CN115914959A - 声学压电薄膜器件结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种声学压电薄膜器件结构，包括：支撑体；压电膜层结构，压电膜层结构覆盖支撑体所包围的区域，其周缘固定连接于支撑体上，压电膜层结构包括压电层及覆盖于压电层上下表面的电极层，压电膜层结构包括内部区域和环绕于内部区域的外部区域，内部区域与外部区域之间具有电极分割区，电极分割区将电极层分割成中心电极层与外围电极层。本发明设计的声学压电膜层结构能够降低压电膜层结构的翘曲度以及控制翘曲引起的狭缝区透声通道宽度的增加，并且本发明的电极层全面覆盖压电膜层表面且可以通过纵向多压电层和横向多电极层之间新颖的分割和串联或者并联的电学连接方式，实现压电膜层全区域的机电转换，提高压电薄膜器件的机电转化效率。

Description

声学压电薄膜器件结构

技术领域

本发属于声学传感领域，特别是涉及一种声学压电薄膜器件结构。

背景技术

近年来，在智能手机等设备中，运用MEMS(微机电系统)技术生产制造的MEMS声学器件得到越来越广泛的使用。同时，不仅是智能手机，穿戴式产品，运动相机或数码相机等带有通过声音识别周围情况的功能或发声功能的电子设备对于MEMS声学器件的进一步小型化以及信噪比特性提出了更高的要求。MEMS声学器件以其灵敏度高、功耗低、频率响应平坦等诸多优点而备受人们的关注，并成为当今微型声学器件市场的主流。

目前市面上的MEMS压电换能器分根据应用需求，工作频段和工作模态均有不同，如人 耳可听频段(20Hz-20KHz)以及超声频段(>20KHz),换能器也分发射器(Tx)和接收器(Rx), 根据应用需求，换能器也可以工作在谐振状态或者非谐振状态。但是压电单元主要结构和基 本工作原理类似，一般MEMS压电换能器都包括基底、支撑件和压电膜片结构。其中，膜片 结构大多由相对独立的扇形，三角形或者其它对称性结构的膜片组成，并且膜片的一端固定 在支撑件，另一端或者中心区域由相对的自由度，可以是悬臂梁或膜片结构。

一方面，传统的悬臂梁结构设计在工艺制造后具有残余应力时，结构自由端初始翘曲很 大，以低频(20Hz-20KHz)接收器(Rx)应用为例，而初始翘曲对换能器的透声狭缝结构尺 寸改变很大，更进一步在工作状态下，结构随入射声波影响发生振动，也会随振动幅度改变 透狭缝声结构的尺寸，从而影响接收器较低频段的频响(如在工作频率<5KHz的情况)。同 时该悬臂梁结构在应对大声压级冲击时或者大电压发声时，可靠性也存在一定的问题。

另一方面，无论作为发射器(Tx)又或者接收器(Rx)(如压电超声换能器--pMUT),有效 压电面积并没有完全覆盖整个机械结构区域(一般只占有效面积50％左右)。导致在接收状 态时大量机械能没能有效的转化为电能，反之在发射模式也如此。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种声学压电薄膜器件结构，用 于解决现有技术中传统的悬臂梁结构可靠性低以及有效压电面积较低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种声学压电薄膜器件结构，所述声学压 电薄膜器件结构包括：支撑体；压电膜层结构，所述压电膜层结构覆盖所述支撑体所包围的 区域，所述压电膜层结构的周缘固定连接于所述支撑体上，所述压电膜层结构包括压电层及 覆盖于所述压电层上下全部表面的电极层，压电膜层结构包括内部区域和环绕于内部区域的 外部区域，内部区域与外部区域之间具有电极分割区，所述电极分割区将所述电极层分割成 中心电极层与外围电极层。

可选地，所述压电膜层结构具有多个狭缝区，所述狭缝区在纵向上贯穿所述压电膜层结 构，以将所述压电膜层结构划分成多个压电单元区，所述狭缝区在横向上自所述压电膜层结 构的周缘朝所述压电膜层结构的中心点方向延伸并与所述中心点具有间距，以在所述压电膜 层结构的中心保留机械连接各所述压电单元区的中心连接部，压电层由狭缝区所导致的物理 分割区域可以和电极分割导致的压电有效电学单元物理区域一致，也可以不一致，由具体需 求而定。

