TW202249501A - 雙薄膜壓電微電機系統麥克風 - Google Patents

雙薄膜壓電微電機系統麥克風 Download PDF

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席亞赫 迪米崔維奇 巴蘇科
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美商天工方案公司
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Abstract

本發明揭示一種壓電微電機系統麥克風，其包括：一壓電元件，其經組態以回應於聲波衝擊於該壓電微電機系統麥克風上而變形且產生一電位；一感測電極，其安置在該壓電元件上且經組態以感測該電位；及一被動薄膜，其機械地耦合至該壓電元件之表面以增加該壓電微電機系統麥克風之靈敏度。

Description

雙薄膜壓電微電機系統麥克風
本文中揭示之實施例係關於壓電微電機系統麥克風及包含其等之裝置。
一種微電機系統(MEMS)麥克風係用以將聲壓(例如，語音)轉換成一電信號(例如，電壓)之一微機械電機裝置。MEMS麥克風廣泛應用於行動裝置，諸如蜂巢式電話、耳機、智慧型揚聲器及其他語音介面裝置/系統。電容式MEMS麥克風及壓電MEMS麥克風(PMM)兩者在市場上可購得。PMM不需要偏壓電壓來操作，因此，其等提供比電容式MEMS麥克風更低之功耗。PMM之單薄膜結構使其等通常能夠在惡劣環境中提供比電容式MEMS麥克風更可靠之效能。現有之PMM通常基於隔膜MEMS結構或懸臂MEMS結構。
根據一個態樣，提供一種壓電微電機系統麥克風。該壓電微電機系統麥克風包括：一壓電元件，其經組態以回應於聲波衝擊於該壓電微電機系統麥克風上而變形且產生一電位；一感測電極，其安置在該壓電元件上且經組態以感測該電位；及一被動薄膜，其機械地耦合至該壓電元件之表面以增加該壓電微電機系統麥克風之靈敏度。
在一些實施例中，該被動薄膜藉由具有小於該壓電元件之一表面積及小於該被動薄膜之一表面積之一橫截面積之一柱機械地耦合至該壓電元件之該表面。
在一些實施例中，該柱具有小於當曝露於該壓電微電機系統麥克風額定之一最大聲壓時該壓電元件之一中心位移之一距離之一長度。
在一些實施例中，該壓電元件經機械地固定至包含一聲學埠之一支撐基板，且該被動薄膜在該壓電元件與該聲學埠之間機械地固定至該支撐基板。
在一些實施例中，該壓電微電機系統麥克風進一步包括界定在一支撐件中之一或多個通氣孔，該支撐件將該被動薄膜機械地固定至該支撐基板。
在一些實施例中，該薄膜係用一微機械彈簧機械地固定至該支撐基板。
在一些實施例中，該被動薄膜係用具有比形成該被動薄膜之一材料更大之一順應性之一材料機械地固定至該支撐基板。
在一些實施例中，該被動薄膜具有小於該壓電元件之一表面積之一表面積。
在一些實施例中，該被動薄膜具有大約與該壓電元件之一表面積相同之一表面積。
在一些實施例中，該被動薄膜具有大於該壓電元件之一表面積之一表面積。
在一些實施例中，該被動薄膜在該支撐基板之一放大直徑區域中機械地固定至該支撐基板。
在一些實施例中，該壓電元件具有圍繞其周邊夾持至一支撐基板之一隔膜結構。
在一些實施例中，該被動薄膜係藉由從該被動薄膜之一表面之一中心延伸至該壓電元件之該表面之一中心之一柱機械地耦合至該壓電元件之該表面。
在一些實施例中，該感測電極包含靠近該壓電元件之一中心區域之內電極區域及靠近該壓電元件之該周邊之外電極兩者。
在一些實施例中，該感測電極包含靠近該壓電元件之一中心區域之內電極區域，但缺少靠近該壓電元件之該周邊之外電極。
在一些實施例中，該壓電元件包含壓電材料之一上膜及該壓電材料之一下膜、安置在該上膜之一上表面上之一上感測電極、安置在該下膜之一下表面上之一下感測電極，及安置在該上膜與該下膜之間之一中間感測電極。
在一些實施例中，該壓電元件具有包含複數個懸臂之一懸臂結構，該複數個懸臂之各者具有夾持至一支撐基板之一基底及回應於聲波衝擊於該壓電微電機系統麥克風上而自由垂直位移之一尖端。
