CN114222231A - 基于固支梁结构的双晶压电式mems麦克风 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于固支梁结构的双晶压电式MEMS麦克风，包括具有空腔的基底；正对空腔设置的压电振膜，压电振膜采用多根固支梁结合的结构，即梁的两端均固定在衬底上，梁的中心均处于同一位置；正对压电振膜设置的接收膜，接收膜与压电振膜之间采用介质层连接；固支梁型压电振膜将电极划分为四个区域，采用有序的电连接方式，将各固支梁串联起来；电极分为顶部电极、中部电极和底部电极，顶部电极和底部电极均只有一层，中部电极由两层电极组成。本发明采用了接收膜的结构以解决固支梁结构之间的大间隙所带来的低频响应问题，并且采用特殊的中部电极设计，极大地提高了双晶压电式MEMS麦克风的输出灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS压电器件领域，具体涉及一种基于固支梁结构的双晶压电式MEMS麦克风。
背景技术
麦克风是一种能量转换器件，可以将声音信号通过不同的方式转换为电信号。压电式MEMS麦克风是利用压电效应将声信号转换为电信号的能量转换器件。近年来，由于压电式MEMS麦克风具有体积小、性能稳定、信噪比高、灵敏度好和响应速度快等优点，智能穿戴设备和智能手机上已经广泛采用了这种麦克风。普通的压电式MEMS麦克风大多采用悬臂梁结构，而悬臂梁结构在振动弯曲时，靠近自由端的部分几乎毫无应力应变存在，因此靠近自由端的部分几乎不能通过压电效应产生感应电荷。
近年来，随着MEMS技术的飞速发展，基于压电双晶片的MEMS麦克风逐渐展示出自身的优势，而基于固支梁结构的双晶压电式MEMS麦克风在经过电极优化处理后能够表现出更高的输出。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于固支梁结构的双晶压电式MEMS麦克风，通过MEMS技术使压电麦克风小型化、集成化，并通过特殊的结构与电连接设计使得压电麦克风具有较高的输出。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于固支梁结构的压电式MEMS麦克风，其特征在于：包括：
具有空腔的基底；
正对所述空腔设置的固支梁型压电振膜，所述固支梁型压电振膜采用多根固支梁结合的结构，即固支梁的两端均固定在硅-绝缘层构成的衬底上，所有固支梁的中心均处于同一位置也即每根固支梁的中部是共用的；所述固支梁型压电振膜包括依次堆叠设置的第一电极层、压电层、第二电极层、中性层、第二电极层、压电层和第四电极层；
正对固支梁型压电振膜设置的接收膜，所述接收膜与压电振膜之间采用介质层连接；
所述固支梁型压电振膜将每根固支梁上的全部电极划分为四个区域：所述每个区域的电极均划分成了顶电极、中部电极和底部电极，整体构成压电双晶片的结构；所述每个区域内的电极连接，采用先将各区域内的压电材料并联起来，再与相邻区域的压电材料串联起来；所述每个区域内均采用有序的电连接，将各固支梁串联起来的方式。
作为优选方案，所述固支梁型压电振膜采用的多根固支梁结合结构，即固支梁的两端均为固定端，固定在所述衬底上；所述固支梁的两端为固定端，在振动过程中始终保持位移为0，固支梁的中部是自由端，在振动过程中始终具有位移量，即固支梁中部自由；且多根固支梁的中部重叠共用，作为所述接收膜的支撑部。
进一步地，所述接收膜设置在压电振膜的正上方；所述接收膜呈圆形、方形或正多边形中的任一种；所述接收膜与介质层相连接，所述介质层设置在固支粱中部重叠共用的区域正上方，与各固支梁相连接。
更近一步地，所述每根固支梁上的电极都被划分成的四个区域，分别是区域一、区域二、区域三和区域四；所述区域一和区域二设置在固支梁固定端处；所述区域三和区域四均设置在靠近固支梁中部介质层处；所述四个区域的电极均不相连且相隔半根固支梁的三分之一距离。
更近一步地，所述顶部电极和底部电极均设置一层；所述中部电极由两层电极构成，所述两层电极分别位于固支梁中性层的上侧、下侧，且与中性层保持相同的距离；所述中部电极作为整体进行电连接。
更近一步地，所述介质层为ZrO2、SiO2、Si3N4或云母介质层中任一种。
更近一步地，所述固支梁型压电振膜采用多根固支梁结合的结构，具体为：所述固支梁的两端固定在介质层上，多根固支梁的中部区域重叠公用，构成类似伞骨形状的结构。
更近一步地，所述接收膜固定在各固支梁的中部，所述接收膜与周围水平结构即各固支梁的支撑部分间存在1～5微米的间隙。
与现有技术相比，本发明的优点及有益效果如下：
本发明的基于固支梁结构的双晶压电式MEMS麦克风，通过采用固支梁的设计结构，有效避免了悬臂梁结构在自由端几乎没有应力应变存在的现象，大大提高了压电式MEMS麦克风的输出。此外，本发明采用了压电双晶片的设计，且将中部电极设置为两层，避开中性层无应力的区域，能够有效提升输出能量。本发明通过特殊的电学连接方式，能够将各固支梁上的所有压电材料串联起来，大幅提高输出电压。
