CN114666717B - 压电mems麦克风芯片及压电mems麦克风 - Google Patents

压电mems麦克风芯片及压电mems麦克风 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种压电MEMS麦克风芯片及压电MEMS麦克风，涉及压电器件技术领域。压电MEMS麦克风芯片包括衬底框架，以及在衬底框架上设置的多个收声梁，收声梁包括连接梁和悬臂梁，连接梁和悬臂梁在圆周上交错设置，多个收声梁朝向几何中心的一端在衬底框架围合的中心位置相互固定连接，连接梁远离几何中心的一端与衬底框架固定连接。其不仅能够使悬臂梁的电信号通过连接梁引出，而且能够提高悬臂梁固定的稳定性，同时也增强了压电MEMS麦克风的输出灵敏度。

Description

压电MEMS麦克风芯片及压电MEMS麦克风
技术领域
本申请涉及压电器件技术领域，具体而言，涉及一种压电MEMS麦克风芯片及压电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MEMS麦克风大多采用悬臂梁结构，悬臂梁结构可以避免圆形振膜结构带来的残余应力的影响，提高压电麦克风器件的输出。
现有技术中，悬臂梁大多会采用外周固定方式，但是这种固定方法悬臂梁灵敏度不高。而悬臂梁中心固定的压电麦克风具有更高的输出电压，灵敏度也更好，但是中心固定的悬臂梁稳定性不好，很容易造成悬臂梁支撑衬底的损坏，也不利于器件后续的引线操作。
发明内容
本申请的目的在于提供一种压电MEMS麦克风芯片及压电MEMS麦克风，其不仅能够使悬臂梁的电信号通过连接梁引出，而且能够提高悬臂梁固定的稳定性，同时也增强了压电麦克风的输出灵敏度。
本申请的实施例是这样实现的：
本申请实施例的一方面，提供一种压电MEMS麦克风芯片，包括衬底框架，以及在衬底框架上设置的多个收声梁，收声梁包括连接梁和悬臂梁，连接梁和悬臂梁在圆周上交错设置，多个收声梁梁朝向几何中心的一端在衬底框架围合的中心位置相互固定连接，连接梁远离几何中心的一端与衬底框架固定连接。
可选地，作为一种可实施的方式，收声梁的两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度相同。
可选地，作为一种可实施的方式，连接梁靠近衬底框架的一侧和靠近几何中心的一侧分别设置有电极，且连接梁两侧的电极互不相连，悬臂梁朝向几何中心的一侧设置有电极。
可选地，作为一种可实施的方式，收声梁的两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度不同。
可选地，作为一种可实施的方式，每个悬臂梁的两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度相同，每个连接梁的两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度相同且小于悬臂梁两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度。
可选地，作为一种可实施的方式，多个悬臂梁两个侧边朝向几何中心形成的扇形角角的度不同，且多个悬臂梁的长度不同。
可选地，作为一种可实施的方式，相邻两个连接梁之间的间隔距离相等。
可选地，作为一种可实施的方式，相邻两连接梁之间设置多个悬臂梁。
可选地，作为一种可实施的方式，收声梁为压电单晶片结构或压电双晶片结构。
本申请实施例的另一方面，提供一种压电MEMS麦克风，包括基板，设置在基板上的ASIC芯片，以及如上任意一项的压电MEMS麦克风芯片，压电MEMS麦克风芯片设置在基板上且与ASIC芯片通过引线连接。
本申请实施例的有益效果包括：
本申请提供的压电MEMS麦克风芯片及压电MEMS麦克风，包括衬底框架，以及在衬底框架上设置的多个收声梁，收声梁包括连接梁和悬臂梁，连接梁和悬臂梁在圆周上交错设置，多个收声梁朝向几何中心的一端在衬底框架围合的中心位置相互固定连接，连接梁远离几何中心的一端与衬底框架固定连接。相比于外周固定的固定方式，本申请的悬臂梁灵敏度更高，相比于中间固定的衬底框架，本申请通过多个连接梁与衬底框架固定连接，能够提高悬臂梁固定的稳定性，也增强了压电麦克风的输出灵敏度。
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MEMS麦克风芯片的结构示意图之一；
图2为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风芯片的结构示意图之二；
图3为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风芯片的结构示意图之三；
图4为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风芯片制备方法的流程图之一；
图5为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风芯片制备方法的流程图之二；
