CN215268716U - 压电式mems麦克风以及电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种压电式MEMS麦克风以及电子设备，麦克风包括：衬底，其内设置有沿上下方向贯穿的音腔；衬底包括设置于音腔内的支撑体；振膜，其设置于音腔的上方；支撑体与振膜相抵，且振膜包括两个朝向支撑体的相对侧延伸的悬臂膜；悬臂膜能相对于支撑体振动，进而产生振动应变；两个压电层叠单元；与两个悬臂膜相对应；压电层叠单元设置于对应的悬臂膜上，压电层叠单元用于根据对应的悬臂膜的振动应变生成电信号，振膜以支撑体为支点形成杠杆结构。本实用新型提供了一种压电式MEMS麦克风以及电子设备，其灵敏度高且能无需形成阵列，指向性高。

Description

压电式MEMS麦克风以及电子设备

技术领域

本实用新型涉及一种压电式MEMS麦克风以及电子设备。

背景技术

本部分的描述仅提供与本实用新型公开相关的背景信息，而不构成现有技术。

目前，麦克风是一种将声音信号转换为电学信号的传感器件。MEMS麦克风为通过微电子和微机械加工技术制造出来的一类麦克风。进一步地，在一些应用场景中，需要使用带高指向性性能的麦克风。例如，在TWS耳机中，用于通话的麦克风需要有高指向性，即只接收人嘴方向发出的声音，而不接收其他方向的声音，从而降低噪声。

现有的TWS耳机中通过两颗麦克风形成阵列来实现高指向性，同时通过后期算法进行处理。但该种方式较复杂且需要多颗麦克风，而通过多颗麦克风形成阵列后指向性仍然不强。另一方面，现有的通过封装得到的压差式麦克风，会牺牲灵敏度，且器件的可靠性低。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本实用新型的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

实用新型内容

基于前述的现有技术缺陷，本实用新型提供了一种压电式MEMS麦克风以及电子设备，其灵敏度高且能无需形成阵列，指向性高。

为了实现上述目的，本实用新型提供了如下的技术方案。一种压电式MEMS麦克风，其包括：衬底，其内设置有沿上下方向贯穿的音腔；所述衬底包括设置于所述音腔内的支撑体；振膜，其设置于所述音腔的上方；所述支撑体与所述振膜相抵，且所述振膜包括两个朝向所述支撑体的相对侧延伸的悬臂膜；所述悬臂膜能相对于所述支撑体振动，进而产生振动应变；两个压电层叠单元；与两个所述悬臂膜相对应；所述压电层叠单元设置于对应的所述悬臂膜上，所述压电层叠单元用于根据对应的所述悬臂膜的振动应变生成电信号，所述振膜以所述支撑体为支点形成杠杆结构，以使当两个所述悬臂膜其中之一产生朝向第一方向的振动应变时另一能产生朝向所述第一方向的反方向的振动应变；进而使两个所述悬臂膜上的所述压电层叠单元均能产生所述电信号。

作为一种优选的实施方式，所述衬底包括围成所述音腔的外框和设置于所述外框内的所述支撑体；所述支撑体将所述音腔分成两个腔室；两个所述腔室与两个所述悬臂膜相对应，所述悬臂膜可振动地设置于对应的所述腔室的上方。

作为一种优选的实施方式，所述支撑体包括靠近所述振膜的缩颈段和位于所述缩颈段远离所述振膜一侧的扩径段；所述扩径段对所述缩颈段进行支撑，以使所述振膜能以所述缩颈段为支点形成杠杆结构。

作为一种优选的实施方式，所述缩颈段的外侧还围设有弹性体；所述弹性体与所述振膜弹性接触。

作为一种优选的实施方式，所述振膜包括围设在两个所述悬臂膜外侧的膜框和位于两个所述悬臂膜之间的连接膜；所述悬臂膜的一端与所述连接膜相连；所述悬臂膜的另一端为可相对于所述连接膜振动的自由端。