在一些實施例中，該被動薄膜藉由從該被動薄膜之一表面延伸至靠近該複數個懸臂之各者之該等尖端之各自區域之柱機械地耦合至該壓電元件。
在一些實施例中，該等柱具有小於該壓電元件之一表面積及小於該被動薄膜之一表面積之一組合橫截面積。
在一些實施例中，該壓電元件包含壓電材料之一上膜及壓電材料之一下膜、安置在該上膜之一上表面上之一上感測電極、安置在該下膜之一下表面上之一下感測電極，及安置在該上膜與該下膜之間之一中間感測電極。
在一些實施例中，該壓電微電機系統麥克風進一步包括界定在該被動薄膜中之一或多個通氣孔。
在一些實施例中，該壓電微電機系統麥克風被包含於一電子裝置中。
某些實施例之以下描述呈現特定實施例之各種描述。然而，本文中描述之創新可以多種不同方式(例如，如藉由發明申請專利範圍定義且涵蓋)體現。在此描述中，參考圖式，其中相同參考數字可指示相同或功能上類似之元件。將理解，圖中繪示之元件不必按比例繪製。再者，將理解，某些實施例可包含多於一圖式中繪示之元件及/或一圖式中繪示之元件之一子組。此外，一些實施例可併入來自兩個或更多個圖式之特徵之任何適合組合。
微電機系統(MEMS)麥克風通常使用類似於用於在半導體晶圓上製造半導體裝置之技術的技術來製造。一種形式之壓電MEMS麥克風(PMM)係一隔膜結構PMM。如圖1A中繪示，一隔膜結構PMM通常包含呈由諸如氮化鋁(AlN)之一壓電材料形成之一薄膜或膜(通常為圓形形狀)形式之一壓電元件。壓電薄膜懸掛在例如由矽形成之一支撐基板中之一腔上方。電極(通常包含內及外電極)安置在壓電膜上，以捕獲壓電膜在其回應於曝露於聲波而變形時跨壓電膜之電壓變化。如圖1B中繪示，壓電膜可包含兩層壓電材料，其中內及外電極安置在上膜層之頂部上、介於上膜層與下膜層之間以及在下膜層之底部上。不同電極可串聯地電連接，以回應於壓電材料膜堆疊歸因於聲波之衝擊之變形產生一輸出電壓。
另一形式之MEMS麥克風係一懸臂型PMM。一懸臂型PMM可包含：一壓電元件，其包含由一壓電材料(例如AlN)形成之一或多個懸臂；及電極，其等安置在壓電懸臂上以拾取回應於懸臂歸因於聲波之衝擊之變形而產生之電壓。如圖2A中繪示，懸臂型PMM可包含一圓形壓電膜，該圓形壓電膜藉由穿過壓電膜之溝槽或切口分成多個餅塊形懸臂。電極可安置在各懸臂之基底區段上。如圖2B中繪示，壓電膜可包含兩層壓電材料，其中電極安置在上膜層之頂部上、介於上膜層與下膜層之間以及在下膜層之底部上。不同電極可串聯地電連接，以回應於壓電材料膜堆疊歸因於聲波之衝擊之變形產生一輸出電壓。
一PMM可封裝在包括安裝在一支撐基板上之壓電膜之一殼體中，通常包含用以容許聲音到達壓電膜層之一孔或輸入埠，以及用於讀取及放大來自PMM之電極之電壓且輸出表示由PMM偵測到之聲音之一信號之電子器件，例如一特定應用積體電路(ASIC)。在圖3中繪示一個實例。
已發現，可藉由在一PMM支撐結構之聲學輸入埠與壓電薄膜之間添加一被動(非電主動)薄膜或板來增加一PMM之靈敏度，該被動(非電主動)薄膜或板經組態以回應於曝露於一給定聲壓而增強施加至壓電薄膜之一界定區域之力。針對一隔膜結構PMM之此之一個實例係在圖4A中繪示。圖4A中之封裝式PMM之結構與圖3之結構之不同之處在於，圖4A中所繪示之結構包含一被動薄膜105，該被動薄膜105藉由高順應性支撐件115 (例如微機械彈簧或波紋材料條)或一順應性材料(例如樹脂、聚矽氧或膠)耦合至支撐結構110之一內壁。支撐件115可橫向地約束被動薄膜105，沿由被動薄膜105之一上或下表面界定之一方向從被動薄膜向外延伸至外殼110之部分，如圖5A中繪示，或可形成用於被動薄膜之錨，沿大體上垂直於由被動薄膜105之上或下表面界定之方向之一方向延伸至外殼110之部分，如圖5B中繪示。在一些實施例中，如圖5C中繪示，一或多個通氣孔V可存在於被動薄膜105或支撐件115中。此等通氣孔可幫助減小或消除PMM外部之環境同被動薄膜105與壓電薄膜120之間的一區域之間的一壓差，該壓差否則可降低PMM之效能。
