CN113746373B - 基于带辐射状镂空振膜的mems压电声学与振动能量采集器 - Google Patents
基于带辐射状镂空振膜的mems压电声学与振动能量采集器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及基于带辐射状镂空振膜的MEMS压电声学与振动能量采集器，该MEMS压电声学与振动能量采集器，包括：衬底；质量块，产生振幅，用于与外部声学耦合膜连接；背腔，位于中间区域；绝缘层；振膜，用于支撑压电薄膜并将其采集的机械能传递给质量块；顶电极层；压电薄膜层，包括多个分立原件关于中心对称，通过压电效应将机械转化为电能；底电极层。本发明中多个振膜采用辐射状镂空结构，镂空图案关于中心对称，呈辐射状，与振膜振动时的应变分布一致。多个振膜使得在有限器件封装空间能，耦合入更多的三角形或梯形压电换能器，利用三角形或梯形换能器的应变分布均匀特点及空间形状特点，从振膜形状及空间利用效率等层面，有效提高器件功率密度。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统领域，涉及一种MEMS压电声学与振动能量采集器。
背景技术
MEMS即微机电系统，表示通过微电子和微机械加工技术制造出来的新型器件，具有尺寸小、工艺简单、易集成、便于批量化生产和成本低等优点。MEMS压电声学与振动能量采集器即为通过MEMS工艺制备得到的一类环境能量采集器，具有体积小和易于集成等优点，同时由于批量化进程可降低成本。MEMS能量采集器可分为电磁式MEMS声学与振动能量采集器、静电式MEMS声学与振动能量采集器和压电式MEMS声学与振动能量采集器。MEMS压电式声学与振动能量采集器在结构设计、加工工艺和整合技术上更简单，更易于实现轻薄化微型高性能声学与振动能量采集器。
相关技术将MEMS压电换能器与质量块和声学耦合膜相连接，一方面使得质量块可以在外界振动激励下振动并且产生电能，一方面声学耦合膜可以在外界声场激励下带动质量块振动，从而产生电能，有效将环境中的振动能量和声学能量转换为电能。
然而，相关技术中MEMS器件的第一谐振频率较高，导致低频性能不好，难以满足实际使用。其第一谐振频率受限于MEMS压电换能器的共振频率，主要由MEMS压电换能器的刚度决定。同时，由于MEMS压电环能器尺寸小，使得声学与振动能量采集器的效率提高困难，故需要优化MEMS压电声学与振动能量采集器的系统层面机电耦合系数。传统MEMS压电声学与振动能量采集器的设计中主要采用两种手段降低器件的第一谐振频率，其一，增加质量块的质量；其二，减薄压电换能器的厚度。增加质量并不改变系统机电耦合系数的大小，无益于能量采集器整体效率的提高；减薄压电声学与振动能量采集器的厚度，降低压电声学与振动能量采集器刚度的同时也会减弱压电换能器中的应变，对压电声学与振动能量采集器机电耦合系数的提高无正面贡献，传统方法难以在降低器件刚度的同时不降低器件的机电耦合系数。因此。要同时满足声学与振动能量采集器高效率和低第一谐振频率两个条件，传统的MEMS压电声学与振动能量采集器设计难以实现。
因此，有必要提供一种改进的MEMS压电声学与振动能量采集器来解决上述问题。
发明内容
针对相关技术中的声学与振动能量采集器装置低频性能亟待提高的技术问题，本发明提供了一种MEMS压电声学与振动能量采集器，与压电声学与振动能量采集器装置中其他部件封装在一起，同时采集环境中的振动能量和声学能量，并将其转化为电能。
基于带辐射状镂空振膜的MEMS压电声学与振动能量采集器，可用于采集环境中的振动和声学机械能，并将其转化为电能。该MEMS压电声学与振动能量采集器，包括：衬底；质量块，用于与外部声学耦合膜连接，并采集环境振动能量；背腔，位于中间区域；绝缘层；振膜，用于支撑压电薄膜并将其产生的机械能传递给质量块；顶电极层；压电薄膜层，包括多个分立原件关于中心对称，通过压电效应将机械能转化为电能；底电极层。