附图说明
图1为本发明实施例1中基于固支梁结构的双晶压电式MEMS麦克风的结构截面图；
图2为图1所示的所述压电式MEMS麦克风在B处的结构放大示意图；
图3为本发明实施例中基于固支梁结构的双晶压电式MEMS麦克风的俯视图；
图4为图1所示的所述压电式MEMS麦克风在A-A处的剖面图；
图5为本发明实施例中基于固支梁结构的双晶压电式MEMS麦克风的电连接示意图；
图6为本发明实施例2中所述压电式MEMS麦克风在A-A处的剖面图；
图7为本发明的两个实施例与常规模型的灵敏度对比图。
图中：双晶压电式MEMS麦克风100；基底1；空腔结构2；绝缘层4；固支梁压电振膜3；接收膜5；介质层6；
区域一31：区域一的顶部电极311；区域一的底部电极316；区域一的中部电极313；区域一的中上电极3131；区域一的中下电极3132；第一压电层312；中性压电层314；第二压电层315；
区域二34：区域二的顶部电极341；区域二的底部电极342；区域二的中上电极3431；区域二的中下电极3432；
区域三32：区域三的顶部电极321；区域三的底部电极326；区域三的中部电极323；区域三的中上电极3231；区域三的中下电极3232；
区域四33：区域四的顶部电极331；区域四的底部电极336；区域四的中上电极3331；区域四的中下电极3332。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对附图对本发明的技术方案作进一步地详细阐述。
实施例1
图1是本发明实施例1提供的一种基于固支梁结构的双晶压电式MEMS麦克风的结构截面图。
如图1所示，该双晶压电式MEMS麦克风100包括：基底1；空腔结构2；绝缘层4；设置在绝缘层4上的固支梁压电振膜3；介质层6；设置在介质层上方的接收膜5。
在基底1和固支梁压电振膜3之间采用二氧化硅作为绝缘层和沉积下电极时的缓冲层。
在固支梁压电振膜3和接收膜5之间同样采用二氧化硅作为绝缘层。
各固支梁上的电极划分成了四个区域，每个区域的电极均划分成了顶部电极、中部电极和底部电极，顶部电极和底部电极均设置为一层，中部电极由两层电极构成。
具体优选的设计，图2为图1所示的基于固支梁结构的双晶压电式MEMS麦克风在B处的放大结构示意图。如图2所示，各区域的电极划分为区域一的顶部电极311、区域一的中部电极313和区域一的底部电极316，其中区域一的中部电极313分为区域一的中上电极3131和区域一的中下电极3132。
显然，区域一的顶部电极311与区域一的中上电极3131之间为第一压电层312，区域一的底部电极316和区域一的中下电极3132之间为第二压电层315，区域一的中上电极3131和区域一的中下电极3132之间为中性压电层314。中性压电层314在振动过程中几乎没有应力应变产生，两层中间电极的设计能够避开这一部分压电材料，极大地提高输出。
图3为基于固支梁结构的双晶压电式MEMS麦克风的俯视图，接收膜5与固定支撑部之间具有极小的间隙。
具体优选的设计，接收膜5形状采用圆形、方形以及正多边形中的一种。
图4为图1所示的压电式MEMS麦克风在A-A处的剖面图。
如图4所示，各根固支梁的电极被划分成了四个区域，区域一31和区域二34位于固定端处，区域三32和区域四33位于固支梁中心介质层6旁。
显然，本发明所涉及的振膜结构是由各根固支梁组合而成的，各固支梁的中心部分重叠共用，其上沉积介质层6，作为接收膜5的支撑部。
具体优选的设计，固支梁结构采用矩形，且各固支梁应当大小、形状和厚度相同。
图5为本发明实施例中基于固支梁结构的双晶压电式MEMS麦克风的电连接示意图。
如图5所示，区域一的中部电极313接地，区域一的顶部电极311和区域一的底部电极316分别与区域三的顶部电极321和区域三的底部电极326进行电连接，区域三的中上电极3231和区域三的中下电极3232分别与区域四的顶部电极331和区域四的底部电极336进行电连接，区域四的中上电极3331和区域四的中下电极3332分别与区域二的中上电极3431和区域二的中下电极3432进行电连接，区域二的顶部电极341和区域二的底部电极342则分别与相邻固支梁的区域一的中上电极和中下电极相连。
实施例2
图6是本发明实施例2提供的一种基于固支梁结构的双晶压电式MEMS麦克风在A-A处的剖面图。
如图6所示，各根固支梁的电极被划分成了四个区域，区域一31和区域二34位于固定端处，区域三32和区域四33位于固支梁中心介质层6旁。
显然，本发明所涉及的振膜结构是由各根固支梁组合而成的，各固支梁的中心部分重叠共用，其上沉积介质层6，作为接收膜5的支撑部。
