TWI644575B - 電聲轉換器 - Google Patents
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Abstract
一種電聲轉換器，包括一基座及至少一振動部。振動部包括一壓電轉換層且連接於基座。壓電轉換層包括一上電極層及一壓電材料層。壓電材料層具有一第一區域及一第二區域，至少部分上電極層配置於第一區域，壓電材料層在第二區域具有多個第一開孔。壓電轉換層適於接收電訊號而變形，以帶動振動部振動而產生對應的聲波，且振動部適於接收聲波而振動，以帶動壓電轉換層變形而產生對應的電訊號。
Description
本發明是有關於一種電聲轉換器，且特別是有關於一種壓電式的電聲轉換器。
電聲轉換器(electro-acoustic transducer)可應用麥克風(microphone)等聲音輸入裝置，且可應用於揚聲器(speaker)等聲音輸出裝置。以壓電式的電聲轉換器而言，係施加電訊號於壓電材料的上下電極而利用壓電材料的壓電效應使其變形，並藉以帶動對應的振動膜振動而產生對應的聲波。反之，亦可施加聲波於振動膜而使對應的壓電材料振動變形，以利用壓電材料的壓電效應而產生對應的電訊號。
消費性電子產品，如智慧型手機(smart phone)、筆記型電腦(notebook computer)、平板電腦(tablet PC)等，一般皆配備麥克風及揚聲器，而在消費者追求高品質及多功能化之消費性電子產品的趨勢下，為了提高產品的市場競爭力，產業界皆希望應用先進技術來開發及製造應用於麥克風及揚聲器的電聲轉換器。因此，如何有效提升聲音輸入/輸出裝置的電聲轉換效能為電聲轉換器研發領域的重要議題。
本發明提供一種電聲轉換器，具有良好的電聲轉換品質。
本發明的電聲轉換器，包括一基座及至少一振動部。振動部包括一壓電轉換層且連接於基座，壓電轉換層包括一上電極層及一壓電材料層。壓電材料層具有一第一區域及一第二區域，至少部分上電極層配置於第一區域，壓電材料層在第二區域具有多個第一開孔。壓電轉換層適於接收電訊號而變形，以帶動振動部振動而產生對應的聲波，且振動部適於接收聲波而振動，以帶動壓電轉換層變形而產生對應的電訊號。
在本發明的一實施例中，上述的各第一開孔貫穿壓電材料層。
在本發明的一實施例中，上述的第二區域藉由這些第一開孔而成為網狀結構。
在本發明的一實施例中，上述的壓電材料層在各振動部與基座的交界處更具有多個第二開孔，第一區域位於這些第一開孔與這些第二開孔之間。
在本發明的一實施例中，上述的各第二開孔貫穿壓電材料層。
在本發明的一實施例中，上述的至少一振動部的數量為多個，各振動部具有兩連接端及一自由端，這些連接端連接於基座，這些自由端彼此分離。
在本發明的一實施例中，上述的基座具有一開口，這些振動部位於開口內，這些連接端連接於開口的內緣。
在本發明的一實施例中，上述的各振動部與開口的內緣之間具有一缺口，缺口位於兩連接端之間。
在本發明的一實施例中，上述的基座具有多個延伸部，這些延伸部連接於開口的內緣且分別對位於這些缺口並分離於這些振動部。
在本發明的一實施例中，上述的上電極層對位於連接端，這些第一開孔對位於自由端。
在本發明的一實施例中，上述的電聲轉換器更包括一連接部，其中至少一振動部的數量為多個，各振動部具有相對的一第一連接端及一第二連接端，這些第一連接端連接於基座，連接部分離於基座且連接這些第二連接端。
在本發明的一實施例中，上述的基座具有一開口，這些振動部及連接部位於開口內，這些第一連接端連接於開口的內緣。
在本發明的一實施例中，上述的這些振動部圍繞連接部。
在本發明的一實施例中，上述的上電極層包括一第一電極區及一第二電極區，第一電極區及第二電極區彼此分離，第一電極區對位於第一連接端而位於第一區域，第二電極區對位於第二連接端及連接部而被第二區域圍繞，這些第一開孔位於第一電極區與第二電極區之間。
在本發明的一實施例中，上述的第一電極區適於接收或輸出一電訊號，第二電極區適於接收或輸出另一電訊號，兩電訊號的相位相反。
在本發明的一實施例中，上述的振動部更包括一承載層，壓電轉換層配置於承載層上，壓電轉換層適於相對於承載層變形以帶動振動部振動，且振動部適於振動以帶動壓電轉換層相對於承載層變形。
