CN113490121B - 压电式麦克风、耳机和电子设备 - Google Patents

压电式麦克风、耳机和电子设备 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种压电式麦克风、耳机和电子设备，其中，该压电式麦克风包括：多个环绕设置的器件区域，每个该器件区域包括中心电极和边缘电极；设置在相邻两个该器件区域之间的隔离槽；用于连接相邻的第一器件区域的边缘电极和第二器件区域的中心电极的互联组件。能够提升压电式麦克风的输出信号。

Description

压电式麦克风、耳机和电子设备
技术领域
本申请涉及麦克风技术领域，具体而言，涉及一种压电式麦克风、耳机和电子设备。
背景技术
压电式麦克风是压电薄膜在声音的激励下会产生振动，压电薄膜将振动带来的应变转换为电势的输出。但是目前的压电式麦克风可能会存在寄生的耦合通路，会导致本应处于不同电位的浮空地板电极连在一起，导致达不到提升器件输出的目的。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例的目的在于提供一种压电式麦克风、耳机和电子设备。能够缓解电位无法抬高，器件输出存在障碍的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种压电式麦克风，包括：
多个环绕设置的器件区域，每个所述器件区域包括中心电极和边缘电极；
设置在相邻两个所述器件区域之间的隔离槽；
用于连接相邻的第一器件区域的边缘电极和第二器件区域的中心电极的互联组件。
在一可选的实施方式中，所述中心电极的区域为大于所述多个环绕设置的器件区域的最大正电势的第一指定比值等势线对应的区域。
在上述实施方式中，在中心电极和边缘电极的区域的选择可以基于第一指定比值等势线确定，从而可以基于电压和电容的需求，以使麦克风的输出能够满足不同的需求。
在一可选的实施方式中，所述第一指定比值为18％-80％间的任意数值。
在上述实施方式中，第一指定比值为18％-80％间的任意数值，可以使电压的输出能够在所需范围内，且能够更好地适应电容的需求。
在一可选的实施方式中，所述边缘电极的区域为大于所述多个环绕设置的器件区域的最大负电势的第二指定比值等势线对应的区域。
在一可选的实施方式中，所述第二指定比值为18％-80％间的任意数值。
在一可选的实施方式中，所述互联组件包括第一连接线、第二连接线和连接桥；
所述第一连接线的第一端用于与第一器件区域的边缘电极连接；
所述第二连接线的第一端用于与第二器件区域的中心电极连接，所述第二器件区域为所述第一器件区域相邻的器件区域；
所述连接桥用于连接所述第一连接线的第二端，和所述第二连接线的第二端。
在上述实施方式中，通过连接线和连接桥共同构成互联组件，能够方便加工形成串联。通过上述的结构也能够使相邻的两个器件区域串联，能够提升麦克风的输出的目的。
在一可选的实施方式中，所述器件区域包括：
支撑层；
设置在所述支撑层一侧的第一电极层；
设置在所述电极层远离所述支撑层一侧的压电层；
设置在所述压电层的远离所述第一电极层一侧的第二电极层；
所述隔离槽用于隔离相邻两个器件区域的所述支撑层、所述第一电极层、所述压电层、以及所述第二电极层。
在上述实施方式中，采用了上下电极、压电薄膜以及支撑层层的复合振膜结构，可以提升了麦克风的输出效率和灵敏度。进一步地，隔离槽能够实现将上下电极、压电薄膜隔离，可以减少器件区域之间的电学耦合，避免不同器件区域之间信号的干扰。
在一可选的实施方式中，所述压电式麦克风包括N个器件区域，N-1个互联组件；其，N为大于二的正整数；
其中，第M个互联组件用于连接第M个器件区域的边缘电极和第M+1个器件区域的中心电极，或者，第M个互联组件用于连接第M个器件区域的中心电极和第M+1个器件区域的边缘电极，M为小于等于N-1的正整数。
在上述实施方式中，互联组件的组数比器件区域的数量少一，在可以实现器件区域的串联的情况下，也减少结构的复杂性。
第二方面，本申请实施例提供一种耳机，包括：一个或多个上述的压电式麦克风。
第三方面，本申请实施例提供一种电子设备，包括：上述的压电式麦克风