作为一种优选的实施方式，所述自由端与所述膜框通过弹簧相连。

作为一种优选的实施方式，还包括：隔音膜，位于所述振膜和所述衬底之间；用于避免所述振膜上方的声音信号传递至所述振膜的下方。

作为一种优选的实施方式，所述压电层叠单元包括至少一个相叠置的压电单元；所述压电单元包括压电薄膜和分别设置于所述压电薄膜上方和下方的顶电极和底电极。

作为一种优选的实施方式，所述压电单元为多个；多个所述压电单元相串联。

作为一种优选的实施方式，所述振膜为压电薄膜。

一种电子设备，所述电子设备配置有如上述的压电式MEMS麦克风。

本实用新型实施例的压电式MEMS麦克风以及电子设备，通过设置衬底、振膜和两个压电层叠单元，其中，衬底包括设置于音腔内的支撑体；振膜包括两个朝向支撑体的相对侧延伸的悬臂膜；振膜以支撑体为支点形成杠杆结构，以使当两个悬臂膜其中之一产生朝向第一方向的振动应变时另一能产生朝向第一方向的反方向的振动应变；进而使两个悬臂膜上的压电层叠单元均能产生电信号；如此两个悬臂膜上的振动应变可相互传递，进而通过两个压电层叠单元所产生的电信号能起到放大某侧声压信号的作用。具体地，使用时，可以将本申请实施方式所述的压电式MEMS麦克风放置在所需收集声音信号的一侧，距离该信号较近的一侧压电层叠单元所产生的电信号减去距离该信号较远的一侧压电层叠单元所产生的电信号，最终可得到指向性更佳的声音。

参照后文的说明和附图，详细公开了本实用新型的特定实施例，指明了本实用新型的原理可以被采用的方式。应该理解，本实用新型的实施例在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本实用新型的实施例包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，与其它实施例中的特征相组合，或替代其它实施例中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本实用新型公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本实用新型的理解，并不是具体限定本实用新型各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本实用新型的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本实用新型。在附图中：

图1为本申请实施方式所述的压电式MEMS麦克风的结构示意图；

图2为本申请实施方式所述的压电式MEMS麦克风的俯视图；

图3为本申请实施方式所述的压电式MEMS麦克风的仰视图。

附图标记说明：

5、衬底；6、音腔；7、支撑体；11、振膜；13、悬臂膜；15、压电层叠单元；17、外框；19、缩颈段；23、扩径段；25、弹性体；27、膜框；41、连接膜；43、弹簧；47、隔音膜；51、压电薄膜；53、顶电极；57、底电极；59、腔室。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

具体的，将图1至图3中所示意的向上的方向定义为“上”，将图1至图3中所示意的向下的方向定义为“下”。

值得注意的是，本说明书中的对各方向定义，只是为了说明本实用新型技术方案的方便，并不限定本实用新型实施例的压电式MEMS麦克风在包括但不限定于使用、测试、运输和制造等等其他可能导致组件方位发生颠倒或者位置发生变换的场景中的方向。

本实用新型实施例提供的压电式MEMS麦克风，其灵敏度高且能无需形成阵列，指向性高。具体的，该压电式MEMS麦克风大致可以包括衬底5、振膜11和两个压电层叠单元15。

在本实施方式中，衬底5内设置有沿上下方向贯穿的音腔6。例如如图1所示，图1示出了本申请实施方式所述的压电式MEMS麦克风的结构示意图。衬底5内设置有音腔6。进一步地，图3示出了本申请实施方式所述的压电式MEMS麦克风的仰视图。进一步地，如图1、图3所示，衬底5包括围成音腔6的外框17。如图3所示，该外框17整体上围成矩形结构。当然该外框17不限于围成矩形结构，还可以是其他的结构，例如正多边形、圆形等，对此本申请不做规定。进一步地，该外框17包括相对设置的第一侧壁和第二侧壁以及位于第一侧壁和第二侧壁之间的第三侧壁和第四侧壁。例如如图3所示，该第一侧壁和第二侧壁沿上下方向相对设置。该第三侧壁和第四侧壁沿左右方向相对设置。该第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁之间围成音腔6。进一步地，衬底5包括设置于音腔6内的支撑体7。也即该支撑体7设置于外框17内。例如如图1所示，支撑体7沿上下方向延伸。支撑体7将音腔6分成两个沿左右方向相间隔的腔室59。进一步地，该支撑体7可以与外框17相连。例如如图3所示，该支撑体7的两侧分别与第一侧壁和第二侧壁相连。或者，该支撑体7可以与外框17通过封装进行固定。进一步地，该衬底5通常为硅。