可选地，所述中心连接部的面积占所述压电膜层结构总面积的比例为5％～95％之间。

可选地，所述压电膜层结构在纵向上包括第一压电层和第二压电层，所述第一压电层的 上表面全覆盖有第一电极，所述第二压电层的下表面全覆盖有第二电极，所述第一压电层与 所述第二压电层之间全覆盖有第三电极，所述压电膜层结构在横向上包括内部区域和环绕于 所述内部区域的外部区域，所述内部区域与所述外部区域之间具有电极分割区，所述电极分 割区将所述第一电极分割成第一中心电极与第一外围电极，并将所述第二电极分割成第二中 心电极与第二外围电极，并将所述第三电极分割为第三中心电极与第三外围电极。

可选地，所述压电膜层结构具有多个狭缝区，所述狭缝区在纵向上贯穿所述第一电极、 第一压电层、第三电极、第二压电层及第二电极，该狭缝区将所述压电膜层结构物理划分成 多个压电单元区，压电层的电学划分由电极结构决定，电极划分可以和狭缝区的划分相同或 不同，所述狭缝区在横向上自所述压电膜层结构的周缘朝所述压电膜层结构的中心点方向延 伸并与所述中心点具有间距，以在所述压电膜层结构的中心保留机械连接各所述压电单元区 的中心连接部，所述中心连接部的面积占所述压电膜层结构总面积的比例为5％～95％之间。

可选地，多个所述压电单元工作在相同的振动相位和振动频率。

可选地，所述中心连接部的表面具有电极或绝缘。

可选地，所述狭缝区划分的多个所述压电单元的形状对称和面积相同。

可选地，所述狭缝区的宽度小于或等于10微米。

可选地，同一所述压电单元区内的所述第一中心电极、第一压电层和第三中心电极组成 第一中心电容，所述第三中心电极、第二压电层和第二中心电极组成第二中心电容，所述第 一外围电极、第一压电层和第三外围电极组成第一外围电容，所述第三外围电极、第二压电 层和第二外围电极组成第二外围电容，所述第一中心电容、第二中心电容、第一外围电容及 第二外围电容为相互绝缘、并联、串联或串并混联。

可选地，多个所述压电单元区的所述第一中心电容、第二中心电容、第一外围电容及第 二外围电容为相互绝缘、并联、串联或串并混联。

可选地，通过压电层和电极之间的互联，只通过双端口供电(如，高压源-V_dd和地线-GND， 又或者正负供电(V+和V-)等电学端口组合)，在换能器结构发射信号时通过在外部区域和内 部区域施加反向电信号(如V_dd和GND,又或者正负供电V+和V-)，而使所述压电膜层结构 的机械振幅增大，在换能器结构接收信号时通过将外部区域和内部区域的电信号双路叠加， 使接收端信号最大化。

可选地，所述支撑体为多边形环，所述压电膜层结构呈多边形面状覆盖于所述支撑体所 包围的区域，所述多边形环包括正三边形环、正四边形环、正五边形环、正六边形环及正八 边形环中的一种，所述支撑体形状和压电膜层结构形状可以为相关的或无相关性。

可选地，所述狭缝区自所述多边形环的角端朝所述多边形环的中点延伸。

可选地，所述支撑体为圆环或椭圆环，所述压电膜层结构呈圆形面状覆盖于所述支撑体 所包围的区域，所述支撑体形状和压电膜层结构形状可以为相关的或无相关性

可选地，所述狭缝区自所述圆环形的圆周边缘朝所述圆环形的圆心延伸。

可选地，所述压电层材料包括AlN、基于不同比例掺杂的AlN材料、PZT、PMN-PT、ZnO、PVDF和LiNbO₃中的一种。

可选地，所述声学压电薄膜器件结构为发射器或者接收器，所述声学压电薄膜器件结构 工作在共振模态或者非共振频率。

如上所述，本发明的声学压电薄膜器件结构，具有以下有益效果：

本发明提出一种声学压电膜片结构，该结构外圈固定于支撑体，通过半导体工艺在该膜 片结构上添加或调整狭缝区(即透声通道)和其尺寸，在控制由于预应力引起的初始翘曲方 面具有优势；在相同的预应力下，该声学压电膜片结构的初始翘曲大概是悬臂梁结构的十分 之一，保证了换能器的机械稳定性。

本发明提出的声学压电膜层结构用作换能器时，由于中间狭缝区宽度的一致性且不随翘 曲发生变化，换能器的低频响应不会因狭缝区声阻的变小而降低，提升了声学接收器低频动 态灵敏度。同时在释放结构相等面积的前提下，换能器(如接收器)高频平带可工作带宽得 到扩展。