本申请实施例提供的压电式麦克风、耳机和电子设备，通过在器件特定区域形成通孔及金属互联组件，互联组件实现了隔离的器件区域之间的正、负电极的电气连接，实现了多个区域的输出串联，达到提升麦克风的输出的目的。进一步地，采用将多个器件区域间通过隔离槽实现相互间的隔离，从降低寄生的耦合通路所导致本应处于不同电位的浮空地板电极连在一起的情况，从而使得串联电位可抬升，达到提升压电式麦克风的输出的目的。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本申请实施例提供的压电式麦克风的第一视角下的结构示意图。
图2a为本申请实施例提供的压电式麦克风的第一选择下的边缘电极区域的结构示意图。
图2b为本申请实施例提供的压电式麦克风的第一选择下的中心电极区域的结构示意图。
图3a为本申请实施例提供的压电式麦克风的第二选择下的边缘电极区域的结构示意图。
图3b为本申请实施例提供的压电式麦克风的第二选择下的中心电极区域的结构示意图。
图4为本申请实施例提供的压电式麦克风的第二视角下的局部结构示意图。
图标：110-器件区域；111-中心电极；112-边缘电极；120-隔离槽；130-互联组件；131-第一连接线；132-连接桥；133-第二连接线；140-支撑层；151-第一电极层；152-第二电极层；160-压电层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
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定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“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，或者是所述申请产品使用时惯常拜访的方位或位置关系，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，因此不能解释为本申请的限制。
本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例一
本申请实施例提供一种压电式麦克风。如图1所示，本实施例中的压电式麦克风包括：多个器件区域110、隔离槽120以及互联组件130。
本实施例中，多个器件区域110环绕设置。
示例性地，每个器件区域110可以呈三角形，多个器件环绕拼接在一起可以形成多边形的麦克风。
示例性地，压电式麦克风包括四个器件区域110，则四个器件区域110可拼接成可以四边形。例如，该四边形可以是矩形，该矩形可以是正方形，也可以是长方形。
示例性地，压电式麦克风包括六个器件区域110，则六个器件区域110可拼接成可以六边形。例如，该六边形可以是正六边形。
本实施例中，每个器件区域110包括中心电极111和边缘电极112。以多个器件区域110环绕设置呈四边形的麦克风为例，该每个器件区域110的边缘电极112可以在四边形的四边处，每个器件区域110的中心电极111在四边形的中间。
示例性地，所有器件区域110的中心电极111可以在多边形的中间，各个器件区域110的中心电极111拼接可形成平滑的环形区域。例如，平滑的环形区域可以是圆形、椭圆形、类椭圆形、类圆形等其它类似的平滑的环形区域。
本实施例中，隔离槽120设置在向量两个器件区域110之间，以用于将相邻两个器件区域110进行隔离。
本实施例中，通过互联组件130将各个器件区域110串联。
示例性地，互联组件130连接相邻的第一器件区域110的边缘电极112和第二器件区域110的中心电极111。
示例性地，压电式麦克风的振动产生的应变会在压电式麦克风的器件振膜的表面产生正负两种电势分布，两种电势分布之间存在着过渡区域，过渡区域的电势输出接近0。器件区域110的中心电极111区域大小的不同，可能会导致输出的电压和电容的大小不同。
可选地，中心电极111的区域为大于所述多个环绕设置的器件区域110的最大正电势的第一指定比值等势线对应的区域。
示例性地，该第一指定比值为18％-80％间的任意数值。例如，该第一指定比值的取值可以是18％、20％、50％、60％、80％等值。
