CN115706905A - 一种压电mems扬声器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种压电MEMS扬声器，包括：衬底，具有空腔；振动支撑层，形成在所述衬底上方并且覆盖所述空腔；第一电极层，形成在所述振动支撑层上方；压电层，形成在所述第一电极层上方；第二电极层，形成在所述压电层上方；其中，第一凹槽从所述第二电极层的上表面延伸至所述振动支撑层的上表面并露出所述振动支撑层，露出的所述振动支撑层具有第二凹槽，所述第二凹槽从所述振动支撑层的上表面延伸至所述振动支撑层的下表面。本申请所提供的压电MEMS扬声器结构分为两部分，分别为高音扬声器的边缘部分和低音扬声器的中心部分，以及连接二者的镂空的振动支撑层，从而提高了整个频率段的听觉效果。
Description
技术领域
本申请涉及微机械技术领域，具体来说，涉及一种压电MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)扬声器。
背景技术
压电MEMS扬声器是一种用压电材料作为声音转换元件的小型电声器件，原理是利用逆压电效应，通过给具有压电材料的振膜输入电压信号，使得振膜产生振动，从而带动振膜以及周围空气振动来辐射出声音。与以往的动圈式扬声器相比，压电MEMS扬声器具备体积小、功耗低、工艺简单、成本低等优点，可以广泛地应用于各种便携式电子设备。
目前多数压电MEMS扬声器的低频响应较差，并且输出的声压级频响曲线不平坦，影响了用户听觉体验。
发明内容
针对相关技术中的问题，本申请提出，能够获得平坦的声压级频响曲线。
本申请的技术方案是这样实现的：
根据本申请的一个方面，提供了一种压电MEMS扬声器，包括：
衬底，具有空腔；
振动支撑层，形成在所述衬底上方并且覆盖所述空腔；
第一电极层，形成在所述振动支撑层上方；
压电层，形成在所述第一电极层上方；
第二电极层，形成在所述压电层上方；
其中，第一凹槽从所述第二电极层的上表面延伸至所述振动支撑层的上表面并露出所述振动支撑层，露出的所述振动支撑层具有第二凹槽，所述第二凹槽从所述振动支撑层的上表面延伸至所述振动支撑层的下表面。
其中，从俯视角度看，所述第一凹槽呈环形，所述第一凹槽的投影区域在所述空腔的投影区域内。
其中，所述第二凹槽与所述空腔连通。
其中，所述第一凹槽将所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层分割成中心部分和边缘部分，露出的所述振动支撑层连接所述中心部分和所述边缘部分。
其中，所述压电MEMS扬声器还包括阻挡块，所述阻挡块形成在露出的所述振动支撑层的下方和/或上方，并且所述阻挡块形成在所述中心部分和所述边缘部分之间。
其中，所述阻挡块呈环形。
本申请所提供的压电MEMS扬声器结构分为两部分，分别为高音扬声器的边缘部分和低音扬声器的中心部分，以及连接二者的镂空的振动支撑层。高音扬声器部分的低频声压级响应较差，低音扬声器部分正好可以在一定程度上弥补这一缺点，使结构整体的低频声压级提高，并且具有范围更宽的较为平坦的声压级频响曲线，从而提高了整个频率段的听觉效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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示出了根据一些实施例提供的压电MEMS扬声器结构的立体图；
图2示出了根据一些实施例提供的压电MEMS扬声器结构的剖面立体图；
图3示出了根据一些实施例提供的压电MEMS扬声器结构的俯视图；
图4示出了特定材料以及尺寸参数下压电MEMS扬声器的边缘部分和中心部分对应的声压级频响曲线；
图5示出了特定材料以及尺寸参数下压电MEMS扬声器结构整体的声压级频响曲线。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
根据本申请的实施例，提供了一种压电MEMS扬声器，能够提高低频声压级，并且具有范围更宽的较为平坦的声压级频响曲线。该压电MEMS扬声器可以但不限用其他传感器或执行器，如麦克风，超声传感器。参见图1、图2和图3，该压电MEMS扬声器包括衬底10、振动支撑层21、第一电极层22、压电层23和第二电极层24。以下将详细说明细节。