本发明提出的声学压电膜层结构外圈和内圈区域的电势分布方向相反，绝对值大小接近， 利用双层压电膜层结构和仅双电学端口(如，V+和V-)，可以实现：1)接收器可以将外 圈和内圈区域的电极分别接出信号，并通过串并联组合的方式增强接收端灵敏度；2)发射器 也可通过双层结构加载信号，增强发射端声信号强度。相比一般悬臂梁或者单压电层换能器， 本发明的机械能和电信号利用率增加一倍，提高了换能器的收发端性能。

本发明设计的声学压电膜层结构能够降低压电膜层结构的翘曲度以及控制翘曲引起的狭 缝区透声通道宽度的增加，并且本发明的电极层全面覆盖压电膜层表面且可以通过纵向多压 电层和横向多电极层之间新颖的分割和串联或者并联的电学连接方式，实现压电膜层全区域 的机电转换，提高压电薄膜器件的机电转化效率。

附图说明

图1显示为本实施例的声学压电薄膜器件结构的立体结构示意图，图2显示为本实施的 声学压电薄膜器件结构的剖面结构示意图，图3显示为本实施例的声学压电薄膜器件结构的 背面结构示意图。

图4～图10显示为本发明的声学压电薄膜器件结构的几种结构示意图。

图11及图12分别显示为多个悬臂梁结构和本发明的声学压电薄膜器件结构的挠曲度示 意图。

图13为悬臂梁结构翘曲后的变形图，图14为本发明的声学压电薄膜器件结构翘曲后的 变形图。

图15显示为中间狭缝区域在声学理论等效模型图。

图16显示为一种接收传感器的等效电路模型。

图17显示为多个悬臂梁结构和本发明的声学压电薄膜器件结构的归一化位移频响曲线 图。

图18及图19分别显示为多个悬臂梁结构和本发明的声学压电薄膜器件结构电势分布图。

图20及图21显示为本发明的声学压电薄膜器件结构的双层压电膜层结构的电势分布图。

图22显示为本发明的声学压电薄膜器件结构的双层压电膜层结构的电极划分示意图。

图23及图24显示为本发明的声学压电薄膜器件结构的双层压电膜层结构的电极连接等 效电路图。

元件标号说明

10                     支撑体

20                     压电膜层结构

201                    外部区域

202                    内部区域

203                    中心连接部

204                    第一压电层

205                    第二压电层

206                    第一电极

207                    第二电极

208                    第三电极

209                    第一中心电极

210                    第一外围电极

211                    第二中心电极

212                    第二外围电极

213                    第三中心电极

214                    第三外围电极

215                    电极分割区

30                     狭缝区

40                     背腔体结构

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部 放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中 应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的 空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这 些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。 此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一 个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二 特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例， 这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示 中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际 实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1～图3所示，其中，图1显示为本实施例的声学压电薄膜器件结构的立体结构示意 图，图2显示为本实施的声学压电薄膜器件结构的剖面结构示意图，图3显示为本实施例的 声学压电薄膜器件结构的背面结构示意图。本实施例提供一种声学压电薄膜器件结构，所述 声学压电薄膜器件结构包括：支撑体10以及压电膜层结构20，所述压电膜层结构20覆盖所 述支撑体所包围的区域，所述压电膜层结构20的周缘固定连接于所述支撑体上，与悬臂梁结 构不同，所述压电膜层结构20不具有独立的悬空端，所述压电膜层结构20包括压电层及覆 盖于所述压电层上下全部表面的电极层，所述压电膜层结构20包括内部区域和环绕于所述内 部区域的外部区域，所述内部区域与所述外部区域之间具有电极分割区215，所述电极分割 区215将所述电极层分割成中心电极层与外围电极层，在一个实施例中，所述中心电极层与 外围电极层的面积比可以为4:1～1:4之间，例如可以为2:1～1:2之间，优选为1:1。所述压电 膜层结构20覆盖所述支撑体10所包围的区域以在所述压电膜层结构20背部形成背腔体结构 40。在一个实施例中，所述支撑体10为闭环型的支撑体。