示例性地，第一指定比值越大，所设定的中心电极111的区域越大，中心电极111的区域越大，压电式麦克风的输出电容也就越大。第一指定比值越小，所设定的中心电极111的区域越小，中心电极111的区域越小，压电式麦克风的输出电容也就越小，对应压电式麦克风的输出电压也就越大。
可选地，边缘电极112的区域为大于所述多个环绕设置的器件区域110的最大负电势的第二指定比值等势线对应的区域。
示例性地，该第二指定比值为18％-80％间的任意数值。例如，该第二指定比值的取值可以是18％、20％、50％、60％、70％、80％等值。
示例性地，第二指定比值越大，所设定的边缘电极112的区域越大，边缘电极112的区域越大，压电式麦克风的输出电容也就越大。第二指定比值越小，所设定的边缘电极112的区域越小，边缘电极112的区域越小，压电式麦克风的输出电容也就越小，对应压电式麦克风的输出电压也就越大。
本实施例中，第一指定比值可以与第二指定比值的取值相同。
在一种实施方式中，该压电式麦克风所连接的后端的信号采集电路为电压放大器，则所需的电压相对更大，以获取更大的信号。若电极区域采用较大电势所形成的区域作为电极，则压电式麦克风可以输出较高的电压，该压电式麦克风与电压放大器配合可以获得较高的输出。因此，在此需求下，可选择大于最大电势的40％、最大电势的50％、最大电势的45％、最大电势的60％、最大电势的70％、最大电势的80％等区域形成器件区域110的电极，以使压电式麦克风能够输出相对更大的电压。
如图2a和2b所示的实例，在上述实施方式中，可以选择最大电势的50％等势线作为电极的边缘，以确定出各个器件区域110所围绕形成的压电式麦克风的中心电极111和边缘电极112。
示例性地，可以将最大正电势的50％等势线l1所围绕的区域作为边缘电极112，该边缘电极112内的电势大于最大正电势的50％。可以将最大负电势的50％等势线l2所围绕的区域作为中心电极111。
考虑在选择相对更大的电势区域作为电极，则压电式麦克风的电容也就相对降低，而电容值决定了压电式麦克风在低频下的输出阻抗，若压电式麦克风的输出阻抗接近甚至高于后端的电压放大器的输入阻抗，则可能会导致电压放大器不能完全采集到的压电式麦克风的电压，可能导致输出效率降低。因此，在此背景下，本申请实施例将第一指定比值设定在18％-80％间，第二指定比值设置在18％-80％间，可以在更好地满足后端的信号采集电路的情况下，也可以获得较高的输出。
在另一种实施方式中，该压电式麦克风所连接的后端的信号采集电路为电荷放大器，而电荷放大器是将压电式麦克风输出的电荷转为电压信号，输出电压大小决定于压电式麦克风上的电荷量而与器件上的电压大小无关。在此实施方式下，相对更大的电极覆盖范围，可以捕捉到压电式麦克风上更多的电荷，因此，可以使压电式麦克风具有更大输出。因此，在此需求下，可选择大于最大电势的18％、最大电势的20％、最大电势的23％或最大电势的28％等区域形成器件区域110的电极，以使压电式麦克风的电极覆盖面积更大，以方便获得更多的电荷。
因此，可以根据连接的信号采集电路的类型，确定出压电式麦克风的电极区域的设置。
示例性地，电极覆盖范围越大可获得的电荷越多，但是电极覆盖范围无限大可能会使部分负电荷被电极收集到，从而降低压电式麦克风的输出。本实施例中，在一个使用场景中，当电极扩展到最大电势的20％等势线时，电荷的获得可以达到极值，进一步增加电极覆盖范围会使部分负电荷被电极收集到，从而降低器件的输出。在另一个使用场景中，当电极扩展到最大电势的18％等势线时，电荷的获得可以达到极值，进一步增加电极覆盖范围会使部分负电荷被电极收集到，从而降低器件的输出。因此电极的覆盖面积并不是越大越好，本申请实施例中基于研究，将第一指定比值设定在18％-80％，第二指定比值设置在18％-80％间，可以在更好地满足后端的信号采集电路的情况下，也可以获得较高的输出。
如图3a和3b所示的实例，在上述实施方式中，可以选择最大电势的20％等势线作为电极的边缘，以确定出各个器件区域110所围绕形成的压电式麦克风的中心电极111和边缘电极112。
例如，可以将最大正电势的20％等势线l3所围绕的区域作为边缘电极112，该边缘电极112内的电势大于最大正电势的20％。可以将最大负电势的20％等势线l4所围绕的区域作为中心电极111。