在本發明的一實施例中，上述的承載層的材質為非壓電材料。
在本發明的一實施例中，上述的壓電轉換層更包括一下電極層，壓電材料層配置於上電極層與下電極層之間。
基於上述，在本發明的電聲轉換器中，壓電材料層具有多個第一開孔，而振動部可藉由這些第一開孔釋放殘留應力，以避免振動部產生非預期的永久變形，從而提升電聲轉換器的電聲轉換品質。此外，藉由在壓電材料層形成這些第一開孔，可降低振動部的重量以增加其振動時的振幅，從而提升電聲轉換的靈敏度。由於壓電材料層的這些第一開孔是形成於第二區域而非形成於上電極層所在的第一區域，故在振動部的振動過程中，壓電材料層在第一區域的應力變化不會受到這些第一開孔影響，而可達成預期的壓電轉換效果。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是本發明一實施例的電聲轉換器的俯視圖。圖2A是圖1的電聲轉換器沿I-I’線的剖面圖。請參考圖1及圖2A，本實施例的電聲轉換器100例如是微機電製程所製作出的電聲轉換器，可應用於麥克風(microphone)等聲音輸入裝置、揚聲器(speaker)等聲音輸出裝置或超音波傳感器(ultrasound transducer)。電聲轉換器100包括一基座110及多個振動部120(繪示為四個)。各振動部120包括一壓電轉換層122(標示於圖2A)。這些壓電轉換層122適於接收電訊號而變形，以帶動這些振動部120振動而產生對應的聲波。此外，這些振動部120適於接收聲波而振動，以帶動這些壓電轉換層122變形而產生對應的電訊號。
在本實施例中，壓電轉換層122包括一上電極層122a及一壓電材料層122b，壓電材料層122b具有一第一區域Z1(標示於圖2)及一第二區域Z2(標示於圖2)，上電極層122a配置於第一區域Z1，壓電材料層122b在第二區域Z2具有多個第一開孔122b1。藉此，振動部120可藉由這些第一開孔122b1釋放殘留應力，以避免振動部120產生非預期的永久變形，從而提升電聲轉換器100的電聲轉換品質。此外，藉由在壓電材料層122b形成這些第一開孔122b1，可降低振動部120的重量以增加其振動時的振幅，從而提升電聲轉換的靈敏度。由於壓電材料層122b的這些第一開孔122b1是形成於第二區域Z2而非形成於上電極層122a所在的第一區域Z1，故在振動部120的振動過程中，壓電材料層122b在第一區域Z1的應力變化不會受到這些第一開孔122b1影響，而可達成預期的壓電轉換效果。
在本實施例中，壓電材料層122b的第二區域Z2例如藉由這些第一開孔122b1而成為網狀結構。此外，壓電材料層122b在各振動部120與基座110的交界處更具有多個第二開孔122b2，第一區域Z1位於這些第一開孔122b1與這些第二開孔122b2之間。藉此，這些第一開孔122b1的最外圍者與這些第二開孔122b2成為第一區域Z1的邊界，而結構性地將第一區域Z1定義為應力作用區，使各振動部120在振動過程中能夠預期地以第一區域Z1及其上的上電極層122a進行壓電轉換。圖2B繪示圖2A的基座110的底部非預期地過度蝕刻(over etching)。具體而言，若基座110的底部如圖2B所示過度蝕刻而導致振動部120的邊界非預期地擴大，定義了第一區域Z1之邊界的這些第一開孔122b1及這些第二開孔122b2可維持所述應力作用區的範圍，而不致因基座110的底部過度蝕刻使所述應力作用區擴大。
在本實施例中，各第一開孔122b1及各第二開孔122b2例如皆貫穿壓電材料層122b，以達到較佳的應力釋放效果及重量減輕效果，然本發明不以此為限。在其他實施例中，各第一開孔122b1可不貫穿壓電材料層122b，且各第二開孔122b2可不貫穿壓電材料層122b。
在本實施例中，各振動部120具有的兩連接端120a及一自由端120b。這些連接端120a連接於基座110，這些自由端120b彼此分離。在此配置方式之下，在一體化的基座110及振動部120被製作出之後，其整體結構中之非預期的內應力可藉由所述自由端120b被釋放。從而，當輸入電訊號至壓電轉換層122而帶動振動部120振動並產生對應的聲波時，不致因所述內應力而影響聲波輸出的準確度。此外，當振動部120接收聲波而帶動壓電轉換層122變形並產生對應的電訊號時，不致因所述內應力而影響電訊號輸出的準確度。如此一來，可使電聲轉換器100具有良好的電聲轉換品質。