在本实施方式中，振膜11设置于音腔6的上方。该音腔6为振膜11及其上方的压电层叠单元15的振动提供空间。例如如图3所示，振膜11位于两个腔室59的上方。进一步地，图2为本申请实施方式所述的压电式MEMS麦克风的俯视图。如图2所示，支撑体7与振膜11相抵。具体地，支撑体7位于振膜11的下方。支撑体7对振膜11进行支撑。进一步地，振膜11包括两个朝向支撑体7的相对侧延伸的悬臂膜13。例如如图1所示，两个悬臂膜13沿左右方向相对设置。例如2所示，两个悬臂膜13分别朝向左侧和右侧延伸。进一步地，悬臂膜13能相对于支撑体7振动，进而产生振动应变。如此如图1所示，当需要收集的声音信号从振膜11的上方向下传播至振膜11时，该声音信号会引发悬臂膜13相对于支撑体7振动，进而产生振动应变。更具体地，例如如图1所示，当需要收集的声音信号靠近左侧的悬臂膜13时，当需要收集的声音信号从左侧的悬臂膜13的上方向下传播至左侧的悬臂膜13时，该声音信号会引发左侧的悬臂膜13相对于支撑体7振动，进而左侧的悬臂膜13产生向下的振动应变。而当需要收集的声音信号靠近右侧的悬臂膜13时，当需要收集的声音信号从右侧的悬臂膜13的上方向下传播至右侧的悬臂膜13时，该声音信号会引发右侧的悬臂膜13相对于支撑体7振动，进而右侧的悬臂膜13产生向下振动应变。

进一步地，两个腔室59与两个悬臂膜13相对应。该相对应可以是腔室59的数量与悬臂膜13的数量相等。进一步地，悬臂膜13可振动地设置于对应的腔室59的上方。具体地，如图1所示，左侧的悬臂膜13可振动地设置于左侧的腔室59的上方。右侧的悬臂膜13可振动地设置于右侧的腔室59的上方。如此两个腔室59能分别为对应的悬臂膜13的振动提供空间。进一步地，如图2所示，振膜11包括两个悬臂膜13、围设在两个悬臂膜13外侧的膜框27和位于两个悬臂膜13之间的连接膜41。例如如图2所示，该膜框27整体上围成矩形结构。该膜框27包括相对设置的第一膜壁和第二膜壁以及位于第一膜壁和第二膜壁之间的第三膜壁和第四膜壁。例如如图2所示，该第一膜壁和第二膜壁沿上下方向相对设置。该第三膜壁和第四膜壁沿左右方向相对设置。该第一膜壁、第二膜壁、第三膜壁和第四膜壁之间围成矩形结构。进一步地，如图2所示，该连接膜41的两侧分别与第一膜壁和第二膜壁相连。

进一步地，悬臂膜13的一端与连接膜41相连；悬臂膜13的另一端为可相对于连接膜41振动的自由端。例如如图2所示，左侧的悬臂膜13的右端与连接膜41相连。左侧的悬臂膜13的左端为自由端。从而左侧的悬臂膜13正上方或正下方的灵敏度低于左侧的悬臂膜13两侧的声音灵敏度，即实现了高指向性性能。右侧的悬臂膜13的左端与连接膜41相连。右侧的悬臂膜13的右端为自由端。从而右侧的悬臂膜13正上方或正下方的灵敏度低于右侧的悬臂膜13两侧的声音灵敏度，即实现了高指向性性能。进一步地，自由端与膜框27通过弹簧43相连。例如如图2所示，左侧的悬臂膜13的左端通过两个沿上下方向相间隔的弹簧43与第三膜壁相连。右侧的悬臂膜13的右端通过两个沿上下方向相间隔的弹簧43与第四膜壁相连。

