TWI667925B - 壓電傳感器 - Google Patents
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Abstract
一種壓電傳感器，包括基材、壓電層及加勁結構。基材具有腔室。壓電層配置於基材上且包括位移區、多個感測區、多個縫隙、多個上電極及多個下電極。位移區位於腔室上方。多個感測區環繞連接於位移區的外緣且位於腔室上方。多個縫隙分別成形於多個感測區中任兩相鄰的感測區之間，各縫隙連通腔室。多個上電極分別配置於各感測區的頂面。多個下電極分別配置於各感測區的底面。加勁結構配置於位移區的底部。
Description
本發明是有關於一種壓電傳感器，且特別是有關於一種應用於聲波感測的壓電傳感器。
麥克風是一種可將聲音轉換成電子訊號的換能器，包括多種形式，如動圈式、電容式及壓電式等。壓電式麥克風是結合壓電材料所製成的一種壓電傳感器。壓電材料的特點在於：可將作用於壓電材料上的機械振動轉化成電訊號，或將施加於壓電材料上的電壓轉化為變形量。
現有的壓電傳感器的主要結構描述如下：在基材上透過微機電製程製作振動膜，再將壓電元件配置在振動膜上。當外力如聲波作用於振動膜時，聲波的壓力擠壓振動膜產生振動變形，也同時帶動壓電元件產生變形，以使壓電元件產生相對應的電訊號，並透過電極將電訊號傳遞至外部的放大器或其它電子元件。
然而，現有配置在壓電傳感器上的振動膜多數為整體結構，當外力作用於壓電傳感器時，振動膜整體均會產生變形，而並非集中於壓電元件的位置，致使壓電元件讀出的電訊號過於微弱而不易達成高靈敏。因此，現有壓電傳感器的感測性能仍具有改善的空間。
本發明提供一種壓電傳感器，可有效提升聲波感測靈敏度，同時平衡傳感器內部的靜態壓力。
本發明的壓電傳感器，包括基材、壓電層及加勁結構。基材具有腔室。壓電層配置於基材上且包括位移區、多個感測區、多個縫隙、多個上電極及多個下電極。位移區位於腔室上方。多個感測區環繞連接於位移區的外緣且位於腔室上方。多個縫隙分別成形於多個感測區中任兩相鄰的感測區之間，各縫隙連通腔室。多個上電極分別配置於各感測區的頂面。多個下電極分別配置於各感測區的底面。加勁結構配置於位移區的底部。其中，當聲波傳遞至壓電層時，推動位移區與加勁結構相對於基材產生位移，並使多個感測區產生變形以產生電訊號，且多個縫隙用以平衡腔室內的壓力。
在本發明的一實施例中，更包括一彈性層，配置於基材與壓電層之間，且附著於位移區及多個感測區。加勁結構成形於彈性層上且對應位移區的底部。
在本發明的一實施例中，上述的彈性層具有多個穿孔，各穿孔連通相應的各縫隙，以使各縫隙連通腔室。
在本發明的一實施例中，上述的腔室的形狀為矩形，各縫隙的一長度不大於腔室的一對角長度的三分之一。
在本發明的一實施例中，上述的腔室的形狀為矩形，該位移區的一第一面積介於該腔室的一第二面積的1/2至1/9之間。
在本發明的一實施例中，上述的位移區及加勁結構位在腔室的一中央處，各感測區配置在腔室的一內緣與位移區的外緣之間。
在本發明的一實施例中，上述的各感測區是朝向腔室的該內緣而寬度漸增的梯形樑。
在本發明的一實施例中，上述的各上電極與各下電極均為對應各感測區設置的梯形電極。
在本發明的一實施例中，上述的各上電極的面積小於各下電極的面積。
在本發明的一實施例中，上述的加勁結構包括多個延伸於腔室內的肋條。
在本發明的一實施例中，上述的加勁結構包括一延伸於腔室內的塊體。
在本發明的一實施例中，上述的腔室、位移區及加勁結構的形狀為多邊形。
基於上述，本發明的壓電傳感器的壓電層劃分為位移區及多個感測區，並於位移區底部設置加勁結構以強化剛性。當外部聲波作用於壓電傳感器時，壓電層的位移區產生上下位移，而使得壓電層的變形多數集中在多個感測區上，使各個感測區可產生較強烈的電訊號，以獲得較佳的聲波感測靈敏度。此外，各個感測區之間的縫隙可讓腔室與外界連通，藉此平衡腔室內的壓力，避免因外界大氣壓力變化而產生錯誤訊號。
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1A是依照本發明一實施例的壓電傳感器的俯視示意圖。圖1B是圖1A的壓電傳感器沿AA’切線的截面示意圖。圖1C是圖1A的壓電傳感器沿BB’切線的截面示意圖。圖1D是圖1A的壓電傳感器的壓電層的變形狀態圖。
請參考圖1A至圖1C，壓電傳感器100適於配置於電子裝置中，電子裝置可例如為手機、平板電腦或其他手持式電子裝置，且壓電傳感器100例如是應用在揚聲器、麥克風或是其他相似的傳感元件。
壓電傳感器100包括一基材110、一壓電層120及一加勁結構130。基材110例如是採用半導體加工技術成熟的多晶矽、矽與氧化矽或其它相關的材質。基材110具有一腔室R，凹陷成形在基材110中。於本實施例中，腔室R例如是透過乾式蝕刻，於基材110表面進行電漿離子轟擊而形成，或是透過濕式蝕刻，利用化學液體與基材110表面進行化學反應而形成。
壓電層120配置於基材110上且覆蓋腔室R。於本實施例中，壓電層120例如是採用石英、硫化鎘、氧化鋅或氮化鋁等壓電單晶體材料、PZT壓電多晶體材料、壓電聚合物、壓電複合材料或是其他具備壓電特性的材料，則本案未加以限制。
