CN116320939A - 一种mems结构 - Google Patents

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李冠华
刘端
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Anhui Aofei Acoustics Technology Co ltd
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

本申请公开了一种MEMS结构，包括：衬底，具有空腔；压电复合振动层，形成在所述衬底上方并且所述压电复合振动层包括具有固定端和自由端的悬臂梁，所述固定端连接所述衬底，所述自由端悬置在所述空腔上方；柔性膜，形成在所述压电复合振动层上方并且覆盖所述空腔。该在MEMS结构中，施加于MEMS结构的电信号使悬臂梁振动变形，从而带动柔性膜振动向外辐射声压，减小漏声并且不过多限制悬臂梁位移，从而产生较大位移，输出较高的声压级信号。

Description

一种MEMS结构
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，具体来说，涉及一种MEMS(MicroelectroMechanical Systems的简写，即微机电系统)结构。
背景技术
压电MEMS扬声器是一种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。
但是针对相关技术中如何提高压电MEMS扬声器的输出声压级的问题，目前尚未提出有效地解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本申请提出了一种MEMS结构，能够提高声压级输出。
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MEMS结构，包括：
衬底，具有空腔；
压电复合振动层，形成在所述衬底上方并且所述压电复合振动层包括具有固定端和自由端的悬臂梁，所述固定端连接所述衬底，所述自由端悬置在所述空腔上方；
柔性膜，形成在所述压电复合振动层上方并且覆盖所述空腔。
其中，所述压电复合振动层包括：
第一电极层，形成在所述衬底上方；
第一压电层，形成在所述第一电极层上方；
第二电极层，形成在所述第一压电层上方。
其中，所述压电复合振动层还包括振动支撑层，所述振动支撑层形成在所述第一电极层和所述衬底之间，或者所述振动支撑层形成在所述第二电极层和所述柔性膜之间。
其中，所述压电复合振动层包括至少两个悬臂梁，并且所述悬臂梁之间具有间隙，所述柔性膜覆盖在所述悬臂梁和所述间隙上方。
其中，至少两个所述悬臂梁对称设置，并且至少两个所述悬臂梁的所述自由端之间具有所述间隙。
其中，所述MEMS结构还包括质量块，所述质量块形成在至少两个所述悬臂梁的所述自由端之间的所述间隙处，并且所述质量块连接在所述柔性膜的下方。
其中，所述压电复合振动层包括：
第三电极层，形成在所述第一压电层上方；
第二压电层，形成在所述第三电极层上方；
所述第二电极层，形成在所述第二压电层上方。
其中，所述柔性膜的材料包括聚酰亚胺。
其中，所述MEMS结构应用于传声器或扬声器。
综上，本申请提供了一种MEMS结构，该结构可以应用于传声器或扬声器，施加于MEMS结构的电信号使悬臂梁振动变形，从而带动柔性膜振动向外辐射声压，减小漏声并且不过多限制悬臂梁位移，从而产生较大位移，输出较高的声压级信号。
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。
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本申请的各个方面。需要强调的是，根据行业的标准实践，各个部件未按比例绘制，并且仅用于说明目的。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。
图1示出了根据一些实施例的MEMS结构的爆炸视图；
图2示出了根据一些实施例的MEMS结构的组装立体图；
图3示出了根据一些实施例的悬臂梁和间隙的仰视图；
图4示出了根据一些实施例的悬臂梁和质量块的仰视图；
图5示出了根据一些实施例的1*2的双晶片的MEMS结构的仰视图；
图6示出了图5的MEMS结构的声压级频响曲线图。
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。
以下公开内容提供了许多不同的实施例或实例以实现本申请的不同特征。下面将描述元件和布置的特定实例以简化本申请。当然这些仅是实例并不旨在限定。例如，元件的尺寸不限于所公开的范围或值，但可能依赖于工艺条件和/或器件所需的性能。此外，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成附加的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。为了简化和清楚，可以以不同的尺寸任意地绘制各个部件。
此外，为便于描述，空间相对术语如“在...之下(beneath)”、“在...下方(below)”、“下部(lower)”、“在...之上(above)”、“上部(upper)”等在本文可用于描述附图中示出的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。空间相对术语旨在包括除了附图中所示的方位之外，在使用中或操作中的器件的不同方位。装置可以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，本文使用的空间相对描述符可同样地作相应解释。
参见图1和图2，根据本申请的实施例，提供了一种MEMS结构，该MEMS结构可以但不限用于传声器或麦克风等传感器，或其他执行器。在一些实施例中，MEMS结构包括衬底10、压电复合振动层和柔性膜20e。以下将详细说明该MEMS结构。
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)。
参见图1和图3，压电复合振动层形成在衬底10上方，并且压电复合振动层包括具有固定端21和自由端22的悬臂梁，固定端21连接衬底10，自由端22悬置在空腔11上方。
在一些实施例中，压电复合振动层包括形成在衬底10上方的第一电极层20a、形成在第一电极层20a上方的第一压电层20b和形成在第一压电层20b上方的第二电极层20c。在一些实施例中，压电复合振动层是“双晶片”结构，即压电复合振动层还包括形成在第一压电层20b上方的第三电极层(图中未示出)、形成在第三电极层上方的第二压电层(图中未示出)，并且第二电极层20c形成在第二压电层上方。
在一些实施例中，MEMS结构还包括振动支撑层20d，振动支撑层20d形成在第一电极层20a和衬底10之间。在一些实施例中，振动支撑层20d形成在第二电极层20c上方。
参见图3，在一些实施例中，压电复合振动层包括至少两个悬臂梁，并且悬臂梁之间具有间隙23。在一些实施例中，至少两个悬臂梁对称设置，并且至少两个悬臂梁的自由端22之间具有间隙23。在图3的实施例中示出了四个悬臂梁对称设置，并且四个悬臂梁的自由端22之间形成了圆形的间隙23。在其他实施例中，悬臂梁的数量可以根据实际应用需要调节。
参见图4，在一些实施例中，MEMS结构还包括质量块20f，质量块20f形成在至少两个悬臂梁的自由端22之间的圆形间隙23处。质量块20f的密度大于氮化硅的密度。具体的是，质量块20f的密度大于3.2kg/dm3。质量块20f的材料可以包括钨、金、银等金属。并且，质量块20f与自由端22之间分隔开。
在一些实施例中，振动支撑层20d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。在一些实施例中，第一压电层20b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20a和第二电极层20c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。第二压电层的材料和第一压电层20b的材料可以相同或不同。第三电极层的材料和第一电极层20a的材料可以相同或不同。第一电极层20a、第一压电层20b和第二电极层20c可以基于逆压电效应将电压转换为机械振动。
参见图1，MEMS结构还包括柔性膜20e，该柔性膜20e覆盖在悬臂梁和间隙23上方,在一些实施中，质量块20f连接在柔性膜20e的下方。在一些实施例中，振动支撑层20d形成在第二电极层20c和柔性膜20e之间。柔性膜20e的材料包括聚酰亚胺。值得注意的是，图1的实施例中示出的是柔性膜20e形成在压电复合振动层的部分上方，在其他实施例中，柔性膜20e可以形成在压电复合振动层的下方。
图5中示出了1*2双晶片的MEMS结构的仰视图，从图6的声压级频响曲线是在施加的电压信号为30V，在自由场中3cm距离处计算声压级所获得的数据。其中，MEMS结构中采用的第一电极层20a的材料为铂，压电材料为锆钛酸铅，柔性膜20e材料为聚酰亚胺。可以看到在2000Hz、5000Hz和10000Hz处声压级信号分别达到了84dB、102dB和132dB，具有非常高的输出信号。
综上，本申请提供了一种MEMS结构，该结构可以应用于传声器或扬声器，施加于MEMS结构的电信号使悬臂梁振动变形，从而带动柔性膜20e振动向外辐射声压，减小漏声并且不过多限制悬臂梁位移，从而产生较大位移，输出较高的声压级信号。另外，质量块20f形成在柔性膜20e下方，可以使MEMS结构的中心部分更好地平动，从而提高了音质效果。而且，将压电复合振动层替换为“双晶片”结构可以进一步增大MEMS结构的整体位移，从而提高输出信号。在尺寸允许的情况下，形成MEMS结构的阵列是提高输出声压级的有效手段。
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 (9)