被動薄膜105具有比支撐件115更大之一剛性或更小之一順應性，並且在一些例項中，當曝露於PMM額定之一最大聲壓時未展現可偵測變形。被動薄膜105可由一金屬(例如鋁或一鋁/錫合金)之一板、一半導體(例如矽)或一介電質(例如二氧化矽或氮化矽)形成。在一些例項中，被動薄膜105可由與支撐結構110之一材料相同之材料形成，此可減小製造複雜性。被動薄膜105藉由一柱125機械地耦合至壓電薄膜120。在一些實施例中，填充有空氣之一間隙130存在於被動薄膜105與壓電薄膜120之間。取決於形成被動薄膜105之材料及被動薄膜之預測彎曲，間隙130可非常窄，例如約1 μm或更大。柱125具有小於柱125從其延伸之被動薄膜105之表面之表面積之一橫截面積，並且小於柱125延伸至之壓電薄膜120之表面之表面積之一橫截面積。柱125可從被動薄膜105之面向壓電薄膜120之表面之中心延伸至壓電薄膜120之面向被動薄膜105之表面之中心。儘管被繪示為機械地耦合至壓電薄膜120之上表面上之內電極，但應理解，PMM可包含在上表面壓電薄膜及電極上之一鈍化層，如圖1B中繪示，並且柱125可機械地耦合至上電極頂部上之鈍化層，而非耦合至上電極自身。
期望被動薄膜105具有一低質量以幫助避免PMM在高頻率下之靈敏度損失，因此期望被動薄膜105形成為儘可能薄，同時具有足夠之剛性及硬度以避免在曝露於高壓聲波時之明顯偏轉，例如，以在曝露於該裝置額定之最高聲壓時展現低於偵測限制或避免被動薄膜105與封裝式系統之其他組件之間的接觸之偏轉。與被動薄膜之質量相關聯之一質量負載效應可影響PMM之諧振頻率，其中被動薄膜之增加質量可導致PMM之一減小的諧振頻率。PMM之一減小的諧振頻率可導致PMM之一減小的聲學範圍，此係因為聲學範圍在高側上可由PMM之諧振頻率限制。另外，一PMM之靈敏度可歸因於一剛性被動薄膜之添加而減小，即除了壓電材料薄膜之外，機械系統與被動薄膜之總順應性可減小，並且PMM之靈敏度可降低。為了解決此問題，本文中揭示之實施例可利用一高順應性之被動薄膜支撐結構，其可使歸因於剛性被動薄膜之存在之任何不利效應可忽略不計。
在圖4A之實例中，歸因於支撐件115的存在，被動薄膜105具有比壓電薄膜120小之一半徑及橫截面積。在其他實例中，被動薄膜105可藉由(例如)放大支撐結構110之前腔110A之直徑而形成為具有與壓電薄膜120之半徑及橫截面積相同或比其更大之一半徑及橫截面積，其中被動薄膜105藉由支撐件115結合至支撐結構110。圖4B中繪示此之一個實例，其中被動薄膜藉由界定在支撐基板之內壁中之放大直徑部分或腔內之支撐件115耦合至支撐基板110。
被動薄膜105與壓電薄膜120及/或支撐結構110之面向被動薄膜105之表面之表面之間的一距離可大於當曝露於裝置額定之最大聲壓時壓電薄膜120之表面之中心之一預期位移。當曝露於該裝置額定之最大聲壓時，壓電薄膜120之表面之中心可位移達大約奈米之一距離，因此被動薄膜105與壓電薄膜120及/或支撐結構110之面向被動薄膜105之表面之表面之間的一距離可至少為一微米，以提供防止被動薄膜105與壓電薄膜120及/或支撐結構110之表面之間的碰撞之一良好安全裕度。因此，柱125可具有約一微米或更大之一長度，以維持被動薄膜105與壓電薄膜120及/或支撐結構110之面向被動薄膜105之表面之表面之間的此距離。
圖6A及圖6B中繪示相較於施加在圖4A中繪示之結構之薄膜上之壓力及力之施加在圖3中繪示之結構之壓電薄膜上之壓力及力之間的一比較。如圖6A中繪示，對於圖3中繪示之結構之壓電薄膜，在無任何被動薄膜的情況下，衝擊於壓電薄膜120上之聲波跨薄膜之整個表面施加一均勻壓力P 0。此壓力導致跨整個薄膜表面施加一均勻力F 0= P 0/A 0，其中A 0係壓電薄膜之表面積πR 0 2。相反，對於圖4A中繪示之結構之薄膜，均勻聲壓P 0被施加至被動薄膜105之外表面(面向PMM之一封裝中之聲學埠之表面)，且藉由柱125轉移至壓電薄膜120。由柱125施加至壓電薄膜120之外表面之壓力P 1乘以被動薄膜105之表面積(對於其中被動薄膜105具有與壓電薄膜120相同之表面積之一實例係A 0)與柱125之橫截面積(A 1)之比。柱125之橫截面積A 1可明顯小於被動薄膜105之表面積A 0，因此對於一給定之所施加聲壓，由柱125施加至壓電薄膜120之外表面之壓力P 1明顯大於施加至圖3中繪示之結構之壓電薄膜之表面之均勻壓力P 0。例如，若壓電薄膜120具有約1 mm之一直徑，則柱125可具有約10 μm與約100 μm之間的一直徑。