具体优选的设计，固支梁上电极采用梯形结构，且梯形的短边作为梁的固定端。各固支梁应当大小、形状和厚度相同。
图7为本发明的两个实施例与常规模型的灵敏度对比图。图7中的曲线Ⅰ是本发明实施例1的灵敏度曲线；曲线Ⅱ是本发明实施例2的灵敏度曲线；曲线Ⅲ是常规压电式MEMS麦克风结构的灵敏度曲线。需要了解的是，三种结构的压电振膜面积均相同。从本发明两个实施例与常规结构的灵敏度曲线对比图上可以看出，采用本发明所述结构的两个实施例在1kHz下的输出灵敏度上均要高于采用常规结构的压电式MEMS麦克风，且灵敏度的提升幅度非常大。实施例2相较于实施例1在1kHz下的灵敏度更高，且谐振频率也更高，线性区域也更大。
需要了解的是，图7只是对基于固支梁结构的双晶压电式MEMS麦克风高灵敏度性能的说明，并没有对本发明进行限定，本发明所提到的高灵敏度、谐振频率以及线性区域均是可以通过本发明所提到的方式进行调整，不局限于图7所示的灵敏度曲线。
现有的压电式MEMS麦克风的压电振膜大多采用悬臂梁或振膜形式，悬臂梁型的压电式MEMS麦克风在自由端处几乎没有应力应变产生，也就无法通过压电效应产生感应电荷，浪费了较大的振膜面积；而圆形振膜结构的压电式MEMS麦克风则会在制备过程中产生残余应力，影响器件最终的输出。本发明所设计的带有接收膜的基于固支梁结构的双晶压电式MEMS麦克风最大化利用了振膜面积，而且还避免了由于间隙较大而产生的低频响应问题，极大地提高了压电式MEMS麦克风的输出电压，提高了压电式MEMS麦克风的输出灵敏度，使得压电式MEMS麦克风可以在更小的振膜面积下具有更大的输出，完全符合实际应用对于压电式MEMS麦克风小型化的需求。
以上仅是本发明的具体实施方式举例，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)
1.一种基于固支梁结构的压电式MEMS麦克风，其特征在于：包括：
具有空腔的基底；
正对所述空腔设置的固支梁型压电振膜，所述固支梁型压电振膜采用多根固支梁结合的结构，即固支梁的两端均固定在硅-绝缘层构成的衬底上，所有固支梁的中心均处于同一位置也即每根固支梁的中部是共用的；所述固支梁型压电振膜包括依次堆叠设置的第一电极层、压电层、第二电极层、中性层、第二电极层、压电层和第四电极层；
正对固支梁型压电振膜设置的接收膜，所述接收膜与压电振膜之间采用介质层连接；
所述固支梁型压电振膜将每根固支梁上的全部电极划分为四个区域：所述每个区域的电极均划分成了顶电极、中部电极和底部电极，整体构成压电双晶片的结构；所述每个区域内的电极连接，采用先将各区域内的压电材料并联起来，再与相邻区域的压电材料串联起来；所述每个区域内均采用有序的电连接，将各固支梁串联起来的方式。
2.根据权利要求1所述的基于固支梁结构的压电式MEMS麦克风，其特征在于：
所述固支梁型压电振膜采用的多根固支梁结合结构，即固支梁的两端均为固定端，固定在所述衬底上；所述固支梁的两端为固定端，在振动过程中始终保持位移为0，固支梁的中部是自由端，在振动过程中始终具有位移量，即固支梁中部自由；且多根固支梁的中部重叠共用，作为所述接收膜的支撑部。
3.根据权利要求2所述的基于固支梁结构的压电式MEMS麦克风，其特征在于：
所述接收膜设置在压电振膜的正上方；所述接收膜呈圆形、方形或正多边形中的任一种；所述接收膜与介质层相连接，所述介质层设置在固支粱中部重叠共用的区域正上方，与各固支梁相连接。
4.根据权利要求1至3中任一所述的基于固支梁结构的压电式MEMS麦克风，其特征在于：
所述每根固支梁上的电极都被划分成的四个区域，分别是区域一、区域二、区域三和区域四；所述区域一和区域二设置在固支梁固定端处；所述区域三和区域四均设置在靠近固支梁中部介质层处；所述四个区域的电极均不相连且相隔半根固支梁的三分之一距离。
5.根据权利要求4所述的基于固支梁结构的压电式MEMS麦克风，其特征在于：所述顶部电极和底部电极均设置一层；所述中部电极由两层电极构成，所述两层电极分别位于固支梁中性层的上侧、下侧，且与中性层保持相同的距离；所述中部电极作为整体进行电连接。
6.根据权利要求5所述的基于固支梁结构的压电式MEMS麦克风，其特征在于：
所述介质层为ZrO2、SiO2、Si3N4或云母介质层中任一种。
7.根据权利要求5或6所述的基于固支梁结构的压电式MEMS麦克风，其特征在于：
所述固支梁型压电振膜采用多根固支梁结合的结构，具体为：所述固支梁的两端固定在介质层上，多根固支梁的中部区域重叠公用，构成类似伞骨形状的结构。
8.根据权利要求7所述的基于固支梁结构的压电式MEMS麦克风，其特征在于：
所述接收膜固定在各固支梁的中部，所述接收膜与周围水平结构即各固支梁的支撑部分间存在1～5微米的间隙。
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