所述压电膜层结构20可以为单层压电层、双层压电层或多层压电层。如图4、6、8及图 10所示，所述压电膜层结构20覆盖所述支撑体10所包围的区域，所述压电膜层结构20的周缘固定连接于所述支撑体10上，所述压电膜层结构20在纵向上包括第一压电层204和第二压电层205，所述第一压电层204的上表面全覆盖有第一电极206，所述第二压电层205的下表面全覆盖有第二电极207，所述第一压电层204与所述第二压电层205之间全覆盖有第三电极208，所述压电膜层结构20在横向上包括内部区域202和环绕于所述内部区域202的外部区域201，所述内部区域202与所述外部区域201之间具有电极分割区215，所述电极分割区215将所述第一电极206分割成第一中心电极与第一外围电极，并将所述第二电极207分割成第二中心电极与第二外围电极，以及将所述第三电极208分割成第三中心电极与第三 外围电极。在一个实施例中，所述第一压电层204与所述第二压电层205的材料包括AlN、基于不同比例掺杂的AlN材料、PZT、PMN-PT、ZnO、PVDF和LiNbO₃中的一种。

在一个实施例中，如图5、7、9及图10所示，其中，图10显示为图5中A-A’处的截面结构示意图，所述压电膜层结构20具有多个狭缝区30，所述狭缝区30在纵向上贯穿所述第一电极206、第一压电层204、第三电极208、第二压电层205及第二电极207，以将所述压 电膜层结构20物理划分成多个压电单元区，所述狭缝区30在横向上自所述压电膜层结构20的周缘朝所述压电膜层结构20的中心点方向延伸并与所述中心点具有间距，以在所述压电膜 层结构20的中心保留机械连接各所述压电单元区的中心连接部203，所述狭缝区30的起点 可以不在所述压电膜层结构20的周缘，而可以在所述外部区域201的内部，甚至所述起点可 以在所述内部区域202的内部，所述狭缝区30的终点可以在所述外部区域201的内部，也可 以在所述内部区域202的内部，优选地，所述狭缝区30的起点为所述压电膜层结构20的周 缘，终点为在所述内部区域202的内部。其中，压电层由狭缝区所导致的物理分割区域可以 和电极分割导致的压电有效电学单元物理区域一致，也可以不一致，由具体需求而定。所述 中心连接部203的面积占所述压电膜层结构20总面积的比例为5％～95％之间，例如，在一个 实施例中，所述中心连接部203的面积占所述压电膜层结构20总面积的比例为10％，当然， 所述中心连接部203的径向尺寸实际上可以大于所述内部区域202的径向尺寸，此时，所述 狭缝区30仅设置于所述外部区域201，所述中心连接部203包含所述内部区域202，并跨过 所述电极分割区215到达外部区域201，但所述中心连接部203不改变所述外部区域201、内 部区域202中和所述电极分割区215的原本设置。本实施例可以利用半导体加工工艺，在所 述第一压电层204与所述第二压电层205中形成狭缝区30，通过调节狭缝区30尺寸(及透 声通道)、背腔体结构40的尺寸以及所述第一压电层204与所述第二压电层205的厚度等参 数，有效调节换能器结构的工作频率，通过半导体工艺，所述狭缝区30的宽度可以设置为小 于或等于10微米，优选地，所述狭缝区30的宽度可以设置为1～3微米，以避免声阻的增大， 使本发明的压电膜层结构20适用于各种应用场景和工作模态的声学换能器，如发射器或者接 收器，同时，可以使发射器或者接收器工作在共振模态或者非共振频率。

在一个实施例中，多个所述压电单元工作在相同的振动相位和振动频率，以使得多个压 电单元在工作时信号相互增强，提高所述声学压电薄膜器件结构的灵敏度。

在一个实施例中，所述中心连接部203将多个压电单元区物理连接在一起，所述中心连 接部203的表面具有电极或绝缘，当所述中心连接部203的表面具有电极时，可以将多个压 电单元区的内部区域202电性连接在一起，当所述中心连接部203的表面绝缘时，可以将多 个压电单元区的内部区域202实现电性隔离。

在一个实施例中，所述狭缝区30划分的多个所述压电单元的形状对称和面积相同，以便 于各个压电单元的调控。

在一个实施例中，同一所述压电单元区内的所述第一中心电极、第一压电层和第三中心 电极组成第一中心电容，所述第三中心电极、第二压电层和第二中心电极组成第二中心电容， 所述第一外围电极、第一压电层和第三外围电极组成第一外围电容，所述第三外围电极、第 二压电层和第二外围电极组成第二外围电容，所述第一中心电容、第二中心电容、第一外围 电容及第二外围电容为相互绝缘、并联、串联或串并混联。在一个实施例中，多个所述压电 单元区的所述第一中心电容、第二中心电容、第一外围电容及第二外围电容为相互绝缘、并 联、串联或串并混联。发明的电极层全面覆盖压电层表面且电极层具有新颖的分割和连接方 式，可以实现全面积的压电转换，提高压电材料利用率。