在圖7A及圖7B中繪示相較於缺少被動薄膜之圖3之結構之壓電薄膜之位移，施加至包含被動薄膜之圖4A之結構之壓電薄膜之表面中心之增加之壓力對壓電薄膜之位移之效應。圖7A繪示回應於施加1 Pa之一聲壓之無被動薄膜之圖3之結構之壓電薄膜之位移之模擬之結果。圖7B繪示回應於施加1 Pa之一聲壓之具有被動薄膜及柱之圖4A之結構之壓電薄膜之位移之模擬之結果。用1 µm之一模擬柱直徑執行模擬。在圖7A及圖7B之圖表中，Y軸表示單位為nm之壓電薄膜位移，且X軸「弧長」參數表示沿薄膜之表面距薄膜之表面之中心之單位為米之距離，零弧長點位於薄膜之中心。圖3之結構之壓電薄膜之位移在壓電薄膜之中心處達到50 nm之最大值，對應於-38 dB之一靈敏度，而圖4A之結構之壓電薄膜之位移在壓電薄膜之中心處達到190 nm之最大值，對應於-26 dB之一靈敏度，比圖3之結構之壓電薄膜之靈敏度改良12 dB。應理解，達成之靈敏度改良取決於感測器結構、電極最佳化及壓電材料。對於相同之模擬感測器尺寸，在其他實施例中之潛在靈敏度改良可高於20 dB，且若利用比模擬更大之被動薄膜，則超過20 dB。
在圖8A及圖8B中繪示相較於跨缺少被動薄膜之圖3之結構之壓電薄膜之應力分佈，施加至包含被動薄膜之圖4A之結構之壓電薄膜之表面之中心之增加之壓力對跨壓電薄膜之應力分佈之效應。圖8A繪示回應於施加1 Pa之一聲壓之跨無被動薄膜之圖3之結構之壓電薄膜之應力分佈之模擬之結果。圖8B繪示回應於施加1 Pa之一聲壓之跨具有被動薄膜及柱之圖4A之結構之壓電薄膜之應力分佈之模擬之結果，其中一模擬柱直徑為1 µm。在圖8A及圖8B之圖表中，Y軸表示跨壓電薄膜之不同位置處之單位為MPa之應力張量，且X軸「弧長」參數表示沿薄膜之表面距薄膜之表面的中心之單位為米之距離。「solid.s Top」曲線表示跨上壓電膜之上表面之應力。「solid.s Mid1」曲線表示跨上壓電膜之一中線之應力。「solid.s Mid2」曲線表示跨下壓電膜之一中線之應力。「solid.s Bot」曲線表示跨下壓電膜之下表面之應力。圖8A及圖8B之圖表中之曲線之不連續性對應於安置在對應PMM結構之薄膜上之電極之邊緣之位置。圖8B之曲線中之不連續性與圖8A之曲線中之不連續性之位置不同，此係因為針對圖4A之結構模擬電極位置之最佳化，自圖4A之該結構繪示圖8B中繪示之模擬結果。
比較圖8A及圖8B之圖表，可見，在包含被動薄膜之圖4A之結構之壓電膜之中心處之頂部及底部表面中展現明顯大於在圖3之結構之壓電膜之中心之頂部及底部表面處展現之0.15 MPA之最大應力之3.5MPa之一應力。由於薄膜之變形，一更大之應力對應於在壓電薄膜中產生之一更大量之電荷分佈及電壓，及一更大之靈敏度。因此，圖8A及圖8B之圖表確認，包含被動薄膜之圖4A之結構之靈敏度明顯大於缺少被動薄膜之圖3之結構之靈敏度。
圖8A及圖8B之圖表亦展示在更接近壓電薄膜之周邊之區域中相比，靠近壓電薄膜之中心之區域中產生一明顯更大應力。壓電薄膜中較高應力之區域產生比具有較低應力之區域更高之電荷。圖8A及圖8B中繪示之模擬之結果因此指示與內電極相比，外電極可對PMM結構之總輸出信號(電壓)貢獻較少。因此，在一些實施例中，外電極可從PMM結構省略。外電極之移除可減少電極結構之總電容，且減少壓電薄膜之質量負載，此可(例如)藉由尤其在較高頻率下增加諧振頻率及靈敏度而提供PMM裝置之改良效能。
用於增加一隔膜型PMM之靈敏度之上文描述之結構及方法亦可應用於增加一懸臂型PMM之靈敏度。圖9繪示一懸臂型PMM之一橫截面，該懸臂型PMM包含藉由柱225耦合至懸臂型PMM之懸臂220之一被動薄膜205。被動薄膜205可藉由每懸臂至少一個柱225附接至懸臂型PMM之各懸臂或懸臂之一子組之自由端或靠近自由端。柱225可具有小於懸臂220之一組合表面積及小於被動薄膜205之一表面積之一組合橫截面積。
