CN215871837U

CN215871837U - 一种mems结构

Info

Publication number: CN215871837U
Application number: CN202121815115.8U
Authority: CN
Inventors: 李冠华; 刘端
Original assignee: Anhui Aofei Acoustics Technology Co ltd
Current assignee: Anhui Aofei Acoustics Technology Co ltd
Priority date: 2021-08-03
Filing date: 2021-08-03
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2031-08-03

Abstract

本申请提供了一种MEMS结构，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的外围区域；质量块，形成在所述振动支撑层的下方并且位于所述空腔内，或者所述质量块形成在所述压电层上方。综上，本申请所提供MEMS结构的第二电极层仅设置在外围区域，用来驱动振动支撑层、第一电极层、压电层和第二电极层的振动。

Description

一种MEMS结构

技术领域

本申请涉及微机械技术领域，具体来说，涉及一种MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)结构。

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扬声器的输出的声压级频响曲线不平坦，影响了用户听觉体验。

实用新型内容

针对相关技术中的问题，本申请提出了一种MEMS结构，能够输出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MEMS结构，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的外围区域；

质量块，形成在所述振动支撑层的下方并且位于所述空腔内，或者所述质量块形成在所述压电层上方。

其中，所述质量块位于所述压电层上方的中间区域，所述质量块在所述空腔内的投影区域与所述第二电极层在所述空腔内的投影区域不重叠。

其中，所述质量块位于所述振动支撑层的下方，所述质量块在所述空腔内的投影区域与所述第二电极层在所述空腔内的投影区域不重叠。

其中，所述质量块上具有凹槽或通孔，以减小所述质量块的质量。

综上，本申请所提供MEMS结构的第二电极层仅设置在外围区域，用来驱动振动支撑层、第一电极层、压电层和第二电极层的振动。质量块选择密度小、刚度大的材料，如氮化硅(SiN)、氧化铝(Al₂O₃)等。提高质量块的刚度是为了让振动支撑层的中心部分更好地平动，减小质量块的密度是为了获得更大的振动位移。另外，本申请提供的MEMS结构输出的声压级频响曲线平坦，提高了用户的听觉体验。

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MEMS结构的立体图；

图2示出了根据一些实施例提供的MEMS结构的剖面图；

图3示出了根据一些实施例提供的MEMS结构的声压级频响曲线对比图。

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。

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结构可以用于扬声器，但不限用其他传感器或执行器，如麦克风，超声传感器。该MEMS结构包括衬底10、振动支撑层21、第一电极层22、压电层23、第二电极层24和质量块25。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)。

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上方的外围区域。值得注意的是，第二电极层24只覆盖压电层23的外围区域，并不覆盖在压电层23的整个表面上。通过对第一电极层22和第二电极层24施加电压，使得压电层23产生形变，实现电能转换为声能。

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。

在一些实施例中，质量块25形成在振动支撑层21的下方并且位于空腔11内。质量块25在空腔11内的投影区域与第二电极层24在空腔11内的投影区域不重叠。

在一些实施例中，质量块25形成在压电层23上方的中间区域，质量块25在空腔11内的投影区域与第二电极层24在空腔11内的投影区域不重叠。值得注意的是，质量块25选择密度小、刚度大的材料，如氮化硅(SiN)、氧化铝(Al₂O₃)等。或者在质量块25上通过刻槽或通孔的方式，在不改变质量块25的刚度的情况下减小质量块25的质量。提高质量块25的刚度是为了让振动支撑层21的中心部分更好地平动，减小质量块25的密度是为了获得更大的振动位移。

图3示出了在特定材料以及尺寸参数下，图1的具有质量块25的MEMS结构与无质量块25的MEMS结构的声压级频响曲线对比图。其中，衬底10的空腔11半径为5000μm，振动支撑层21的厚度15μm，压电层23厚度2μm，第一电极层22和第二电极层24的厚度0.1μm，第二电极层24的环形电极内外半径差1700μm，圆形质量块25的厚度50μm、半径2500μm。振动支撑层21和质量块25材料为硅(Si)，压电层23为压电陶瓷(PZT)，电极为铝(Al)，施加电压大小为30V，在5cm处测量声压级。

从图3的声压级频响曲线可以看到，无质量块25结构的声压级频响曲线在7400Hz-8400Hz处变化比较剧烈，这是由于相位抵消所导致。而本申请的MEMS结构的质量块25有效消除了相位抵消的影响，使得输出声压及在1700Hz-20000Hz范围内达到了100dB以上，并且相对于无质量块25结构频响曲线更加平坦，提高了听觉效果。

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。

综上，本申请所提供MEMS结构的第二电极层24仅设置在外围区域，用来驱动振动支撑层21、第一电极层22、压电层23和第二电极层24的振动。质量块25选择密度小、刚度大的材料，如氮化硅(SiN)、氧化铝(Al₂O₃)等。提高质量块25的刚度是为了让振动支撑层21的中心部分更好地平动，减小质量块25的密度是为了获得更大的振动位移。另外，本申请提供的MEMS结构输出的声压级频响曲线平坦，提高了用户的听觉体验。

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

1.一种MEMS结构，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的外围区域；

2.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述质量块位于所述压电层上方的中间区域，所述质量块在所述空腔内的投影区域与所述第二电极层在所述空腔内的投影区域不重叠。

3.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述质量块位于所述振动支撑层的下方，所述质量块在所述空腔内的投影区域与所述第二电极层在所述空腔内的投影区域不重叠。

4.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述质量块上具有凹槽或通孔，以减小所述质量块的质量。