衬底10具有空腔11。衬底10包括硅或任何合适的硅基化合物或衍生物(例如硅晶片、SOI、SiO2/Si上的多晶硅)。
振动支撑层21形成在衬底10上方并且覆盖空腔11。在一些实施例中，振动支撑层21包括氮化硅(Si3N4)、氧化硅、单晶硅、多晶硅构成的单层或者多层复合膜结构或其他合适的支撑材料。
第一电极层22形成在振动支撑层21上方。压电层23形成在第一电极层22上方。第二电极层24形成在压电层23上方。在一些实施例中，压电层23包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅(PZT)、钙钛矿型压电膜或其他合适的材料。第一电极层22和第二电极层24包括铝、金、铂、钼、钛、铬以及它们组成的复合膜或其他合适的材料。第一电极层22和第二电极层24可以将电压信号传送至压电层，压电层23可将电压转换为形变，从而带动周围空气振动来辐射出声压。
值得注意的是，第一凹槽26从第二电极层24的上表面延伸至振动支撑层21的上表面并露出振动支撑层21。在一些实施例中，从俯视角度看，第一凹槽26呈环形，第一凹槽26的投影区域在空腔11的投影区域内。在一些实施例中，第一凹槽26可以呈其他形状。第一凹槽26将第一电极层22、压电层23和第二电极层24分割成中心部分20b和边缘部分20a，露出的振动支撑层21连接中心部分20b和边缘部分20a。边缘部分20a用于产生高频声压级，中心部分20b用于提高低频声压级响应，本申请通过结合边缘部分20a和中心部分20b，从而加宽了声压级频响曲线的平坦范围。
露出的振动支撑层21具有第二凹槽27，第二凹槽27从振动支撑层21的上表面延伸至振动支撑层21的下表面。第二凹槽27与空腔11连通。本申请通过在振动支撑层21上设置第二凹槽27，以形成镂空的振动支撑层21。该镂空的振动支撑层21具有较低的弯曲和拉伸刚度，以防止边缘部分20a和中心部分20b的弯矩连续。
压电MEMS扬声器还包括阻挡块25，阻挡块25形成在露出的振动支撑层21的下方或上方，并且阻挡块25形成在中心部分20b和边缘部分20a之间。在一些实施例中，阻挡块25呈环形。在一些实施例中，阻挡块25可以呈方形或其他合适的形状。值得注意的是，图2所示的压电MEMS扬声器仅示出了阻挡块25形成在露出的振动支撑层21的下方。在一些实施例中，阻挡块25可以形成在露出的振动支撑层21的上方。或者，阻挡块25可以在露出的振动支撑层21的上方和下方。当阻挡块25在上方时，阻挡块25的材料可以是压电层23的材料。
阻挡块25的作用是将中心部分20b的边缘刚度与固定边界条件一致，从而保持中心部分20b的谐振频率与固定边界时一致。由于边缘部分20a和中心部分20b的谐振频率相差较大，本申请通过镂空的振动支撑层21物理连接边缘部分20a和中心部分20b，并且通过阻挡块25实现边缘部分20a和中心部分20b在振动过程中的阻断分离。在一些实施例中，镂空的振动支撑层21的第二凹槽27的缝隙宽度小于或等于5μm，以防止漏声。中心部分20b的第一电极层22、压电层23和第二电极层24悬置在空腔11上方，以产生更大的振幅和声压级。
图4和图5代表图1的压电MEMS扬声器的在特定材料以及尺寸参数下低频部分和高频部分对应的声压级频响曲线以及结构总的声压级频响曲线。其中，衬底10的空腔11半径为0.5cm，边缘部分20a的内边缘和外边缘的间距为0.1cm，边缘部分20a和中心部分20b的间距为20μm，第二凹槽27的缝隙宽度为5μm，振动支撑层21的厚度为7μm，压电层23的厚度为2μm，第一电极层22和第二电极层24的厚度为0.1μm。其中，中心部分20b的压电层23的半径为0.27cm，阻挡块25的高度和径向厚度都为100μm。振动支撑层21的材料为硅(Si)，压电层23的材料为压电陶瓷(PZT)，第一电极层22和第二电极层24的材料为铝(Al)。施加电压为2V，在距离中心部分20b的顶表面的中心5cm处测量声压级。