儘管被繪示為機械地耦合至懸臂PMM之懸臂之內電極，但應理解，懸臂PMM可包含上表面壓電薄膜懸臂及電極上之一鈍化層，如圖2B中繪示，並且柱225可機械地耦合至電極之頂部上之鈍化層，而非耦合至電極自身。
上文對上述隔膜型PMM之被動薄膜105、柱125及壓電薄膜120以及外殼之材料、尺寸及其他參數之討論可同樣適用於包含一被動薄膜205之一懸臂型PMM之實例。
除了增加如本文中揭示之一PMM之靈敏度之外，一被動薄膜亦可增加一PMM之可靠性。被動薄膜可被放置在壓電薄膜與PMM之一封裝之一聲學埠之間。被動薄膜可阻擋潛在破壞性物質，例如，水分、灰塵或其他顆粒物質進入聲學埠且到達壓電薄膜，其中此等物質可以其他方式使薄膜之壓電材料或電極之材料降級，使電極短路，或給壓電薄膜增加重量，此可使其頻率回應降級。
如本文中揭示之MEMS麥克風之實例可在各種封裝式模組及裝置中實施。圖10係根據特定實施例之一繪示性裝置500之一示意性方塊圖。
無線裝置500可為一蜂巢式電話、智慧型電話、平板電腦、數據機、通信網路或經組態用於語音或資料通信之任何其他可攜式或非可攜式裝置。無線裝置500可接收且傳輸來自天線510之信號。無線裝置包含一前端模組400之一實施例。前端模組400包含一天線雙工器410、一天線開關440，其可經組態以在不同頻帶或模式(諸如，例如傳輸及接收模式)之間切換。一天線510連接至天線開關440。在圖10中繪示之實例中，天線開關440定位於雙工器410與天線510之間；然而，在其他實例中，雙工器410可定位於天線開關440與天線510之間。在其他實例中，天線開關440及雙工器410可整合至一單一組件中。
前端模組400進一步包含連接至雙工器410之一傳輸器電路432及連接至雙工器410之一接收器電路434。傳輸器電路432可產生用於經由天線510傳輸之信號，且接收器電路434可接收且處理經由天線510接收之信號。在一些實施例中，接收器及傳輸器電路經實施為分開的組件，如圖10中展示，然而，在其他實施例中，此等組件可整合至一共同收發器電路或模組中。如熟習此項技術者將瞭解，前端模組400可包含圖10中未繪示之其他組件，包含但不限於開關、電磁耦合器、放大器、處理器及類似者。
前端模組400包含經組態以產生用於傳輸之信號或處理接收之信號之一收發器430。收發器430可包含：傳輸器電路432，其可連接至雙工器410之一輸入節點；及接收器電路434，其可連接至雙工器410之一輸出節點。
由傳輸器電路432產生用於傳輸之信號藉由一功率放大器(PA)模組450接收，該功率放大器(PA)模組450放大來自收發器430之所產生信號。功率放大器模組450可包含一或多個功率放大器。功率放大器模組450可用於放大各種RF或其他頻帶傳輸信號。例如，功率放大器模組450可接收一啟用信號，該啟用信號可用於脈波發送功率放大器之輸出以幫助傳輸一無線區域網路(WLAN)信號或任何其他適當脈波發送信號。功率放大器模組450可經組態以放大各種類型之信號之任一者，包含例如一全球行動通信系統(GSM)信號、一分碼多重存取(CDMA)信號、一W-CDMA信號、一長期演進(LTE)信號或一EDGE信號。在特定實施例中，功率放大器模組450及相關聯組件(包含開關及類似者)可使用(例如)高電子遷移率電晶體(pHEMT)或絕緣閘雙極性電晶體(BiFET)製造於砷化鎵(GaAs)基板上或使用互補金屬氧化半導體(CMOS)場效電晶體製造於一矽基板上。
仍然參考圖10，前端模組400可進一步包含一低雜訊放大器模組460，該低雜訊放大器模組460放大來自天線510之所接收信號且將經放大之信號提供至收發器430之接收器電路434。
圖10之無線裝置500進一步包含一功率管理子系統520，該功率管理子系統520經連接至收發器430且管理用於操作無線裝置500之功率。功率管理系統520亦可控制無線裝置500之一基頻帶子系統530及各種其他組件之操作。功率管理系統520可包含一電池(未展示)，或可連接至該電池，該電池為無線裝置500之各種組件供電。功率管理系統520可進一步包含例如可控制信號之傳輸之一或多個處理器或控制器。在一項實施例中，基頻帶子系統530經連接至一使用者介面540以促進提供給使用者及從使用者接收之語音及/或資料之各種輸入及輸出。使用者介面540可包含一麥克風M，該麥克風M可為如本文中揭示之一PMM之一實施例。基頻帶子系統530亦可連接至記憶體550，該記憶體550經組態以儲存資料及/或指令以促進無線裝置之操作及/或提供使用者之資訊之儲存。可與行動裝置(諸如蜂巢式手機)相關聯地實施上文描述之任一實施例。