可再次参阅图1所示，互联组件130包括第一连接线131、第二连接线133和连接桥132。
该第一连接线131的第一端用于与第一器件区域110的边缘电极112连接，第二连接线133的第一端用于与第二器件区域110的中心电极111连接，该第二器件区域110为该第一器件区域110相邻的器件区域110，该连接桥132用于连接该第一连接线131的第二端，和该第二连接线133的第二端。
本实施例中，压电式麦克风包括N个器件区域110，N-1个互联组件130；其，N为大于二的正整数。
其中，第M个互联组件130用于连接第M个器件区域110的边缘电极112和第M+1个器件区域110的中心电极111，或者，第M个互联组件130用于连接第M个器件区域110的中心电极111和第M+1个器件区域110的边缘电极112，M为小于等于N-1的正整数。
在图1所示的实例中，压电式麦克风包括四个器件区域110，三个互联组件130。
第一个器件区域110与第二个器件区域110通过第一互联组件130连接，第二个器件区域110与第三个器件区域110通过第二个互联组件130连接，第三个器件区域110与第四个器件区域110通过第三个互联组件130连接，第一个器件区域110与第四个器件区域110则可以不通过互联组件130连接。
如图4所示，每个器件区域110可以包括：支撑层140、第一电极层151、压电层160、第二电极层152以及隔离槽120。
该第一电极层151可以设置在所述支撑层140一侧，压电层160设置在所述电极层远离所述支撑层140一侧，第二电极层152设置在所述压电层160的远离所述第一电极层151一侧。
以图4所示的方向为例，从下至上依次为支撑层140、第一电极层151、压电层160、第二电极层152。
隔离槽120用于隔离相邻两个器件区域110的所述支撑层140、所述第一电极层151、所述压电层160、以及所述第二电极层152。
可选地，支撑层140的材质可以是硅Si；第一电极层151和第二电极层152的材质可以是电极金属，例如，银、锌等；压电层160的材质可以是压电材料；隔离槽120中填充可以是二氧化硅SiO2。
示例性地，可以各个器件区域110可以通过刻蚀工艺刻蚀支撑层140、第一电极层151、压电层160、第二电极层152，并在各个器件区间之间形成槽，然后通过沉积工艺向该槽内填充绝缘的二氧化硅SiO2薄膜，形成的器件区域110间隔离槽120结构。
在本申请实施例中，采用了第一电极层151和第二电极层152形成了双层电极的复合振膜结构的压电式麦克风，相较于单层电极而言，可以提升压电式麦克风的输出效率和灵敏度。
在一个实例中，针对单层电极的压电式麦克风进行仿真，该单层电极的压电式麦克风可以在其表面特定区域形成正-负的电势分布，正负电极电势差为1.2mV，但其电极布置形式所形成的电容仅有约6×10-4pF。
在另一个实例中，针对双层电极的压电式麦克风进行仿真，通过仿真可得到正负电极电势差为0.9mV，电容值可达1.4pF。基于上述仿真数据可以了解到，第一电极层151和第二电极层152形成了双层电极的复合振膜结构的压电式麦克风相较于单层电极的压电式麦克风的电容值可以提升数千倍。因此，在类似条件下，双层电极的复合振膜结构的压电式麦克风所形成的能量是单层电极的压电式麦克风所形成的能量的2300倍，可以较大的提升了压电式麦克风的输出效率和灵敏度。
在本申请实施例提供的压电式麦克风中，通过在器件特定区域形成通孔及金属互联组件130，互联组件130实现了隔离的器件区域110之间的正、负电极的电气连接，实现了多个区域的输出串联，达到提升麦克风的输出的目的。进一步地，采用将多个器件区域110间通过隔离槽120实现相互间的隔离，从降低寄生的耦合通路所导致本应处于不同电位的浮空地板电极连在一起的情况，从而使得串联电位可抬升，达到提升压电式麦克风的输出的目的。
在本申请实施例中，通过布置内部和外侧两部分电极，获得差分的电压输出信号。进一步地，在设计电极区域时，选择最大电势的指定比值等势线所包围的区域作为电极，以这样的原则确定的电极形状，可以最大限度地利用器件的输出，达到最优的性能。