1.一种MEMS结构，其特征在于，包括：
衬底，具有空腔；
压电复合振动层，形成在所述衬底上方并且所述压电复合振动层包括具有固定端和自由端的悬臂梁，所述固定端连接所述衬底，所述自由端悬置在所述空腔上方；
柔性膜，形成在所述压电复合振动层上方并且覆盖所述空腔。
2.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述压电复合振动层包括：
第一电极层，形成在所述衬底上方；
第一压电层，形成在所述第一电极层上方；
第二电极层，形成在所述第一压电层上方。
3.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，所述压电复合振动层还包括振动支撑层，所述振动支撑层形成在所述第一电极层和所述衬底之间，或者所述振动支撑层形成在所述第二电极层和所述柔性膜之间。
4.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述压电复合振动层包括至少两个悬臂梁，并且所述悬臂梁之间具有间隙，所述柔性膜覆盖在所述悬臂梁和所述间隙上方。
5.根据权利要求4所述的MEMS结构，其特征在于，至少两个所述悬臂梁对称设置，并且至少两个所述悬臂梁的所述自由端之间具有所述间隙。
6.根据权利要求5所述的MEMS结构，其特征在于，所述MEMS结构还包括质量块，所述质量块形成在至少两个所述悬臂梁的所述自由端之间的所述间隙处，并且所述质量块连接在所述柔性膜的下方。
7.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述压电复合振动层包括：
第三电极层，形成在所述第一压电层上方；
第二压电层，形成在所述第三电极层上方；
所述第二电极层，形成在所述第二压电层上方。
8.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述柔性膜的材料包括聚酰亚胺。
9.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述MEMS结构应用于传声器或扬声器。
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