曲仿真结果图。
图9为现有一种实施例中刚性膜在1Pa作用下，梁的应变仿真结果图。
【具体实施方式】
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以通过许多其他不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或、和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例一
参考附图1所示，本实施例公开了一种压电MEMS换能器100，包括：衬底110、多个梁120、刚性膜140、以及多个压电单元150。
其中，衬底110具有贯通腔160；每个梁120具有第一端以及第二端，每个梁120的第一端耦合固定于衬底110上端，每个梁120的第二端向贯通腔160区域延伸；刚性膜140被收容于贯通腔160内并设于梁120的下部，每个梁120的第二端通过一独立设置的连接部件130连接至该刚性膜140中心以外的位置上；多个压电单元150设置于梁上。
在本实施例中，衬底110为中心对称的结构，其内部贯通腔160是中心对称的圆形腔体。刚性膜140也为中心对称的结构圆形膜体，其周边设有通风开口141。
本实施例中，每个梁120的第二端通过一独立设置的连接部件130连接至刚性膜140中心以外的位置上，使得刚性膜中心以外的区域形成多个支撑部(通过连接部件130实现)，进而提高了刚性膜的刚性，可降低刚性膜140边缘区域翘曲的高度，避免通风开口141产生较大变化。
作为进一步的改进，如图2所示，每个梁120相对于刚性膜140的中心偏心设置。偏心设置的方式使得在同样的连接点位置，梁120的长度可以更长，进而杠杆的力臂得到增加，在相同声压的作用下，梁120的应变会更大，因此压电MEMS换能器的灵敏度会得到增加。
在本实施例中，不管梁120是偏心设置或非偏心设置，多个梁120的第二端上的连接部件130在刚性膜140上呈间隔分布，如环形的间隔分布。环形的间隔分布方式使得刚性膜140整体上受力保持均匀，环形布置的连接部件130形成了环形区域，该环形区域的直径为L1，该L1的长度可通过调整梁120的长度和/或偏心距离来进行调整，在一定范围内保证灵敏度的同时，保证刚性膜翘曲在一定范围内得到最优化的输出。
在本实施例中，多个压电单元150包括设置于梁120的第一端处的压电单元150、以及包括设置于梁120的第二端处的压电单元150。
作为一种可选的实施方式，每个梁120在刚性膜140上的投影长度大于等于刚性膜140的半径。这样既能保证梁120的长度，又能保证刚性膜140的刚度。
如图5所示为依据本实施例提供的一种MEMS换能器的刚性膜在残余用力作用下的末端翘曲仿真结果图，由图中可看出，梁末端翘曲最大为2.002微米。如图6所示为依据本实施例提供的一种MEMS换能器的刚性膜在1Pa作用下，梁的应变仿真结果图，由图中可看出，梁应变最大处为4.5986×10-7微米。
作为对比，如图8及图9所示为分别一种现有的压电MEMS换能器的梁翘曲仿真结果图和梁应力仿真结果图。该压电MEMS换能器具有多个梁，多个梁与刚性膜之间通过一设置在刚性膜中心的连接柱连接。如图8所示，在该实施例中，梁末端翘曲最大为2.074微米，梁应变最大处为4.151×10-7微米。
根据仿真对比数据可知，在相同的条件下，依据本实施例提供的压电MEMS换能器梁末端翘曲更小，对通风开口141的影响更小，因而其刚性膜上端具有更稳定的气压，输出更稳定，梁应变最大处更大，因而其灵敏度相对而言更高。
实施例二
如图3所示为本实施例提供的另一种压电MEMS换能器200，与实施例一不同的是，在该实施例中，梁220的偏心距离更小，连接部件230在刚性膜240上构成的环形直径长度L1也进行了相应的调整。
进一步的，在本实施例中，在偏心距离更小的情况下，每个梁220在刚性膜240上的投影长度小于刚性膜240的半径。当然，每个梁220在刚性膜240上的投影长度也可以等于刚性膜240的半径，以保持梁220的应变能力。
如图7所示为依据本实施例提供的一种压电MEMS换能器的仿真结果图，从图中可知，刚性膜240的最大翘曲为1.604微米。
实施例三
如图4所示为又一种压电MEMS换能器300，与实施例一或实施例二不同的是，在该实施例中，梁的数量仅为四个，因此，压电MEMS换能器300的梁数量可根据需要进行相应的配置，并不限制于本实施例一及实施例二中图示的数量。
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 (8)

1.一种压电MEMS换能器，其特征在于，所述压电MEMS换能器包括：
衬底，所述衬底具有贯通腔；
多个梁，每个所述梁具有第一端以及第二端，每个所述梁的第一端耦合固定于所述衬底上，每个所述梁的第二端向所述贯通腔区域延伸；
刚性膜，所述刚性膜被收容于所述贯通腔内，每个所述梁的第二端通过一独立设置的连接部件连接至该刚性膜中心以外的位置上；以及
多个压电单元，所述多个压电单元设置于所述梁上；
所述衬底为中心对称的结构，所述刚性膜也为中心对称的结构，每个所述梁相对于所述刚性膜的中心偏心设置。
2.根据权利要求1所述的压电MEMS换能器，其特征在于，所述多个梁的第二端上的所述连接部件在所述刚性膜上呈间隔分布。
3.根据权利要求1所述的压电MEMS换能器，其特征在于，所述多个压电单元包括设置于所述梁的第一端处的压电单元。
4.根据权利要求1所述的压电MEMS换能器，其特征在于，所述多个压电单元包括设置于所述梁的第二端处的压电单元。
5.根据权利要求1所述的压电MEMS换能器，其特征在于，每个所述梁在所述刚性膜上的投影长度大于等于所述刚性膜的边缘到中心的距离。
6.根据权利要求1所述的压电MEMS换能器，其特征在于，每个所述梁在所述刚性膜上的投影长度小于所述刚性膜的边缘到中心的距离。
7.一种电子设备，包括压电MEMS换能器，其特征在于，所述压电MEMS换能器包括：
衬底，所述衬底具有贯通腔；
多个梁，每个所述梁具有第一端以及第二端，每个所述梁的第一端耦合固定于所述衬底上，每个所述梁的第二端向所述贯通腔区域延伸；
刚性膜，所述刚性膜被收容于所述贯通腔内，每个所述梁的第二端通过一独立设置的连接部件连接至该刚性膜中心以外的位置上；以及
多个压电单元，所述多个压电单元设置于所述梁上；
所述衬底为中心对称的结构，所述刚性膜也为中心对称的结构，每个所述梁相对于所述刚性膜的中心偏心设置。
8.根据权利要求7所述的电子设备，其特征在于，所述多个梁的第二端上的所述连接部件在所述刚性膜上呈间隔分布。
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