在本實施例中，基座110如圖1所示具有一開口112，這些振動部120位於開口112內，這些連接端120a連接於開口112的內緣。各振動部120與開口112的內緣之間具有一缺口N，缺口N位於兩連接端120a之間，使振動部120藉由彼此分離的兩連接端120a而成為兩端支撐的振動結構。基座110具有多個延伸部114(繪示為四個)，這些延伸部114連接於開口112的內緣且分別對位於這些缺口N並分離於這些振動部120。藉由延伸部114來遮蔽兩連接端120a之間的缺口N，可避免聲波透過缺口N而損失。
此外，本實施例的各振動部120如圖2所示更包括一承載層124，壓電轉換層122配置於承載層124上，壓電轉換層122適於接收電訊號而相對於承載層124伸縮變形以帶動振動部120振動，且振動部120適於接收聲波而振動以帶動壓電轉換層122相對於承載層124伸縮變形，據以使壓電轉換層122產生電訊號。承載層124例如是絕緣體上矽晶(silicon on insulator，SOI)形式的結構層(device layer)或由其他適當的非壓電材料所構成，然本發明不以此為限。基座110亦例如是絕緣體上矽晶(silicon on insulator，SOI)形式的基板層(handle layer)或由其他適當材料所構成，本發明不對此加以限制。
更詳細而言，本實施例的各壓電轉換層122更包括一下電極層122c，壓電材料層122b配置於上電極層122a與下電極層122c之間。上電極層122a的材質例如是但不限制為金(Au)，上電極層122a對位於連接端120a，這些第一開孔122b1對位於自由端120b。下電極層122c的材質例如是但不限制為鉑(Pt)。此外，上電極層122a及下電極層122c更延伸至基座110並在基座110處分別具有電極E3及電極E4。電聲轉換器100可藉由上電極層122a、上電極層122a的電極E3、下電極層122c的電極E4而輸入或輸出電訊號。
圖3是本發明另一實施例的電聲轉換器的俯視圖。在圖3的電聲轉換器200中，基座210、開口212、延伸部214、振動部220、連接端220a、自由端220b、上電極層222a、第一開孔222b1、第二開孔222b2、電極E3’、電極E4’、缺口N’、溝槽T’的配置與作用方式類似圖1的基座110、開口112、延伸部114、振動部120、連接端120a、自由端120b、上電極層122a、第一開孔122b1、第二開孔122b2、電極E3、電極E4、缺口N、溝槽T的配置與作用方式，於此不再贅述。電聲轉換器200與電聲轉換器100的不同處在於，缺口N’及延伸部214的形狀為半圓形而非如圖1所示為三角形。在其他實施例中，缺口及延伸部可為其他適當形狀，本發明不對此加以限制。
圖4是本發明另一實施例的電聲轉換器的俯視圖。圖5是圖4的電聲轉換器沿I-I’線的剖面圖。在圖4及圖5的電聲轉換器300中，基座310、開口312、振動部320、壓電轉換層322、上電極層322a、壓電材料層322b、下電極層322c、第一開孔322b1、第二開孔322b2、承載層324、電極E3”、電極E4”、溝槽T”、第一區域Z1’、第二區域Z2’的配置與作用方式類似於圖1及圖2的基座110、開口112、振動部120、壓電轉換層122、上電極層122a、壓電材料層122b、下電極層122c、第一開孔122b1、第二開孔122b2、承載層124、電極E3、電極E4、溝槽T、第一區域Z1、第二區域Z2的配置與作用方式，於此不再贅述。
電聲轉換器300與電聲轉換器100的不同處在於，各振動部320具有相對的一第一連接端320a及一第二連接端320b。這些第一連接端320a連接於基座310。電聲轉換器300更包括一連接部330，連接部330分離於基座310且連接這些第二連接端320b，連接部330位於開口312內，這些第一連接端320a連接於開口312的內緣，且這些振動部320圍繞連接部330。在此配置方式之下，各振動部320的第一連接端320a及第二連接端320b皆非自由端，當接收聲波或電訊號制動時可使第一連接端320a與第二連接端320b產生反向應力。