进一步地，在本申请实施例中，压电式麦克风的多个器件区域110之间可以采用隔离槽120进行隔离，可以使降低寄生的耦合通路所导致本应处于不同电位的浮空地板电极连在一起的情况，从而使得串联电位可抬升，达到提升器件输出的目的。
实施例二
本申请实施例提供一种耳机。本实施例中的耳机包括：一个或多个压电式麦克风。
本实施例中的压电式麦克风与实施例一提供的麦克风类似，关于本实施例中的压电式麦克风的其它细节可以参阅实施例一中的描述，在此不再赘述。
本实施例中的耳机还可以包括耳机外壳，该压电式麦克风可以安装在耳机外壳内。
示例性地，该耳机外壳上还可以开设通孔，以供压电式麦克风接收到耳机外部的声音。
实施例三
本申请实施例提供一种电子设备。本实施例中的电子设备包括：一个或多个压电式麦克风。
本实施例中的压电式麦克风与实施例一提供的麦克风类似，关于本实施例中的压电式麦克风的其它细节可以参阅实施例一中的描述，在此不再赘述。
本实施例中的电子设备可以是个人电脑(personal computer，PC)、平板电脑、智能手机、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)等需要采集声音信号的计算机。
该电子设备还可以是穿戴设备。例如，虚拟现实眼镜、智能手表等穿戴设备。
该电子设备还可以是用于控制智能家居的遥控器。
当然，本实施例中的电子设备也可以是任意需要采集声音信号的设备。
以上所述仅为本申请的可选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。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定义和解释。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种压电式麦克风，其特征在于，包括：
多个环绕设置的器件区域，每个所述器件区域包括中心电极和边缘电极；
设置在相邻两个所述器件区域之间的隔离槽；
用于连接相邻的第一器件区域的边缘电极和第二器件区域的中心电极的互联组件；
所述中心电极的区域为大于所述多个环绕设置的器件区域的最大正电势的第一指定比值等势线对应的区域；
所述边缘电极的区域为大于所述多个环绕设置的器件区域的最大负电势的第二指定比值等势线对应的区域；其中，所述第一指定比值和所述第二指定比值为18％-80％间的任意数值。
2.根据权利要求1所述的压电式麦克风，其特征在于，所述第一指定比值为18％-80％间的任意数值。
3.根据权利要求1所述的压电式麦克风，其特征在于，所述第二指定比值为18％-80％间的任意数值。
4.根据权利要求1所述的压电式麦克风，其特征在于，所述互联组件包括第一连接线、第二连接线和连接桥；
所述第一连接线的第一端用于与第一器件区域的边缘电极连接；
所述第二连接线的第一端用于与第二器件区域的中心电极连接，所述第二器件区域为所述第一器件区域相邻的器件区域；
所述连接桥用于连接所述第一连接线的第二端，和所述第二连接线的第二端。
5.根据权利要求1所述的压电式麦克风，其特征在于，所述器件区域包括：
支撑层；
设置在所述支撑层一侧的第一电极层；
设置在所述电极层远离所述支撑层一侧的压电层；
设置在所述压电层的远离所述第一电极层一侧的第二电极层；
所述隔离槽用于隔离相邻两个器件区域的所述支撑层、所述第一电极层、所述压电层、以及所述第二电极层。
6.根据权利要求1所述的压电式麦克风，其特征在于，所述压电式麦克风包括N个器件区域，N-1个互联组件；其，N为大于二的正整数；
其中，第M个互联组件用于连接第M个器件区域的边缘电极和第M+1个器件区域的中心电极，或者，第M个互联组件用于连接第M个器件区域的中心电极和第M+1个器件区域的边缘电极，M为小于等于N-1的正整数。
7.一种耳机，其特征在于，包括：一个或多个权利要求1-6任意一项所述的压电式麦克风。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：权利要求1-6任意一项所述的压电式麦克风。
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