實施例之原理及優點可用於可獲益於本文中描述之任一實施例之任何系統或設備(諸如任何上行鏈路無線通信裝置)。本文中之教示可應用於各種系統。雖然本發明包含一些實例實施例，但本文中描述之教示可應用至各種結構。可與經組態以處理在自約30 kHz至10 GHz之一範圍中(諸如在X或Ku 5G頻帶中)之信號之RF電路相關聯地實施本文中論述之任一原理及優點。
本發明之態樣可在各種電子裝置中實施。電子裝置之實例可包含但不限於消費者電子產品、消費者電子產品之部分，諸如封裝式射頻模組、上行鏈路無線通信裝置、無線通信基礎設施、電子測試裝備等。電子裝置之實例可包含但不限於一行動電話(諸如一智慧型電話)、一可穿戴運算裝置(諸如一智慧型手錶或一耳機)、一電話、一電視機、一電腦監視器、一電腦、一數據機、一手持式電腦、一膝上型電腦、一平板電腦、一微波、一冰箱、一車輛電子系統(諸如一汽車電子系統)、一立體聲系統、一數位音樂播放器、一無線電、一攝影機(諸如一數位攝影機)、一可攜式記憶體晶片、一洗衣機、一烘乾機、一洗衣/烘乾機、一影印機、一傳真機、一掃描儀、一多功能周邊裝置、一腕錶、一時鐘等。此外，電子裝置可包含未完工產品。
除非內容脈絡另外明確要求，否則貫穿描述及發明申請專利範圍，字詞「包括(comprise)」、「包括(comprising)」、「包含(include)」、「包含(including)」及類似物應被解釋為一包含性含義，而非一排他性或窮舉性含義；即，「包含但不限於」之涵義。如本文中通常使用，字詞「耦合」係指可直接連接或藉由一或多個中間元件連接之兩個或更多個元件。同樣地，如本文中通常使用，字詞「連接」係指可直接連接或藉由一或多個中間元件連接之兩個或更多個元件。另外，當在此申請案中使用時，字詞「本文中」、「上文」、「下文」及類似含義之字詞應係指此申請案之整體且非此申請案之任何特定部分。在內容脈絡允許之情況下，上文實施方式中之使用單數或複數之字詞亦可分別包含複數或單數。參考兩個或更多個品項之一清單之字詞「或」涵蓋字詞之全部下列解釋：清單中之任一項目、清單中之全部項目及清單中之項目之任何組合。
再者，除非另外明確規定或另外在如所使用之內容脈絡內理解，否則本文中使用之條件用語(尤其諸如「可」、「可以」、「會」、「可能」、「例如」、「舉例而言」、「諸如」及類似物)通常旨在傳達某些實施例包含而其他實施例不包含某些特徵、元件及/或狀態。因此，此條件用語通常不旨在暗示一或多項實施例以任何方式需要特徵、元件及/或狀態或一或多項實施例一定包含用於在作者輸入或提示或無作者輸入或提示之情況下決定是否在任何特定實施例中包含或待執行此等特徵、元件及/或狀態之邏輯。
雖然已描述特定實施例，但已僅藉由實例呈現此等實施例，且此等實施例不旨在限制本發明之範疇。實際上，在本文中描述之新穎設備、方法及系統可體現為各種其他形式；此外，可在不脫離本發明之精神之情況下在本文中描述之方法及系統之形式中作出各種省略、替換及改變。例如，雖然按一給定配置呈現方塊，但替代實施例可用不同組件及/或電路拓撲執行類似功能性，且可刪除、移動、添加、細分、組合及/或修改一些方塊。可以各種不同方式實施此等方塊之各者。上文描述之各種實施例之元件及動作之任何適當組合可經組合以提供進一步實施例。隨附發明申請專利範圍及其等之等效物旨在涵蓋如將落於本發明之範疇及精神內之此等形式或修改。
105:被動薄膜 110:支撐結構/外殼 110A:前腔 115:支撐件 120:壓電薄膜 125:柱 130:間隙 205:被動薄膜 220:懸臂 225:柱 400:前端模組 410:天線雙工器 430:收發器 432:傳輸器電路 434:接收器電路 440:天線開關 450:功率放大器(PA)模組 460:低雜訊放大器模組 500:無線裝置 510:天線 520:功率管理系統/功率管理子系統 530:基頻帶子系統 540:使用者介面 550:記憶體