藉此，可在第一連接端320a及第二連接端320b分別輸入相位相反的交流電訊號至壓電轉換層322，使壓電轉換層322在第一連接端320a及第二連接端320b分別產生應變來帶動振動部320振動，而以差分的電訊號方式進行輸入於電聲轉換器300，從而提升聲波輸出的強度及準確度。此外，當振動部320接收聲波而帶動壓電轉換層322變形時，壓電轉換層322在第一連接端320a及第二連接端320b會分別產生應變及相位相反的交流電訊號，而以差分的電訊號方式進行輸出，從而提升電訊號輸出的強度及準確度。如此一來，可使電聲轉換器100具有良好的電聲轉換品質。
更詳細而言，上電極層322a包括一第一電極區E1及一第二電極區E2，第一電極區E1及第二電極區E2彼此分離，第一電極區E1對位於第一連接端320a而位於第一區域Z1’，第二電極區E2對位於第二連接端320b及連接部330而被第二區域Z2’圍繞，這些第一開孔322b1位於第一電極區E1與第二電極區E2之間。
圖6是本發明另一實施例的電聲轉換器的俯視圖。在圖6的電聲轉換器400中，振動部420、上電極層422a、第一開孔422b1、第二開孔422b2的配置與作用方式類似圖1的振動部120、上電極層122a、第一開孔122b1、第二開孔122b2的配置與作用方式，於此不再贅述。電聲轉換器400與電聲轉換器100的不同處在於，振動部420不具有溝槽而為單一振動部。
以下將以圖1所示電聲轉換器100為例，說明其製造流程。圖7A至圖7D是圖1的電聲轉換器的製造流程圖，其對應於圖1的電聲轉換器100沿I-I’線的剖面。首先，如圖7A所示在一基材50上形成下電極層122c及壓電材料層122b。接著，如圖7B所示在壓電材料層122b上形成第一開孔122b1及第二開孔122b2。如圖7C所示在壓電材料層122b上形成上電極層122a，上電極層122a、壓電材料層122b及下電極層122c構成壓電轉換層122，且上電極層122a及下電極層122c分別具有電極E3及電極E4，上電極層122a、上電極層122a的電極E3、下電極層122c的電極E4例如為共面。如圖7D所示在基材50及壓電轉換層122形成溝槽T，並如圖2所示移除部分基材50，以區隔出振動部120及延伸部114。例如是藉由乾蝕刻(dry etching)製程來形成溝槽T，使溝槽T具有較小寬度以避免聲波透過溝槽T而損失。然本發明不以此為限，亦可藉由離子研磨(ion milling)製程或深反應離子蝕刻(deep reactive ion etch，DRIE)製程來形成溝槽T。
綜上所述，在本發明的電聲轉換器中，壓電材料層具有多個第一開孔，而振動部可藉由這些第一開孔釋放殘留應力，以避免振動部產生非預期的永久變形，從而提升電聲轉換器的電聲轉換品質。此外，藉由在壓電材料層形成這些第一開孔，可降低振動部的重量以增加其振動時的振幅，從而提升電聲轉換的靈敏度。由於壓電材料層的這些第一開孔是形成於第二區域而非形成於上電極層所在的第一區域，故在振動部的振動過程中，壓電材料層在第一區域的應力變化不會受到這些第一開孔影響，而可達成預期的壓電轉換效果。再者，壓電材料層的這些第一開孔的最外圍者與壓電材料層的這些第二開孔成為第一區域的邊界，而結構性地將第一區域定義為應力作用區，使各振動部在振動過程中能夠預期地以第一區域及其上的上電極層進行壓電轉換。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
50‧‧‧基材
100、200、300、400‧‧‧電聲轉換器
110、210、310‧‧‧基座
112、212、312‧‧‧開口
114、214‧‧‧延伸部
120、220、320、420‧‧‧振動部
120a、220a‧‧‧連接端
120b、220b‧‧‧自由端
122、322‧‧‧壓電轉換層
122a、222a、322a、422a‧‧‧上電極層
122b、322b‧‧‧壓電材料層