在一个实施例中，通过压电层和电极之间的互联，只通过双端口供电(如，高压源-V_dd和 地线-GND，又或者正负供电(V+&V-)等电学端口组合)，在换能器结构发射信号时通过在 外部区域201和内部区域202施加反向电信号(如V_dd和GND,又或者正负供电V+和V-)， 而使所述压电膜层结构的机械振幅增大，在换能器结构接收信号时通过将外部区域201和内部区域202的电信号双路叠加，使接收端信号最大化。

如图6及8所示，所述支撑体10为多边形环，所述压电膜层结构20呈多边形面状覆盖 于所述支撑体10所包围的区域。例如，所述多边形环包括正三边形环、正四边形环、正五边 形环、正六边形环及正八边形环中的一种，所述支撑体10形状和压电膜层结构20形状可以 为相关的或无相关性。

在一个实施例中，如图6所示，所述多边形环包括正六边形环，所述压电膜层结构20呈 多边形面状覆盖于所述支撑体10所包围的区域。

在一个实施例中，如图8所示，所述多边形环包括正四边形环，所述压电膜层结构20呈 多边形面状覆盖于所述支撑体10所包围的区域。

如图7及图9所示，所述支撑体10为多边形环，所述压电膜层结构20呈多边形面状覆 盖于所述支撑体10所包围的区域。例如，所述多边形环包括正三边形环、正四边形环、正五 边形环、正六边形环及正八边形环中的一种。所述压电膜层结构20具有多个狭缝区30，所 述狭缝区30在纵向上贯穿所述第一电极206、第一压电层204、第三电极208、第二压电层205及第二电极207，以将所述压电膜层结构20划分成多个压电单元区，所述狭缝区30自所述多边形环的角端朝所述多边形环的中点延伸。

在一个实施例中，如图4所示，所述支撑体10为圆环或椭圆环，所述压电膜层结构20 呈圆形面状覆盖于所述支撑体10所包围的区域，所述支撑体10形状和压电膜层结构20形状 可以为相关的或无相关性。

在一个实施例中，如图5所示，所述支撑体10为圆环或椭圆环，所述压电膜层结构20 呈圆形面状覆盖于所述支撑体10所包围的区域。所述压电膜层结构20具有多个狭缝区30， 所述狭缝区30在纵向上贯穿所述第一电极206、第一压电层204、第三电极208、第二压电 层205及第二电极207，以将所述压电膜层结构20划分成多个压电单元区，所述狭缝区30自所述圆环形的圆周边缘朝所述圆环形的圆心延伸。

如图11及图12所示，相比一般压电器件的多个悬臂梁结构(图11)，本发明的声学压 电薄膜器件结构(图12)由于中心区域的连接，本发明的声学压电薄膜器件结构的挠曲度(预 应变)更小，经过初步仿真计算，在100MPa的预应力下，本发明的声学压电薄膜器件结构 的挠曲度约为一般悬臂梁结构的十分之一；由于MEMS压电器件在制造过程中会产生残余应 力，残余应力会导致器件产生挠曲；在不同挠曲下，压电换能器(多为接收器)的性能会发 生改变，为了保证产品性能的一致性，需要控制器件挠曲度的一致性；一般低频(≤20KHz) 压电接收器具有多个悬臂梁结构，由于工艺制造原因，多个悬臂梁的挠曲度不一致；本发明 的声学压电薄膜器件结构采用的膜片结构由于中心区域的连接，各个区域的挠曲度一致性更 好；且由于本发明的声学压电薄膜器件结构为膜片结构，即使在相同的结构初始挠曲下，膜 片结构的透声空缝也不会因为应力或者入射声波的改变而发生尺寸变化，从而优化低频段(一 般≤5KHz)的频率响应。进一步地，压电器件的翘曲度也会影响MEMS压电器件的可靠性， 本发明的声学压电薄膜器件结构能够更好的控制翘曲，因此具有更好的可靠性。

如图13及图14所示，其中，图13为悬臂梁结构翘曲后的变形图，可以发现越接近悬臂 梁自由端一侧，悬臂梁结构之间镂空风险(及透声狭缝)区域的宽度越来越大；图14为本发 明的声学压电薄膜器件结构翘曲后的变形图，由于中间区域的连接，狭缝区的尺寸基本保持 不变；由于悬臂梁结构的翘曲，导致悬臂梁之间的间隙变大，初步计算，在100MPa预应力 下，悬臂梁尖端区域的间隙相比设计值增大3倍，而使低频响应灵敏度大幅度降低。具体理 论模型如下：

