CN208300025U - Mems压电麦克风 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种MEMS压电麦克风，包括第一衬底以及通过间隔部支撑在第一衬底上方的压电膜，第一衬底、间隔部、压电膜围成了真空腔；其中，压电膜在大气压力下的静态偏转距离小于压电膜与第一衬底之间的距离。本实用新型的MEMS压电麦克风，压电膜与第一衬底之间围成了真空腔，从而可以降低声阻对压电膜振动的影响，提高了麦克风的信噪比，而且可以大大降低MEMS压电麦克风的整体尺寸，增强了麦克风的可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及声电转换领域，更具体地，涉及一种MEMS压电麦克风的机构，尤其是一种具有高SNR的压电麦克风结构。
背景技术
现在的MEMS麦克风，无论是电容式的感测结构还是压电式的感测结构，均需要设计一个具有环境压力的巨大后腔，以确保流动空气的刚性远远压电膜。背腔的容积通常远大于1mm3，例如通常设计为1-15mm3。而且麦克风芯片在封装的时候，需要开放其腔体。这就限制了MEMS麦克风最小尺寸封装的设计(>3mm3)。
这是由于如果后腔容积过小，则不利于空气的流通，这种空气的刚性则会大大降低压电膜的机械灵敏度。传统的压电麦克风中，通常会在压电膜上设置狭缝或者通孔。但这种狭缝的设计使得低频信号甚至中频信号的泄漏非常严重；产品性能与理论数据有很大的差距，无法达成预期性能。
另外，由于空气粘度造成的狭缝或通孔中的空气流动阻力成为MEMS麦克风噪声的主导因素，从而限制了麦克风的高信噪比性能。
实用新型内容
本实用新型的一个目的是提供一种MEMS压电麦克风的新技术方案。
根据本实用新型的第一方面，提供了一种MEMS压电麦克风，包括第一衬底以及通过间隔部支撑在第一衬底上方的压电膜，所述第一衬底、间隔部、压电膜围成了真空腔；其中，压电膜在大气压力下的静态偏转距离小于压电膜与第一衬底之间的距离。
可选地，所述压电膜包括基材层与基材层复合在一起的至少两个电极，至少两个电极在压电膜的偏转方向上平行间隔布置。
可选地，所述电极至少设置有三个，相邻两个电极之间形成一可以输出电信号的压电结构。
可选地，至少三个电极中，其中一个电极形成在基材层的上端面，其中一个电极形成在基材层的下端面。
可选地，所述基材层、电极通过沉积的方式复合在一起。
可选地，所述压电膜采用AlN或ZnO2材料。
可选地，所述压电膜的机械灵敏度为0.02至0.9nm/Pa，所述压电膜和第一衬底之间的初始间隙为1-100μm。
可选地，还包括ASIC电路，所述ASIC电路集成在第一衬底上。
可选地，在所述压电膜远离真空腔的一侧还设置有第二衬底，所述第二衬底上对应压电膜中部区域的位置形成有将压电膜露出的空腔。
可选地，压电膜中的电极通过引线穿过间隔部与第一衬底上的电路布图导通。
本实用新型的MEMS压电麦克风，压电膜与第一衬底之间围成了真空腔，真空腔内的空气粘度远远低于环境压力中的空气粘度，从而可以降低声阻对压电膜振动的影响，提高了麦克风的信噪比。
另外，由于压电膜与第一衬底之间围成的是真空腔，相对传统设置狭缝的压电结构而言，避免了低频信号、中频信号的泄漏，保证了压电麦克风的性能。由于该结构的MEMS压电麦克风不需要较大容积的背腔，因此可以大大降低MEMS压电麦克风的整体尺寸，增强了麦克风的可靠性。
本实用新型的MEMS压电麦克风采用了高灵敏度的压电结构来获得检测的电信号，可以补偿由于压电膜刚性带来的对麦克风整体灵敏度的影响，保证了轻薄化麦克风的声学性能。
通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本实用新型的实施例，并且连同说明书一起用于解释本实用新型的原理。
图1是本实用新型压电麦克风第一实施方式的结构示意图。
图2是本实用新型压电麦克风第二实施方式的结构示意图。
图3是本实用新型压电麦克风其中一种封装方式的示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案、取得的技术效果易于理解，下面结合具体的附图，对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。