图6为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风芯片制备方法的流程图之三；
图7为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风芯片制备方法的流程图之四；
图8为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风芯片制备方法的流程图之五；
图9为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风芯片制备方法的流程图之六；
图10为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风芯片制备方法的流程图之七；
图11为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风芯片制备方法的流程图之八；
图12为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风芯片制备方法的流程图之九；
图13为本申请实施例提供的压电MEMS麦克风的结构示意图。
图标：100-压电MEMS麦克风芯片；110-衬底框架；120-收声梁；121-连接梁；1211-第一固定端；1212-第二固定端；122-悬臂梁；1221-第三固定端；1222-自由端；123-电极；130-压电双晶片；131-种子层；132-底部电极；133-下层压电材料；134-中部电极；135-上层压电材料；136-顶部电极；200-压电MEMS麦克风；210-基板；220-ASIC芯片。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，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”、“相连”、“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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。
请参照图1-图3，本实施例提供一种压电MEMS麦克风芯片100，包括衬底框架110，以及在衬底框架110上设置的多个收声梁120，收声梁120包括连接梁121和悬臂梁122，连接梁121和悬臂梁122在圆周上交错设置，多个收声梁120朝向几何中心的一端在衬底框架110围合的中心位置相互固定连接，连接梁121远离几何中心的一端与衬底框架110固定连接。
具体的，压电MEMS麦克风芯片100制作时，将整片振膜固定在衬底框架110上，通过刻蚀形成多片收声梁120，两端连接固定的为连接梁121，一端固定的为悬臂梁122，连接梁121包括与衬底框架110连接的第一固定端1211以及远离第一固定端1211的第二固定端1212，悬臂梁122包括朝向几何中心的第三固定端1221和远离第三固定端1221的自由端1222，当声波信号通过空气等媒介传播至麦克风处，在接收声压区域处引起悬臂梁122自由端1222的振动，压电薄膜由于正压电效应，在其上下表面产生异号电荷，通过下电极和上电极引出电信号。多个连接梁121的第二固定端1212和多个悬臂梁122的第三固定端1221相互连接，通过连接梁121将整个振膜牵扯，保证了整个振膜的连接强度，将悬臂梁122上的电极引出至连接梁121上，通过连接梁121将连接电极引出并连接至外周固定的衬底框架110上，既保证了衬底框架110的支撑强度，以便于打线操作，同时这种压电悬臂梁122的结构形式，自由端1222的面积大，在接收声压区域面积不变的情况下，相较于外周固定的压电悬臂梁122，同等声压使压电悬臂梁122的挠曲程度更大，产生的电信号更大。
本申请提供的压电MEMS麦克风芯片100，包括衬底框架110，以及在衬底框架110上设置的多个收声梁120，收声梁120包括连接梁121和悬臂梁122，连接梁121和悬臂梁122在圆周上交错设置，多个收声梁120朝向几何中心的一端在衬底框架110围合的中心位置相互固定连接，连接梁121远离几何中心的一端与衬底框架110固定连接。相比于外周固定的固定方式，本申请的悬臂梁122灵敏度更高，相比于中间固定的衬底框架110，本申请通过多个连接梁121与衬底框架110固定连接，能够提高悬臂梁122固定的稳定性，也增强了压电麦克风的输出灵敏度。
在本申请的一种可行实施例中，如图2和图3所示，收声梁120的两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度相同。