如图15所示，在声学理论中，当狭缝区的厚满足下面条件时，声阻抗可以等效为：

如上述公式所示，t为狭缝宽度，l为压电层的长度，d为压电层的宽度，f为工作频率， η为空气粘滞系数，ρ为空气密度，R_slita为声阻，M_slita为，中间狭缝区30域狭缝的声阻R_slita与狭缝宽度t的三次方成反比，随着中间狭缝区30域狭缝宽度t的增加，声阻R_slita迅速减小； 声阻R_slita变小导致低频信号泄露，影响压电声学器件低频。

如图16所示，接收传感器的低频灵敏度除了与压电膜层结构20的特性相关外，还受透 声孔和后腔的大小影响；图16显示为简单接收传感器的等效电路模型，可以发现中间狭缝区 30域等效声阻R_Leak和后腔等效声容C_BackVolume形成RC高通滤波电路，截止频率为

在截止频率以下，每降低10倍频率，灵敏度降低20dB。

为了保证低频的灵敏度，低频截止频率应该尽可能低，这就需要中间狭缝区30域的声阻 较大，即中间狭缝区宽度应该尽可能小；相比于一般悬臂梁式接收传感器，本发明的声学压 电薄膜器件结构由于中间区域的连接，各区域之间挠曲度基本一致，不会产生由于上下错位 引起的漏声。

根据上述分析，本发明的声学压电薄膜器件结构在控制中间狭缝区宽度方面具有优势， 能够降低RC电路的截止频率，提高低频灵敏度。

如图17所示，图17为悬臂梁结构与本发明的声学压电薄膜器件结构的归一化位移频响， 对比的两种压电器件结构的振动膜片面积接近。由悬臂梁结构MEMS接收传感器狭缝区宽度 为1um和3um对应的归一化位移响应可以看出，随着狭缝区宽度的增加，低频截止频率变高， 低频位移响应下降；另外，由本发明的声学压电薄膜器件结构狭缝区30宽度为1um的归一 化位移响应曲线可知，本发明的声学压电薄膜器件结构低频响应不会由于初始翘曲而下降。

如图17所示，位于左右两内侧的黑色竖直短虚线之间为悬臂梁结构的应用频带，位于左 右两外侧的竖直长虚线之间为本发明的声学压电薄膜器件结构的音频频带，本发明相比悬臂 梁结构的音频平频工作带宽增加2k左右。

一般的悬臂梁式压电器件的预应力使得悬臂梁末端产生翘曲，翘曲后中间狭缝区宽度增 大，或者由于各悬臂梁之间挠曲度的不一致，悬臂梁之间形成上下错位，也会增大透声面积， 这些因素都会导致狭缝区30域的声阻变小；不管对于接收传感器还是执行传感器，中间狭缝 区声阻的减小会影响低频响应；中间狭缝区声阻减小导致低频信号泄露(漏声)，压电器件的 低频响应降低；相比于一般悬臂梁式压电换能器，本发明结构为由于本发明采用的是膜片结 构而非悬臂梁等一端入射声波方向上全自由度结构，有以下优势：1)最中心区域不透声，挠 曲度的增加对中心区域没有影响，增强机械稳定度和良率，2)各区域之间挠曲度基本一致， 不会产生由于上下错位引起的漏声，提升低频段(≤5KHz)动态响应灵敏度；3)在结构释放 面积相同的前提下，本发明的膜片结构的共振频率高过悬臂梁结构，所以低频平带带宽扩大， 进一步优化了作为低频接收器的动态频响范围。

如图18及图19所示，其中，图18显示为悬臂梁结构的电势分布图，由图可见，从边缘 到中心区域，电势方向基本不变，图19显示为本发明的声学压电薄膜器件结构的电势分布图， 从边缘到中心区域，电势方向发生改变，绝对值相同但方向相反。在实际设计的时候，可以 将压电器件中心和边缘的电极层先通过电极分割区215物理分割开，再通过电学串联或者并 联的方式连接，增加压电材料的利用效率，充分利用释放结构的全部区域。

如20～图21所示，本发明为Bimorph双层压电膜层结构20，在一个均匀方向外力作用下， 可以看出上层和下层的电势方向刚好相反，同一层的外圈电势和内圈电势反向，且绝对值基 本相等；相比于悬臂梁结构一般只利用外圈区域的电极，本发明将同一层压电材料的外圈和 内圈区域的电信号分别利用电学引线引出或加载，压电材料的利用面积增大将近一倍(面积 接近全部膜片释放区域)，其机械能和电能的转换效率也增加一倍，从而提高换能器接收和发 射能力。