参考图1，本实用新型提供了一种MEMS麦克风，其包括第一衬底1以及通过间隔部3支撑在第一衬底1上方的压电膜，第一衬底1、间隔部3、压电膜围成了真空腔4。
本实用新型的第一衬底1可以采用单晶硅或者本领域技术人员所熟知的其它材质，并可通过逐层沉积、图案化、牺牲的工艺形成间隔部3以及通过间隔部3支撑在第一衬底1上的压电膜。如有必要，在间隔部3与第一衬底1之间还设置有绝缘层10，在此不再具体说明。
真空腔4例如可由低压等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在200-350℃下进行密封。这种MEMS工艺属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。其中真空腔4优选小于1kPa，这使得真空腔4中的残余气体粘度大大低于标准压力下的空气粘度。
由于压电膜与第一衬底1之间形成了低于大气压力的真空腔，因此压电膜在大气压力下且无声压时会发生静态偏转，即压电膜会朝向第一衬底1的方向发生静态偏转。为了防止压电膜静态时偏转至与第一衬底1接触，设计该压电膜的静态偏转距离要小于压电膜与第一衬底1之间的距离。这主要可以通过改变压电膜的刚性和/或改变压电膜与第一衬底1之间的距离来实现。
例如可以加厚压电膜的尺寸，当然也可以通过选择合适的压电膜材质来提升压电膜的刚性。例如可以通过设计使得压电膜具有0.02至0.9nm/Pa的机械灵敏度。也就是说，每受1Pa的压力，压电膜则会发生0.02-0.9nm的偏转，这种压电膜的刚性是传统压电膜的10-100倍，使得压电膜足够坚硬以抵抗外界的大气压力。
压电膜和第一衬底1之间的相应初始间隙可以设计在1-100μm的范围内，配合上述刚性的压电膜，使得在大气压力下不会发生压电膜2塌陷的问题。
压电膜可以采用例如AlN或ZnO2等高e31/ε3的堆叠压电体。在本实用新型一个具体的实施方式中，压电膜包括基材层2与基材层2复合在一起的至少两个电极，该至少两个电极在压电膜的偏转方向上平行间隔布置。压电膜的这种复合结构可以通过MEMS工艺中的依次沉积、图案化来实现，也可以通过压电材料领域所熟知的其它方式进行，在此不再具体说明。
例如参考图1，电极可以分别设置有两个，分别记为上电极6、下电极7，上电极6形成在基材层2的上端面，下电极7形成在基材层2的下端面，两个电极构成了可以输出变化电信号的压电结构。当然，对于本领域的技术人员而言，上电极6、下电极7也可以形成在基材层2的内部，在此不再具体说明。
压电膜中的电极也可以设置三个、四个或者更多个，相邻两个电极之间均形成一可以输出电信号的压电结构。参考图1，在上电极6与下电极7之间还形成有中间电极5，上电极6与中间电极5、中间电极5与下电极7各形成了可以输出变化电信号的压电结构。
本实用新型的MEMS压电麦克风，压电膜与第一衬底1之间围成了真空腔，真空腔内的空气粘度远远低于环境压力中的空气粘度，从而可以降低声阻对压电膜振动的影响，提高了麦克风的信噪比。
另外，由于压电膜与第一衬底之间围成的是真空腔，相对传统设置狭缝的压电结构而言，避免了低频信号、中频信号的泄漏，保证了压电麦克风的性能。由于该结构的MEMS压电麦克风不需要较大容积的背腔，因此可以大大降低MEMS压电麦克风的整体尺寸，增强了麦克风的可靠性。
本实用新型的MEMS压电麦克风采用了高灵敏度的压电结构来获得检测的电信号，可以补偿由于压电膜刚性带来的对麦克风整体灵敏度的影响，保证了轻薄化麦克风的声学性能。
本实用新型的MEMS麦克风，除了采用表面微加工或者体硅微加工的工艺制造，还可以采用键合的工艺。参考图2，在压电膜远离真空腔4的一侧还设置有第二衬底11，该第二衬底11上对应压电膜中部区域的位置形成有将压电膜露出的空腔。
在制造时，例如通过表面微加工或者体硅微加工的工艺将一部分间隔部形成在第一衬底1上，将压电膜以及压电膜上的另一部分间隔部形成在第二衬底11上，然后通过键合的工艺在真空环境中将两部分间隔部键合在一起，最后对第二衬底进行处理。该第二衬底可以完全去除；也可以形成如图2所示的结构，在该结构中，第二衬底可以起到保护压电膜的作用，也提高了压电麦克风安装的灵活性。
本实用新型的压电麦克风，压电膜产生的电信号需要引出进行处理，压电膜中的电极可以通过引线8连接到第一衬底1的引脚上或者电路布图中。引线8可以延伸至间隔部3的位置，并通过间隔部3往第一衬底1的方向引出。