进一步地，振膜11为压电薄膜51。如此通过该压电薄膜51能增加本申请实施方式所述的压电式MEMS麦克风的输出灵敏度。进一步地，振膜11通常为Si、SiO₂、Si₃N₄等无机物或PMMA、PI等有机物。

在本实施方式中，两个压电层叠单元15与两个悬臂膜13相对应。该相对应可以是压电层叠单元15与悬臂膜13的数量相等。压电层叠单元15设置于对应的悬臂膜13上。例如如图2所示，左侧的悬臂膜13上设置有一个压电层叠单元15。右侧的悬臂膜13上设置有一个压电层叠单元15。进一步地，压电层叠单元15用于根据对应的悬臂膜13的振动应变生成电信号。具体地，压电层叠单元15包括至少一个相叠置的压电单元。该至少一个可以是1个或者多个。例如如图1所示，左侧的悬臂膜13上的压电单元为1个。右侧的悬臂膜13上的压电单元为1个。该多个可以是2个、3个、4个等。进一步地，压电单元包括压电薄膜51和分别设置于压电薄膜51上方和下方的顶电极53和底电极57。例如如图1所示，顶电极53设置于压电薄膜51的上方。底电极57设置于压电薄膜51的下方。从而当悬臂膜13振动产生振动应变时，压电薄膜51能感受到该振动应变并产生电信号，且该电信号能通过顶电极53和底电极57向外输出。进一步地，底电极57通常为Pt、Al、Mo等金属。压电薄膜51通常为AlN、PZT、PVDF等材料。顶电极53通常为Pt、Al、Mo等金属。

进一步地，振膜11以支撑体7为支点形成杠杆结构，以使当两个悬臂膜13其中之一产生朝向第一方向的振动应变时另一能产生朝向第一方向的反方向的振动应变；进而使两个悬臂膜13上的压电层叠单元15均能产生电信号。具体地，振膜11以支撑体7为支点形成杠杆结构。也即支撑体7与振膜11之间的接触为线接触，而并非面接触。如此如图1所示，振膜11能以支撑体7为支点进行左右摆动形成杠杆结构。也即左侧的悬臂膜13产生的振动应变可传递到右侧的悬臂膜13。左侧的悬臂膜13产生的振动应变可传递到右侧的悬臂膜13。例如：当声压从左侧进入时，左侧悬臂膜13向下弯曲，左侧压电薄膜51发生拉应变，产生电信号，同时由于支撑体7与振膜11之间的接触为线接触，使得右侧悬臂膜13向上弯曲，右侧压电薄膜51发生压应变，产生电信号。如此通过两个压电层叠单元15所产生的电信号能起到放大某侧声压信号的作用。具体地，使用时，可以将本申请实施方式所述的压电式MEMS麦克风放置在所需收集声音信号的一侧，距离该信号较近的一侧压电层叠单元15所产生的电信号减去距离该信号较远的一侧压电层叠单元15所产生的电信号，最终可得到指向性更佳的声音。

进一步地，支撑体7包括靠近振膜11的缩颈段19和位于缩颈段19远离振膜11一侧的扩径段。例如如图1所示，缩颈段19位于扩径段的上方。进一步地，该支撑体7可以为柱体。具体地，缩颈段19和扩径段均为圆柱体或者棱柱，对此本申请不作规定。进一步地，扩径段对缩颈段19进行支撑，以使振膜11能以缩颈段19为支点形成杠杆结构。也即缩颈段19与振膜11之间的接触为线接触，而并非面接触。如此如图1所示，振膜11能以缩颈段19为支点进行左右摆动形成杠杆结构。也即左侧的悬臂膜13产生的振动应变可传递到右侧的悬臂膜13。左侧的悬臂膜13产生的振动应变可传递到右侧的悬臂膜13。