如图22～及图24所示，如图为Bimorph双层压电膜层结构20，图示为压电膜层结构20 边缘到中心的截面图，只有整体截面图的一半，因此只含有一个固定支撑结构；通过电极分 割区215将电极分割，分别引出或者加载信号，可以提高压电材料的利用效率。如图22～图 24所示，本发明的双层压电膜层结构20，由于电极的分割，压电膜层结构20可以等效为如 图示的四个电容C1、C2、C3、C4；电极可以标记为外圈电极T1，M1和B1，内圈电极可以标记为T2，M2和B2。

如图23及图24所示，本发明的声学压电薄膜器件结构，可以将置于两个电极层之间的 压电层等效为电容，由于同一层压电材料通过不同电极分成两部分，因此同一层压电材料可 以等效为两个电容，即同层的C1和C3，或者同层的C2和C4；在一个实施例中，本发明的Bimorph双层压电材料由于是双层结构，可以等效为四个电容C1、C2、C3、C4，通过控 制电极分布达到C1＝C2＝C3＝C4，本发明的连接方式可包括如下：

1)通过上下电容并联(即C1和C2并联、C3和C4并联)，外圈电极和内圈电极再进行串联(即C1和C2并联后再和C3和C4并联后串联)的方式连接，如图23所示。

2)通过上下电容并联后(即C1和C2并联；C3和C4并联)，外圈电极和内圈电极和再并联(即C1和C2并联后再和C3和C4并联后并联)的方式连接，如图24所示。

上述电学连接仅为一些示例，也可通过其它不同电容之间串并联方式建立同类型电学连 接。另外，此连接方式适用于任何双电学端口(如，V+和V-)的双压电层结构电学信号连 接组合，并不限于此处所列举的示例。

如上所述，本发明的声学压电薄膜器件结构，具有以下有益效果：

本发明提出一种声学压电膜片结构，该结构外圈固定于支撑体，通过半导体工艺在该膜 片结构上添加或调整狭缝区(即透声通道)和其尺寸，在控制由于预应力引起的初始翘曲方 面具有优势；在相同的预应力下，该声学压电膜片结构的初始翘曲大概是悬臂梁结构的十分 之一，保证了换能器的机械稳定性。

本发明提出的声学压电膜层结构用作换能器时，由于中间狭缝区宽度的一致性且不随翘 曲发生变化，换能器的低频响应不会因狭缝区声阻的变小而降低，提升了声学接收器低频动 态灵敏度。同时在释放结构相等面积的前提下，换能器(如接收器)高频平带可工作带宽得 到扩展。

本发明提出的声学压电膜层结构外圈和内圈区域的电势分布方向相反，绝对值大小接近， 利用双层压电膜层结构和仅双电学端口(如，V+和V-)，可以实现：1)接收器可以将外 圈和内圈区域的电极分别接出信号，并通过串并联组合的方式增强接收端灵敏度；2)发射器 也可通过双层结构加载信号，增强发射端声信号强度。相比一般悬臂梁或者单压电层换能器， 本发明的机械能和电信号利用率增加一倍，提高了换能器的收发端性能。

本发明设计的声学压电膜层结构能够降低压电膜层结构的翘曲度以及控制翘曲引起的狭 缝区透声通道宽度的增加，并且本发明的电极层全面覆盖压电膜层表面且可以通过纵向多压 电层和横向多电极层之间新颖的分割和串联或者并联的电学连接方式，实现压电膜层全区域 的机电转换，提高压电薄膜器件的机电转化效率。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡 所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等 效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (18)

1.一种声学压电薄膜器件结构，其特征在于，所述声学压电薄膜器件结构包括：

支撑体；

压电膜层结构，所述压电膜层结构覆盖所述支撑体所包围的区域，所述压电膜层结构的周缘固定连接于所述支撑体上，所述压电膜层结构包括压电层及覆盖于所述压电层上下表面的电极层，压电膜层结构包括内部区域和环绕于内部区域的外部区域，内部区域与外部区域之间具有电极分割区，所述电极分割区将所述电极层分割成中心电极层与外围电极层。

2.根据权利要求1所述的声学压电薄膜器件结构，其特征在于：所述压电膜层结构具有多个狭缝区，所述狭缝区在纵向上贯穿所述压电膜层结构，以将所述压电膜层结构划分成多个压电单元区，所述狭缝区在横向上自所述压电膜层结构的周缘朝所述压电膜层结构的中心点方向延伸并与所述中心点具有间距，以在所述压电膜层结构的中心保留机械连接各所述压电单元区的中心连接部。