从图4的声压级频响曲线可以看到，边缘部分20a在高频对应的声压级对应的声压级较高，但是在低频段会有较大衰减。而中心部分20b在低频段对应的声压级较高。因此，可以使边缘部分20a和中心部分20b协同工作，中心部分20b的工作频率在0Hz-3900Hz，而边缘部分20a的工作频率在3900Hz-20000Hz。图5对应的是压电MEMS扬声器的整体的声压级频响曲线。可以看到低频区域的声压级整体提高了20dB以上，在1000Hz-20000Hz输出声压级达到了80dB以上，从而提高了整个频段的听觉效果。
这里只是给出了一种特定尺寸和材料参数下结构对应的声压级频响曲线。只是为了说明工作原理，并不代表最优结果。可以根据需要，调节结构的尺寸参数和材料参数来得到更高的声压级输出和频率范围更宽、声压级更平坦的频响曲线。
本申请所提供的压电MEMS扬声器结构分为两部分，分别为高音扬声器的边缘部分20a和低音扬声器的中心部分20b，以及连接二者的镂空的振动支撑层21。高音扬声器部分的低频声压级响应较差，低音扬声器部分正好可以在一定程度上弥补这一缺点，使结构整体的低频声压级提高，并且具有范围更宽的较为平坦的声压级频响曲线，从而提高了整个频率段的听觉效果。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，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 (6)
1.一种压电MEMS扬声器，其特征在于，包括：
衬底，具有空腔；
振动支撑层，形成在所述衬底上方并且覆盖所述空腔；
第一电极层，形成在所述振动支撑层上方；
压电层，形成在所述第一电极层上方；
第二电极层，形成在所述压电层上方；
其中，第一凹槽从所述第二电极层的上表面延伸至所述振动支撑层的上表面并露出所述振动支撑层，露出的所述振动支撑层具有第二凹槽，所述第二凹槽从所述振动支撑层的上表面延伸至所述振动支撑层的下表面。
2.根据权利要求1所述的压电MEMS扬声器，其特征在于，从俯视角度看，所述第一凹槽呈环形，所述第一凹槽的投影区域在所述空腔的投影区域内。
3.根据权利要求1所述的压电MEMS扬声器，其特征在于，所述第二凹槽与所述空腔连通。
4.根据权利要求1所述的压电MEMS扬声器，其特征在于，所述第一凹槽将所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层分割成中心部分和边缘部分，露出的所述振动支撑层连接所述中心部分和所述边缘部分。
5.根据权利要求4所述的压电MEMS扬声器，其特征在于，所述压电MEMS扬声器还包括阻挡块，所述阻挡块形成在露出的所述振动支撑层的下方和/或上方，并且所述阻挡块形成在所述中心部分和所述边缘部分之间。
6.根据权利要求5所述的压电MEMS扬声器，其特征在于，所述阻挡块呈环形。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202110895037.5A CN115706905A (zh) | 2021-08-03 | 2021-08-03 | 一种压电mems扬声器 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN115706905A true CN115706905A (zh) | 2023-02-17 |
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| CN202110895037.5A Pending CN115706905A (zh) | 2021-08-03 | 2021-08-03 | 一种压电mems扬声器 |
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2021
- 2021-08-03 CN CN202110895037.5A patent/CN115706905A/zh active Pending
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