进一步地，缩颈段19的外侧还围设有弹性体25。弹性体25与振膜11弹性接触。如此该弹性体25一方面对缩颈段19进行保护，另一方面保持缩颈段19与振膜11之间的接触为线接触，而并非面接触。该弹性体25例如可以是海绵等，对此本申请不做规定。

进一步地，本申请实施方式所述的压电式MEMS麦克风还包括：隔音膜47。该隔音膜47位于振膜11和衬底5之间。例如如图1所示，该隔音膜47位于衬底5的上方。且该隔音膜47位于振膜11的下方。进一步地，该隔音膜47用于避免振膜11上方的声音信号传递至振膜11的下方。如此该隔音膜47在声学上隔绝振膜11上方与下方，进而防止声短路，同时可增加器件的低频传感性能。进一步地，该隔音膜47通常为杨氏模量较低的材料，如聚合物PMMA、PI等。

进一步地，压电单元为多个。多个压电单元相串联。如此通过多个压电单元相串联可增加器件的输出灵敏度。

本申请实施例还提供了一种可以配置有上述任意一个实施例所述的压电式MEMS麦克风的电子设备。该电子设备可以包括但不限于移动智能手机、平板电子设备、计算机、GPS导航仪、个人数字助理、智能可穿戴设备，等等。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的实用新型主题的一部分。

Claims (11)

1.一种压电式MEMS麦克风，其特征在于，其包括：

衬底，其内设置有沿上下方向贯穿的音腔；所述衬底包括设置于所述音腔内的支撑体；

振膜，其设置于所述音腔的上方；所述支撑体与所述振膜相抵，且所述振膜包括两个朝向所述支撑体的相对侧延伸的悬臂膜；所述悬臂膜能相对于所述支撑体振动，进而产生振动应变；

两个压电层叠单元；与两个所述悬臂膜相对应；所述压电层叠单元设置于对应的所述悬臂膜上，所述压电层叠单元用于根据对应的所述悬臂膜的振动应变生成电信号，所述振膜以所述支撑体为支点形成杠杆结构，以使当两个所述悬臂膜其中之一产生朝向第一方向的振动应变时另一能产生朝向所述第一方向的反方向的振动应变；进而使两个所述悬臂膜上的所述压电层叠单元均能产生所述电信号。

2.如权利要求1所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述衬底包括围成所述音腔的外框和设置于所述外框内的所述支撑体；所述支撑体将所述音腔分成两个腔室；两个所述腔室与两个所述悬臂膜相对应，所述悬臂膜可振动地设置于对应的所述腔室的上方。

3.如权利要求2所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述支撑体包括靠近所述振膜的缩颈段和位于所述缩颈段远离所述振膜一侧的扩径段；所述扩径段对所述缩颈段进行支撑，以使所述振膜能以所述缩颈段为支点形成杠杆结构。

4.如权利要求3所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述缩颈段的外侧还围设有弹性体；所述弹性体与所述振膜弹性接触。

5.如权利要求1所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述振膜包括两个所述悬臂膜、围设在两个所述悬臂膜外侧的膜框和位于两个所述悬臂膜之间的连接膜；所述悬臂膜的一端与所述连接膜相连；所述悬臂膜的另一端为可相对于所述连接膜振动的自由端。

6.如权利要求5所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述自由端与所述膜框通过弹簧相连。

7.如权利要求1所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，还包括：隔音膜，位于所述振膜和所述衬底之间；用于避免所述振膜上方的声音信号传递至所述振膜的下方。

8.如权利要求1所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于：所述压电层叠单元包括至少一个相叠置的压电单元；所述压电单元包括压电薄膜和分别设置于所述压电薄膜上方和下方的顶电极和底电极。

9.如权利要求8所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于：所述压电单元为多个；多个所述压电单元相串联。

10.如权利要求1所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于：所述振膜为压电薄膜。

11.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备配置有如权利要求1至10中任意一项所述的压电式MEMS麦克风。

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