优选的，振膜由三部分构成：位于四周基底和质量块之上部分、位于压电薄膜层上方或下方部分、以及将中间质量块与压电薄膜连接起来的结构梁部分。其中位于压电薄膜上方或下方部分的振膜采用镂空结构，镂空图案关于中心对称，与压电薄膜图案的旋转对称性相同。
优选的，振膜的镂空图案悬置于背腔之上，距四周衬底和结构梁间都存在一定间隙，以保证振膜和与其相连的压电薄膜在器件工作时不会卷曲。
优选的，振膜的镂空图案由多个条纹组成，镂空条纹间的间隙从中心到四周逐渐增大，条纹宽度不变。
优选的，振膜位于压电薄膜层上方或下方部分由多个膜瓣组成，单个膜瓣外形左右对称呈梯形、变形梯形或扇形，其中两斜边相互独立自由，顶端与结构梁相连。
优选的，振膜的结构梁部分形状由多个L型、S型或C型曲线等组成，将振膜梯形膜瓣的顶端与中心质量块相连，对称性与压电薄膜相同。
优选的，衬底为正多边形或圆形，中央区域为背腔和质量块。
优选的，振膜、顶、底电极层和压电薄膜层共同构成有机振动膜层，为一个相连的整体，形成于背腔之上。
优选的，顶、底电极层和压电薄膜层呈三明治结构，压电薄膜为1~5层，其上下表面都被电极层覆盖。
优选的，三明治结构可位于振膜的上表面或/和下表面。
优选的，三明治结构分布于有机振动膜层的四周，单边形状为1~10个梯形、变形梯形或扇形，关于中心旋转对称，当衬底为正多边形时，其数量与衬底边数相等，单边膜瓣尺寸小于振膜与之对应的膜瓣。
优选的，有机振动膜层并不仅限于包括所述部件，还可包括绝缘层、钝化层、保护层等附加结构。
有益效果：
与相关技术相比，
1、本发明的MEMS压电声学与振动能量采集器采用辐射状镂空结构的振膜；镂空结构的引入可降低压电声学与振动能量采集器刚度，从而降低MEMS压电声学与振动能量采集器的第一谐振频率，多个振膜使得在有限器件封装空间能，耦合入更多的三角形或梯形压电换能器，利用三角形或梯形换能器的应变分布均匀特点及空间形状特点，从振膜形状及空间利用效率等层面，有效提高器件功率密度。
2、同时该结构能有效增加器件机电耦合系数，最终提高能量转换效率。本发明改善了MEMS压电声学与振动能量采集器的低频性能，并增加了器件全频域能量转换效率，压电声学与振动能量采集装置中其他部件封装在一起，可降低声学与振动能量采集的第一谐振频率，改善低频性能，且提高了系统复合环境能量采集的效率。
附图说明
图1是相关技术中MEMS压电声学与振动能量采集器装置的结构示意图；
图2是本发明提供的MEMS压电声学与振动能量采集器实施例一的背面立体结构示意图；
图3是本发明提供的MEMS压电声学与振动能量采集器实施例一的正面立体结构示意图；
图4是根据本发明实施例一所示的MEMS压电声学与振动能量采集器沿着A-A面剖开的剖面示意图；
图5是图3所示MEMS压电声学与振动能量采集器振膜的结构示意图；
附图标记列表：
1 -MEMS声学与振动能量采集器装置；2 -音膜；3 -耦合板；4 -PCB板；
5- 壳体；6-MEMS压电声学与振动能量采集器；7 -后腔；8-防尘网；
9-振膜；10-顶电极层；11-压电薄膜；12-底电极层；13-绝缘层；14-衬底；15-背腔；16-质量块；17-三明治结构；18 -有机振动膜层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
图1为相关技术的MEMS压电声学与振动能量采集器装置结构示意图，包括：壳体5，用于支撑所述装置其他部件；音膜2,其能够相对于PCB板4沿垂直方向振动；耦合板3，用于连接音膜2与质量块，可将环境中声学和振动机械能由音膜、质量块传递给MEMS压电换能器；MEMS压电声学与振动能量采集器6；PCB板4，用于激励MEMS压电声学与振动能量采集器6；防尘网8和后腔7。