在本实用新型一个可选的实施方式中，参考图1，第一衬底1上可以集成麦克风的ASIC电路9，可以通过第一衬底1上或者第一衬底1内的电路布图将压电膜与ASIC电路9导通起来，使得压电膜输出的电信号可以经过ASIC电路9进行处理。
本实用新型的MEMS麦克风，由于不需要较大容积的背腔，使得可以完全采用晶圆级封装(WLP)，无需传统的PCB板封装，该麦克风可以直接安装到外部终端上。在本实用新型一个具体的实施方式中，参考图3，在第一衬底1远离真空腔4的一端形成有焊盘13，并可通过金属化通孔12将位于第一衬底1上方的电信号引到焊盘13上，使得MEMS压电麦克风可以通过焊盘13直接安装。
在本实用新型另一个具体的实施方式中，外接的引脚可以形成在第一衬底的上表面(邻近压电膜的一侧)，可通过凸点焊接(植锡球)的方式直接将麦克风安装到外部终端上。
当然，本实用新型的MEMS压电麦克风还可以采用传统封装的结构，例如设置由电路板以及壳体围成的封装结构，MEMS压电麦克风安装在封装结构内，形成传统的顶部封装结构或者顶部封装结构，最终以麦克风模组的形式再安装到外部的终端上。
本实用新型已通过优选的实施方式进行了详尽的说明。然而，通过对前文的研读，对各实施方式的变化和增加也是本领域的一般技术人员所显而易见的。申请人的意图是所有这些变化和增加都落在了本实用新型权利要求所保护的范围中。
相似的编号通篇指代相似的元件。为清晰起见，在附图中可能有将某些线、层、元件、部件或特征放大的情况。
本文中使用的术语仅为对具体的实施例加以说明，其并非意在对本实用新型进行限制。除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)均与本实用新型所属领域的一般技术人员的理解相同。
Claims (10)
1.一种MEMS压电麦克风，其特征在于：包括第一衬底以及通过间隔部支撑在第一衬底上方的压电膜，所述第一衬底、间隔部、压电膜围成了真空腔；其中，压电膜在大气压力下的静态偏转距离小于压电膜与第一衬底之间的距离。
2.根据权利要求1所述的MEMS压电麦克风，其特征在于：所述压电膜包括基材层与基材层复合在一起的至少两个电极，至少两个电极在压电膜的偏转方向上平行间隔布置。
3.根据权利要求2所述的MEMS压电麦克风，其特征在于：所述电极至少设置有三个，相邻两个电极之间形成一可以输出电信号的压电结构。
4.根据权利要求3所述的MEMS压电麦克风，其特征在于：至少三个电极中，其中一个电极形成在基材层的上端面，其中一个电极形成在基材层的下端面。
5.根据权利要求2所述的MEMS压电麦克风，其特征在于：所述基材层、电极通过沉积的方式复合在一起。
6.根据权利要求1所述的MEMS压电麦克风，其特征在于：所述压电膜采用AlN或ZnO2材料。
7.根据权利要求1所述的MEMS压电麦克风，其特征在于：所述压电膜的机械灵敏度为0.02至0.9nm/Pa，所述压电膜和第一衬底之间的初始间隙为1-100μm。
8.根据权利要求1所述的MEMS压电麦克风，其特征在于：还包括ASIC电路，所述ASIC电路集成在第一衬底上。
9.根据权利要求1所述的MEMS压电麦克风，其特征在于：在所述压电膜远离真空腔的一侧还设置有第二衬底，所述第二衬底上对应压电膜中部区域的位置形成有将压电膜露出的空腔。
10.根据权利要求1所述的MEMS压电麦克风，其特征在于：压电膜中的电极通过引线穿过间隔部与第一衬底上的电路布图导通。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN111439719A (zh) * | 2019-01-17 | 2020-07-24 | 悠声股份有限公司 | 多个mems音频转换器的制造方法 |
| WO2022007016A1 (zh) * | 2020-07-10 | 2022-01-13 | 瑞声声学科技(深圳)有限公司 | 一种压电式麦克风及其制备工艺 |
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- 2018-06-25 CN CN201820987340.1U patent/CN208300025U/zh active Active
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