具体的，多个收声梁120的两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度大小相同，相当于多个连接梁121第二固定端1212两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度与多个悬臂梁122第三固定端1221两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度相同，悬臂梁122和连接梁121均能作为收声单元进行工作，连接梁121既起连接整片振膜的作用，也起吸收震动的作用。
振膜的一阶震动模态是由中心固定方式的悬臂梁122所主导的，而振膜的二震动阶模态则是由多个收声梁120共同主导的，当振膜处于二阶震动模态时，连接梁121和悬臂梁122共同震动，相当于增长了悬臂梁122的长度，提高压电MEMS麦克风收声灵敏度。
示例的，当收声梁120数量设置为八个时，八个收声梁120的瓣膜两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度大小相同，其中连接梁121设置为四个，悬臂梁122设置为四个，连接梁121和悬臂梁122间隔交错设置，四个连接梁121牵扯连接整片振膜，四个悬臂梁122自由端1222面积大，在接收声压区域面积不变的情况下，相较于外周固定的压电悬臂梁122，同等声压使压电悬臂梁122的挠曲程度更大，产生的电信号更大，压电麦克风的灵敏度更高。
当衬底框架110为多边形时，多个收声梁120均为大小相同的三角形，当衬底框架110为圆形时，多个收声梁120均为大小相同的扇形，以保证压电麦克风的支撑强度和灵敏度。
在本申请的一种可行实施例中，如图1所示，连接梁121靠近衬底框架110的一侧和靠近几何中心的一侧分别设置有电极123，且连接梁121两侧的电极123互不相连，悬臂梁122朝向几何中心的一侧设置有电极123。
具体的，连接梁靠近衬底框架110的一侧和靠近几何中心的一侧为应力集中区域，悬臂梁122朝向几何中心的一侧为应力集中区域，根据压电理论可知应力越大，产生的电荷越多，因此将电极123设置在应力较大的区域可以拾取到更多的电荷信号，从而提高了压电MEMS麦克风的收声灵敏度。进一步的，可以在连接梁121靠近衬底框架110的一侧设置两组电极123，在悬臂梁122朝向几何中心的一侧设置两组电极123，进一步提高了压电MEMS麦克风的收声灵敏度。
在本申请的一种可行实施例中，如图2和图3所示，收声梁120两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度不同。
进一步的，每个悬臂梁的两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度相同，每个连接梁的两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度相同且小于悬臂梁两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度。
具体的，通过连接梁121将整片振膜牵扯固定，悬臂梁122的面积大于连接梁121的面积，在保证整片振膜连接稳定的基础下，增大了悬臂梁122自由端1222的面积，从而增强了压电MEMS麦克风的灵敏度。
在本申请的一种可行实施例中，如图2和图3所示，多个悬臂梁122的两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度不同，且多个悬臂梁122的长度不同。
具体的，将悬臂梁122第三固定端1221两个侧边朝向几何中心形成的扇形角设置为不同大小，以便于悬臂梁122接收不同频段声音，提高压电MEMS麦克风接收声音的灵敏度，当悬臂梁122的两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度越大时，压电MEMS麦克风的灵敏度越高。
示例的，可以阵列设置多个10°夹角的悬臂梁122，阵列设置多个20°夹角的悬臂梁122，阵列设置多个30°夹角的悬臂梁122，以使悬臂梁122可灵敏的接收不同频率段的声音，从而增强压电MEMS麦克风的灵敏度。可以理解的，可以阵列设置不同长度的悬臂梁122，以使悬臂梁122可灵敏的接收不同频率段的声音，从而增强压电MEMS麦克风的灵敏度。
在本申请的一种可行实施例中，如图2和图3所示，相邻两个连接梁121之间的间隔距离相等。
具体的，通过连接梁121将整片振膜固定在衬底框架110上，将多个连接梁121阵列设置，以增强整片振膜与衬底框架110的连接作用，此时，悬臂梁122阵列设置在相邻两连接梁121之间，既保证了压电MEMS麦克风悬臂梁122的灵敏度，也保证衬底框架110能够通过阵列设置的多个连接梁121支撑整片振膜。
进一步的，当多个连接梁121的两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度为0°时，多个悬臂梁122自由端1222的面积最大且灵敏度最高，此时，连接梁121起到的主要作用为牵扯并固定整片振膜，以使振膜与衬底框架110固定连接。