其中MEMS压电声学与振动能量采集器6为核心部件，直接决定了声学与振动能量采集器的灵敏度和第一谐振频率，本发明基于该声学与振动能量采集器装置，将MEMS压电声学与振动能量采集器加以设计，使其采集环境中声学与振动能量并将其转化为电能的性能更佳。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的实施例一中，提供了一种MEMS压电声学与振动能量采集器。
图2-图5为本发明实施例一的结构示意图。其中，图2为本发明实施例一的整体背面立体结构示意图；图3为本发明实施例一的整体正面结构示意图；图4为根据本发明实施例一所示的MEMS压电声学与振动能量采集器沿着A-A面剖开的剖面示意图；图5为本发明实施例一所示的MEMS压电声学与振动能量采集器振膜的结构示意图。
参照图2-图4，MEMS压电声学与振动能量采集器6，包括：衬底14；质量块16，产生振幅，用于与外部音膜连接；背腔15，位于中间区域；绝缘层13；振膜9，用于支撑压电薄膜并将其采集的机械能传递给质量块；顶电极层10；压电薄膜层11，包括多个分立原件关于中心对称，通过压电效应将机械能转化为电能；底电极层12。
下面结合附图来对本发明的MEMS压电声学与振动能量采集器的各部分进行详细介绍。
参照图5，本实施例中，振膜9由三部分构成：位于四周基底和质量块之上部分、位于压电薄膜层11上方或下方部分、以及将中间质量块与压电薄膜连接起来的结构梁部分。其中位于压电薄膜上方或下方部分的振膜采用镂空结构，镂空图案关于中心对称，与压电薄膜图案的旋转对称性相同。振膜的镂空图案悬置于背腔之上，距四周衬底和结构梁间都存在一定间隙，以保证振膜和与其相连的压电薄膜在器件工作时不会卷曲。振膜的镂空图案由多个条纹组成，镂空条纹间的间隙从中心到四周逐渐增大，条纹宽度不变。条纹宽度将影响该器件的第一谐振频率和压电复合薄膜的可靠性，应根据实际情况进行选择。
参照图5，本实施例中，振膜9位于压电薄膜层11上方或下方部分由多个膜瓣组成，单个膜瓣外形关于左右对称，呈变形梯形，其中两斜边相互独立自由，顶端与结构梁相连，为圆弧曲线。振膜9的结构梁部分形状由变形S型曲线组成，将振膜梯形膜瓣的顶端与中心质量块相连，其旋转对称性与衬底相同。
需要说明的是，实施例中MEMS压电执行与压电薄膜相连接的结构梁部分，可为L型、S型及C型曲线等。振膜位于压电薄膜层上方或下方部分的单个膜瓣也可为扇形、梯形等左右对称结构。
参照图2-图4，本实施例中，MEMS压电声学与振动能量采集器6的衬底14外形为正多边形，中央区域为背腔15和质量块16。振膜9、顶、底电极层10、12和压电薄膜层11共同构成有机振动膜层18，为一个相连的整体，形成于背腔15之上。顶、底电极层10、12和压电薄膜层11呈三明治结构17，其上下表面都被电极层覆盖。
参照图4，本实施例中，MEMS压电声学与振动能量采集器6的三明治结构17位于振膜9的下表面。分布于有机振动膜层18的四周，单边形状为变形梯形，其旋转对称性与衬底相同，其数量与衬底边数相等，单边膜瓣尺寸小于振膜9与之对应的膜瓣。
需要说明的是，实施例中MEMS压电声学与振动能量采集器的有机振动膜层，且并不仅限于包括所述部件，还可包括绝缘层、钝化层、保护层等附加结构，可根据实际需求进行选择。同时，压电材料可为单层或多层结构；三明治结构17可位于振膜9的上表面或/和下表面；单个三明治结构17也可为梯形或扇形。振膜9可为单一或复合薄膜，其材料可为无机或有机材料，具体根据实际需求进行选择。