122b1、222b1、322b1、422b1‧‧‧第一開孔
122b、222b2、322b2、422b2‧‧‧第二開孔
122c、322c‧‧‧下電極層
124、324‧‧‧承載層
320a‧‧‧第一連接端
320b‧‧‧第二連接端
E3、E4、E3’、E3”、E4’、E4”‧‧‧電極
N、N’‧‧‧缺口
T、T’、T”‧‧‧溝槽
Z1、Z1’‧‧‧第一區域
Z2、Z2’‧‧‧第二區域
圖1是本發明一實施例的電聲轉換器的俯視圖。 圖2A是圖1的電聲轉換器沿I-I’線的剖面圖。 圖2B繪示圖2A的基座110的底部非預期地過度蝕刻。 圖3是本發明另一實施例的電聲轉換器的俯視圖。 圖4是本發明另一實施例的電聲轉換器的俯視圖。 圖5是圖4的電聲轉換器沿I-I’線的剖面圖。 圖6是本發明另一實施例的電聲轉換器的俯視圖。 圖7A至圖7D是圖1的電聲轉換器的製造流程圖。
Claims (17)
- 一種電聲轉換器，包括：一基座；以及至少一振動部，該振動部包括一壓電轉換層且連接於該基座，該壓電轉換層包括一上電極層及一壓電材料層，該壓電材料層具有一第一區域及一第二區域，至少部分該上電極層配置於該第一區域，該壓電材料層在該第二區域具有多個第一開孔，該壓電轉換層適於接收電訊號而變形，以帶動該振動部振動而產生對應的聲波，且該振動部適於接收聲波而振動，以帶動該壓電轉換層變形而產生對應的電訊號，其中該至少一振動部的數量為多個，各該振動部具有兩連接端及一自由端，該些連接端連接於該基座，該些自由端彼此分離。
- 如申請專利範圍第1項所述的電聲轉換器，其中各該第一開孔貫穿該壓電材料層。
- 如申請專利範圍第1項所述的電聲轉換器，其中該第二區域藉由該些第一開孔而成為網狀結構。
- 如申請專利範圍第1項所述的電聲轉換器，其中該壓電材料層在各該振動部與該基座的交界處更具有多個第二開孔，該第一區域位於該些第一開孔與該些第二開孔之間。
- 如申請專利範圍第4項所述的電聲轉換器，其中各該第二開孔貫穿該壓電材料層。
- 如申請專利範圍第1項所述的電聲轉換器，其中該基座具有一開口，該些振動部位於該開口內，該些連接端連接於該開口的內緣。
- 如申請專利範圍第6項所述的電聲轉換器，其中各該振動部與該開口的內緣之間具有一缺口，該缺口位於該兩連接端之間。
- 如申請專利範圍第7項所述的電聲轉換器，其中該基座具有多個延伸部，該些延伸部連接於該開口的內緣且分別對位於該些缺口並分離於該些振動部。
- 如申請專利範圍第1項所述的電聲轉換器，其中該上電極層對位於該連接端，該些第一開孔對位於該自由端。
- 如申請專利範圍第1項所述的電聲轉換器，更包括一連接部，其中該至少一振動部的數量為多個，各該振動部具有相對的一第一連接端及一第二連接端，該些第一連接端連接於該基座，該連接部分離於該基座且連接該些第二連接端。
- 如申請專利範圍第10項所述的電聲轉換器，其中該基座具有一開口，該些振動部及該連接部位於該開口內，該些第一連接端連接於該開口的內緣。
- 如申請專利範圍第10項所述的電聲轉換器，其中該些振動部圍繞該連接部。
- 如申請專利範圍第10項所述的電聲轉換器，其中該上電極層包括一第一電極區及一第二電極區，該第一電極區及該第 二電極區彼此分離，該第一電極區對位於該第一連接端而位於該第一區域，該第二電極區對位於該第二連接端及該連接部而被該第二區域圍繞，該些第一開孔位於該第一電極區與該第二電極區之間。
- 如申請專利範圍第13項所述的電聲轉換器，其中該第一電極區適於接收或輸出一電訊號，該第二電極區適於接收或輸出另一電訊號，該兩電訊號的相位相反。
- 如申請專利範圍第1項所述的電聲轉換器，其中該振動部更包括一承載層，該壓電轉換層配置於該承載層上，該壓電轉換層適於相對於該承載層變形以帶動該振動部振動，且該振動部適於振動以帶動該壓電轉換層相對於該承載層變形。
- 如申請專利範圍第15項所述的電聲轉換器，其中該承載層的材質為非壓電材料。
- 如申請專利範圍第1項所述的電聲轉換器，其中該壓電轉換層更包括一下電極層，該壓電材料層配置於該上電極層與該下電極層之間。
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