进一步的，可以将连接梁121的数量设置为偶数个，连接梁121两两相对设置。进一步增强了连接梁121与衬底框架110的连接稳定性，相对设置的两根连接梁121相当于一体设置的一根固定梁，一根固定梁的两端分别与衬底框架110的两端固定连接，以使多个固定梁中间交错连接，进一步增强了振膜整体与衬底框架110的连接强度，保证衬底框架110能够增强整片振膜。
在本申请的一种可行实施例中，如图2和图3所示，相邻两连接梁121之间设置多个悬臂梁122。
具体的，在相邻两连接梁121之间设置多个悬臂梁122，在麦克风器件收声过程中，通过连接梁121固定整片振膜，在保证整片振膜与衬底框架110的连接强度的基础下，在相邻两连接梁121之间设置多个悬臂梁122，进一步增加悬臂梁122的面积，进而增加收声面积，提高压电MEMS麦克风芯片100的灵敏度。
在本申请的一种可行实施例中，如图2和图3所示，收声梁120为压电单晶片结构或压电双晶片结构。
具体的，当收声梁120为压电单晶片结构，从上至下依次是上电极、压电薄膜、下电极。
具体的，当收声梁120为压电双晶片130，从上至下依次是上电极、上压电薄膜、中间电极、下压电薄膜、下电极。如图4-图12所示，首先在高阻硅衬底框架110上沉积50nm的压电材料作为种子层131，然后再沉积底部电极132，旋涂光刻胶，曝光显影，使底部电极图案化；沉积下层压电材料133，再沉积中部电极134，旋涂光刻胶，曝光显影，使中部电极134图案化；沉积上层压电材料135，再沉积顶部电极136，旋涂光刻胶，曝光显影，使顶部电极图案化；沉积氧化层作为保护层，旋涂光刻胶，曝光显影，使顶部电极136外露；旋涂光刻胶，曝光显影，使中部电极134外露；旋涂光刻胶，曝光显影，使底部电极132外露，并刻蚀出梁结构；旋涂光刻胶，曝光显影；沉积引电极；背腔刻蚀。
请参照图13，本申请实施例还公开了一种压电MEMS麦克风200，包括基板210，设置在基板210上的ASIC芯片220，以及前述实施例中的压电MEMS麦克风芯片100，压电MEMS麦克风芯片100设置在基板210上且与ASIC芯片220通过引线连接。该麦克风包含与前述实施例中的压电MEMS麦克风芯片100相同的结构和有益效果。压电MEMS麦克风芯片100的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，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。

Claims (9)

1.一种压电MEMS麦克风芯片，其特征在于，包括衬底框架，以及在所述衬底框架上设置的多个收声梁，多个所述收声梁由整片振膜刻蚀形成，所述收声梁包括连接梁和悬臂梁，所述连接梁和所述悬臂梁在圆周上交错设置，多个所述收声梁朝向几何中心的一端在所述衬底框架围合的中心位置相互固定连接，所述连接梁远离几何中心的一端与所述衬底框架固定连接，所述连接梁靠近所述衬底框架边缘的一侧和靠近几何中心的一侧分别设置有电极，且所述连接梁两侧的电极互不相连，所述悬臂梁朝向几何中心的一侧设置有电极。
2.根据权利要求1所述的压电MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述收声梁的两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度相同。
3.根据权利要求1所述的压电MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述收声梁的两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度不同。
4.根据权利要求3所述的压电MEMS麦克风芯片，其特征在于，每个所述悬臂梁的两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度相同，每个所述连接梁的两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度相同且小于所述悬臂梁两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度。
5.根据权利要求3所述的压电MEMS麦克风芯片，其特征在于，多个所述悬臂梁两个侧边朝向几何中心形成的扇形角的角度不同，且多个所述悬臂梁的长度不同。
6.根据权利要求1所述的压电MEMS麦克风芯片，其特征在于，相邻两个所述连接梁之间的间隔距离相等。
7.根据权利要求1所述的压电MEMS麦克风芯片，其特征在于，相邻两所述连接梁之间设置多个悬臂梁。
8.根据权利要求1所述的压电MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述收声梁为压电单晶片结构或压电双晶片结构。
9.一种压电MEMS麦克风，其特征在于，包括基板，设置在所述基板上的ASIC芯片，以及权利要求1-8任意一项所述的压电MEMS麦克风芯片，所述压电MEMS麦克风芯片设置在所述基板上且与所述ASIC芯片通过引线连接。
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