与相关技术相比，本发明的MEMS压电声学与振动能量采集器采用辐射状镂空结构的振膜。镂空结构的引入可降低压电声学与振动能量采集器刚度，从而降低MEMS压电声学与振动能量采集器的第一谐振频率，多个振膜使得在有限器件封装空间能，耦合入更多的三角形或梯形压电换能器，利用三角形或梯形换能器的应变分布均匀特点及空间形状特点，从振膜形状及空间利用效率等层面，有效提高器件功率密度。同时该结构能有效增加器件机电耦合系数，最终提高能量转换效率。本发明改善了MEMS压电声学与振动能量采集器的低频性能，并增加了器件全频域灵敏度，与压电声学与振动能量采集器装置中其他部件封装在一起，采集环接能量的效率更高。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (8)
1.基于带辐射状镂空振膜的MEMS压电声学与振动能量采集器，该MEMS压电声学与振动能量采集器（6），包括：衬底（14）；质量块（16），产生振幅，用于与外部声学耦合膜连接；背腔（15），位于中间区域；绝缘层（13）；振膜（9），用于支撑压电薄膜并将采集的机械能传递给质量块；顶电极层（10）；压电薄膜层（11），通过压电效应将机械能转化为电能；底电极层（12）；所述振膜（9）由三部分构成：位于四周基底和质量块之上部分、位于压电薄膜层（11）上方或下方部分、以及将中间质量块与压电薄膜层（11）连接起来的结构梁部分；其中位于压电薄膜上方或下方部分的振膜采用镂空结构，镂空图案关于中心对称，与压电薄膜图案的旋转对称性相同；所述振膜（9）的镂空图案悬置于背腔（15）之上，距四周衬底（14）和结构梁间都存在间隙，以保证振膜（9）和与其相连的压电薄膜层（11）在器件工作时不会卷曲；振动能量采集器（6），振膜（9）、顶、底电极层（10、12）和压电薄膜层（11）共同构成有机振动膜层（18），为一个相连的整体，形成于背腔（15）之上；所述有机振动膜层（18）还包括绝缘层、钝化层、保护层附加结构。
2.根据权利要求1所述的基于带辐射状镂空振膜的MEMS压电声学与振动能量采集器，其特征在于：所述振膜（9）的镂空图案由多个条纹组成，镂空条纹间的间隙从中心到四周逐渐增大，条纹宽度不变。
3.根据权利要求1所述的基于带辐射状镂空振膜的MEMS压电声学与振动能量采集器，其特征在于：所述振膜（9）位于压电薄膜层（11）上方或下方部分由多个膜瓣组成，单个膜瓣外形左右对称呈梯形、变形梯形或扇形，其中两斜边相互独立自由，顶端与结构梁相连。
4.根据权利要求1所述的基于带辐射状镂空振膜的MEMS压电声学与振动能量采集器，其特征在于：所述振膜（9）的结构梁部分形状由多个L型、S型或C型曲线组成，将振膜（9）梯形膜瓣的顶端与中心质量块相连，对称性与压电薄膜层（11）相同。
5.根据权利要求1所述的基于带辐射状镂空振膜的MEMS压电声学与振动能量采集器，其特征在于：所述衬底（14）为正多边形或圆形，中央区域为背腔（15）和质量块（16）。
6.根据权利要求1所述的基于带辐射状镂空振膜的MEMS压电声学与振动能量采集器，其特征在于：所述顶、底电极层（10、12）和压电薄膜层（11）呈三明治结构（17），压电薄膜层（11）为1~5层，其上下表面都被顶、底电极层覆盖。
7.根据权利要求6所述的基于带辐射状镂空振膜的MEMS压电声学与振动能量采集器，其特征在于：所述三明治结构（17）可位于振膜（9）的上表面或/和下表面。
8.根据权利要求6所述的基于带辐射状镂空振膜的MEMS压电声学与振动能量采集器，其特征在于：三明治结构（17）分布于有机振动膜层（18）的四周，单边形状为1~10个梯形、变形梯形或扇形，关于中心对称，当衬底（14）为正多边形时，其数量与衬底边数相等，单边膜瓣尺寸小于振膜（9）与之对应的膜瓣。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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