現在將藉由非限制性實例參考隨附圖式描述本發明之實施例。
圖1A係一隔膜型壓電MEMS麥克風之一平面視圖；
圖1B係一隔膜型壓電MEMS麥克風之一橫截面視圖；
圖2A係一懸臂型壓電MEMS麥克風之一平面視圖；
圖2B係一懸臂型壓電MEMS麥克風之一橫截面視圖；
圖3繪示一封裝式壓電MEMS麥克風之一實例；
圖4A繪示一封裝式壓電MEMS麥克風之另一實例；
圖4B繪示一封裝式壓電MEMS麥克風之另一實例；
圖5A繪示用於將一被動薄膜安裝在一封裝式壓電MEMS麥克風之一外殼中之支撐結構之不同選項；
圖5B繪示用於將一被動薄膜安裝在一封裝式壓電MEMS麥克風之一外殼中之支撐結構之額外選項；
圖5C繪示一壓電MEMS麥克風結構中之通氣孔之可能位置；
圖6A繪示歸因於施加至隔膜型壓電MEMS麥克風之聲音跨一隔膜型壓電MEMS麥克風之一實例之一壓電薄膜之一壓力分佈；
圖6B繪示歸因於施加至隔膜型壓電MEMS麥克風之聲音跨包含一被動薄膜之一隔膜型壓電MEMS麥克風之一實例之一壓電薄膜之一壓力分佈；
圖7A係歸因於施加之聲壓之一隔膜型壓電MEMS麥克風之一實例之一壓電薄膜之位移之一模擬之結果之一圖表；
圖7B係歸因於施加之聲壓之包含一被動薄膜之一隔膜型壓電MEMS麥克風之一實例之一壓電薄膜之位移之一模擬之結果之一圖表；
圖8A係歸因於施加之聲壓之跨一隔膜型壓電MEMS麥克風之一實例之一壓電薄膜之應力分佈之一模擬之結果之一圖表；
圖8B係歸因於施加之聲壓之跨包含一被動薄膜之一隔膜型壓電MEMS麥克風之一實例之一壓電薄膜之應力分佈之一模擬之結果之一圖表；
圖9係包含一被動薄膜之一懸臂型壓電MEMS麥克風之一實例之一橫截面；及
圖10係包含一壓電MEMS麥克風之一無線裝置之一個實例之一方塊圖，該壓電MEMS麥克風包含一被動薄膜。
105:被動薄膜
110:支撐結構/外殼
110A:前腔
115:支撐件
120:壓電薄膜
125:柱
130:間隙

Claims (22)

  1. 一種壓電微電機系統麥克風，其包括： 一壓電元件，其經組態以回應於聲波衝擊於該壓電微電機系統麥克風上而變形且產生一電位； 一感測電極，其安置在該壓電元件上且經組態以感測該電位；及 一被動薄膜，其機械地耦合至該壓電元件之表面。
  2. 如請求項1之壓電微電機系統麥克風，其中該被動薄膜藉由具有小於該壓電元件之一表面積及小於該被動薄膜之一表面積之一橫截面積之一柱機械地耦合至該壓電元件之該表面。
  3. 如請求項1之壓電微電機系統麥克風，其中該柱具有小於當曝露於該壓電微電機系統麥克風額定之一最大聲壓時該壓電元件之一中心位移之一距離之一長度。
  4. 如請求項1之壓電微電機系統麥克風，其中該壓電元件經機械地固定至包含一聲學埠之一支撐基板，且該被動薄膜在該壓電元件與該聲學埠之間機械地固定至該支撐基板。
  5. 如請求項4之壓電微電機系統麥克風，其進一步包括界定在一支撐件中之一或多個通氣孔，該支撐件將該被動薄膜機械地固定至該支撐基板。
  6. 如請求項4之壓電微電機系統麥克風，其中該薄膜係用一微機械彈簧機械地固定至該支撐基板。
  7. 如請求項4之壓電微電機系統麥克風，其中該被動薄膜係用具有比形成該被動薄膜之一材料更大之一順應性之一材料機械地固定至該支撐基板。
  8. 如請求項1之壓電微電機系統麥克風，其中該被動薄膜具有小於該壓電元件之一表面積之一表面積。
  9. 如請求項1之壓電微電機系統麥克風，其中該被動薄膜具有大約與該壓電元件之一表面積相同之一表面積。
  10. 如請求項1之壓電微電機系統麥克風，其中該被動薄膜具有大於該壓電元件之一表面積之一表面積。
  11. 如請求項10之壓電微電機系統麥克風，其中該被動薄膜在該支撐基板之一放大直徑區域中機械地固定至該支撐基板。
  12. 如請求項1之壓電微電機系統麥克風，其中該壓電元件具有圍繞其周邊夾持至一支撐基板之一隔膜結構。
  13. 如請求項12之壓電微電機系統麥克風，其中該被動薄膜藉由從該被動薄膜之一表面之一中心延伸至該壓電元件之該表面之一中心之一柱機械地耦合至該壓電元件之該表面。