3.根据权利要求2所述的声学压电薄膜器件结构，其特征在于：所述中心连接部的面积占所述压电膜层结构总面积的比例为5％～95％之间。

4.根据权利要求1所述的声学压电薄膜器件结构，其特征在于：所述压电膜层结构在纵向上包括第一压电层和第二压电层，所述第一压电层的上表面全覆盖有第一电极，所述第二压电层的下表面全覆盖有第二电极，所述第一压电层与所述第二压电层之间全覆盖有第三电极，所述压电膜层结构在横向上包括内部区域和环绕于所述内部区域的外部区域，所述内部区域与所述外部区域之间具有电极分割区，所述电极分割区将所述第一电极分割成第一中心电极与第一外围电极，并将所述第二电极分割成第二中心电极与第二外围电极，并将所述第三电极分割为第三中心电极与第三外围电极。

5.根据权利要求4所述的声学压电薄膜器件结构，其特征在于：所述压电膜层结构具有多个狭缝区，所述狭缝区在纵向上贯穿所述第一电极、第一压电层、第三电极、第二压电层及第二电极，该狭缝区将所述压电膜层结构物理划分成多个压电单元区，所述狭缝区在横向上自所述压电膜层结构的周缘朝所述压电膜层结构的中心点方向延伸并与所述中心点具有间距，以在所述压电膜层结构的中心保留机械连接各所述压电单元区的中心连接部，所述中心连接部的面积占所述压电膜层结构总面积的比例为5％～95％之间。

6.根据权利要求2、4或5所述的声学压电薄膜器件结构，其特征在于：多个所述压电单元工作在相同的振动相位和振动频率。

7.根据权利要求2、4或5所述的声学压电薄膜器件结构，其特征在于：所述中心连接部的表面具有电极或绝缘。

8.根据权利要求2、4或5所述的声学压电薄膜器件结构，其特征在于：所述狭缝区划分的多个所述压电单元的形状对称和面积相同。

9.根据权利要求2、4或5所述的声学压电薄膜器件结构，其特征在于：所述狭缝区的宽度小于或等于10微米。

10.根据权利要求4所述的声学压电薄膜器件结构，其特征在于：同一所述压电单元区内的所述第一中心电极、第一压电层和第三中心电极组成第一中心电容，所述第三中心电极、第二压电层和第二中心电极组成第二中心电容，所述第一外围电极、第一压电层和第三外围电极组成第一外围电容，所述第三外围电极、第二压电层和第二外围电极组成第二外围电容，所述第一中心电容、第二中心电容、第一外围电容及第二外围电容为相互绝缘、并联、串联或串并混联。

11.根据权利要求10所述的声学压电薄膜器件结构，其特征在于：多个所述压电单元区的所述第一中心电容、第二中心电容、第一外围电容及第二外围电容为相互绝缘、并联、串联或串并混联。

12.根据权利要求10所述的声学压电薄膜器件结构，其特征在于：通过压电层和电极之间的互联，只通过双端口供电，在换能器结构发射信号时通过在外部区域和内部区域施加反向电信号，而使所述压电膜层结构的机械振幅增大，在换能器结构接收信号时通过将外部区域和内部区域的电信号双路叠加，使接收端信号最大化。

13.根据权利要求1所述的声学压电薄膜器件结构，其特征在于：所述支撑体为多边形环，所述压电膜层结构呈多边形面状覆盖于所述支撑体所包围的区域，所述多边形环包括正三边形环、正四边形环、正五边形环、正六边形环及正八边形环中的一种。

14.根据权利要求13所述的声学压电薄膜器件结构，其特征在于：所述狭缝区自所述多边形环的角端朝所述多边形环的中点延伸。

15.根据权利要求1所述的声学压电薄膜器件结构，其特征在于：所述支撑体为圆环或椭圆环，所述压电膜层结构呈圆形面状覆盖于所述支撑体所包围的区域。

16.根据权利要求15所述的声学压电薄膜器件结构，其特征在于：所述狭缝区自所述圆环形的圆周边缘朝所述圆环形的圆心延伸。

17.根据权利要求1所述的声学压电薄膜器件结构，其特征在于：所述压电层材料包括AlN、基于不同比例掺杂的AlN材料、PZT、PMN-PT、ZnO、PVDF和LiNbO₃中的一种。

18.根据权利要求1所述的声学压电薄膜器件结构，其特征在于：所述声学压电薄膜器件结构为发射器或者接收器，所述声学压电薄膜器件结构工作在共振模态或者非共振频率。

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