  14. 如請求項12之壓電微電機系統麥克風，其中該感測電極包含靠近該壓電元件之一中心區域之內電極區域及靠近該壓電元件之周邊之外電極兩者。
  15. 如請求項12之壓電微電機系統麥克風，其中該感測電極包含靠近該壓電元件之一中心區域之內電極區域，但缺少靠近該壓電元件之該周邊之外電極。
  16. 如請求項12之壓電微電機系統麥克風，其中該壓電元件包含壓電材料之一上膜及壓電材料之一下膜、安置在該上膜之一上表面上之一上感測電極、安置在該下膜之一下表面上之一下感測電極，及安置在該上膜與該下膜之間之一中間感測電極。
  17. 如請求項1之壓電微電機系統麥克風，其中該壓電元件具有包含複數個懸臂之一懸臂結構，該複數個懸臂之各者具有夾持至一支撐基板之一基底及回應於聲波衝擊於該壓電微電機系統麥克風上而自由垂直位移之一尖端。
  18. 如請求項17之壓電微電機系統麥克風，其中該被動薄膜藉由從該被動薄膜之一表面延伸至靠近該複數個懸臂之各者之該等尖端之各自區域之柱機械地耦合至該壓電元件。
  19. 如請求項18之壓電微電機系統麥克風，其中該等柱具有小於該壓電元件之一表面積及小於該被動薄膜之一表面積之一組合橫截面積。
  20. 如請求項17之壓電微電機系統麥克風，其中該壓電元件包含壓電材料之一上膜及該壓電材料之一下膜、安置在該上膜之一上表面上之一上感測電極、安置在該下膜之一下表面上之一下感測電極，及安置在該上膜與該下膜之間之一中間感測電極。
  21. 如請求項1之壓電微電機系統麥克風，其進一步包括界定在該被動薄膜中之一或多個通氣孔。
  22. 如請求項1之壓電微電機系統麥克風，其被包含於一電子裝置中。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11716576B2 (en) 2021-02-19 2023-08-01 Skyworks Solutions, Inc. Dummy electrodes for performance improvement of piezoelectric microelectromechanical system microphones
US11743634B2 (en) * 2021-05-20 2023-08-29 Aac Acoustic Technologies (Shenzhen) Co., Ltd. MEMS microphone
JP2023002319A (ja) * 2021-06-22 2023-01-10 株式会社デンソー Ｍｅｍｓデバイス
US11979712B2 (en) 2021-07-01 2024-05-07 Skyworks Solutions, Inc. Extension structures in piezoelectric microelectromechanical system microphones
DE102022212004A1 (de) * 2022-11-11 2024-05-16 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikroelektromechanischer Lautsprecher

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017125117A1 (de) * 2017-10-26 2019-05-02 USound GmbH Schallwandleranordnung
JP7004268B2 (ja) * 2018-02-15 2022-01-21 新日本無線株式会社 圧電素子
IT201800004758A1 (it) * 2018-04-20 2019-10-20 Trasduttore acustico mems piezoelettrico e relativo procedimento di fabbricazione

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