壓電層120包括一位移區122、多個感測區124、多個縫隙G、多個上電極126及多個下電極128。位移區122位於基材110的腔室R上方且位在腔室R的一中央處C，即位移區122的一外緣E1間隔於腔室R的一內緣E2。於本實施例中，位移區122的外形例如是近似於矩形。
多個感測區124環繞連接於位移區122的外緣E1且位於腔室R上方。詳細而言，各感測區124配置在腔室R的內緣E2與位移區122的外緣E1之間，以使各個感測區124懸空於腔室R並形成可相對於基材110振動及位移的懸臂樑結構。多個縫隙G分別貫穿成形於多個感測區124中任兩相鄰的感測區124之間，以使外部環境透過各縫隙G連通基材110的腔室R。
請參考圖1A，於本實施例中，腔室R的形狀例如是矩形，且各縫隙G自位移區122的外緣E1延伸至腔室R的內緣E2的一長度L1不大於腔室R的一對角長度L2的三分之一。此外，位移區122的一第一面積A1介於腔室R的一第二面積A2的1/2至1/9之間。在其他實施例中，各縫隙的長度及位移區的第一面積也可依據實際需求而對應調整。
進一步而言，當位移區的第一面積大於腔室R的第二面積的1/2時，將造成感測區124所形成的懸臂樑結構過短，使感測區124的感測面積過小。當感測區124受到聲波作用時，將造成感測區124的變形量不足，而不利於聲波的感測靈敏度。當位移區的第一面積小於腔室R的第二面積的1/9時，將使縫隙G的長度增加以及感測區124所形成的懸臂樑結構過長。當聲波傳遞於感測區124時，容易經由縫隙G而消散，不利於提升壓電傳感器的感測頻寬。
進一步而言，各感測區124是朝向腔室R的內緣E2而寬度漸增的梯形樑。多個上電極126分別配置於各感測區124的一頂面T。多個下電極128分別配置於各感測區124的底面，其中各個上電極126及各個下電極128例如是金屬材質且透過蒸鍍、濺鍍或其它相關製程而配置在感測區124上。各個上電極126及各個下電極128電性耦接於相應的感測區124並用以傳輸電訊號。
此外，各上電極126與各下電極128均為對應各感測區124之梯形外觀設置的梯形電極，以充分利用感測區124，當感測區124受外力變形而產生電訊號時，可透過上電極126或下電極128傳輸至外部電子元件，以利於提升感測靈敏度。各上電極126的面積小於各下電極128的面積，此利於減少疊層製程的蝕刻問題。在其它實施例中，各上電極與各下電極例如是矩形、圓形或其它形狀，即電極的形狀可依據實際需求而對應調整。
參考圖1A及圖1B，加勁結構130配置於位移區122的一底部P且位在腔室R的中央處C。於本實施例中，加勁結構130例如是透過微機電製程而成形在位移區122上的多個肋條，且各肋條延伸於腔室R內。詳細而言，加勁結構130的多個肋條適於強化位移區122的結構剛性。
配合參考圖1D，當聲波W傳遞至壓電層120時，聲波W推動位移區122與加勁結構130相對於基材110產生位移，且例如是朝向或遠離腔室R。當位移區122與加勁結構130位移時，將同步帶動多個感測區124產生變形以產生電訊號，且電訊號可透過各個上電極126或各個下電極128傳遞至外部的放大器或其它電子元件以進行相應的訊號處理。由於位移區122的結構剛性較大而不易產生變形，故聲波W對於壓電層120造成的變形將集中於各個感測區124。在本實施例中，多個縫隙G用以平衡腔室R內的壓力。舉例而言，當大氣狀況為低氣壓壟罩時腔室R內的壓力較大，此時腔室R內的壓力可透過多個縫隙G而洩漏至外部環境，使得腔室R內外的壓力趨於一致。
在本實施例中，腔室R、位移區122及加勁結構130的形狀例如是多邊形。
以下將列舉其他實施例以作說明。在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。
圖2A是依照本發明另一實施例的壓電傳感器的俯視示意圖。圖2B是圖2A的壓電傳感器沿AA’切線的截面示意圖。圖2C是圖2A的壓電傳感器沿BB’切線的截面示意圖。
請參考圖2A至圖2C及圖1A，本實施例的壓電傳感器100B與上述實施例的壓電傳感器100的差異在於，壓電傳感器100B包括一彈性層140b，配置於基材110b與壓電層120b之間，且附著於位移區122b及多個感測區124b上。詳細而言，當彈性層140b受到聲波作用而產生變形時，壓電層120b隨之變形。在本實施例中，彈性層140b例如是由多晶矽、氮化矽、金屬鋁或者鋁合金材質、或高分子聚合物所製成的振膜結構。
彈性層140b具有多個穿孔O，且各穿孔O連通相應的各縫隙G，使得各縫隙G通過各穿孔O而連通腔室R。詳細而言，腔室R透過各縫隙G及各穿孔O以達到與外部環境的壓力平衡，使壓電層120b復歸原位。
加勁結構130b例如是成形於彈性層140b上的多個肋條且對應位移區122b的底部P，因此，加勁結構130b適於提升位移區122b的結構剛性。
圖3A是依照本發明再一實施例的壓電傳感器的俯視示意圖。圖3B是圖3A的壓電傳感器沿AA’切線的截面示意圖。圖3C是圖3A的壓電傳感器沿BB’切線的截面示意圖。
請參考圖3A至圖3C及圖2A，本實施例的壓電傳感器100C與上述實施例的壓電傳感器100B的差異在於：壓電傳感器100C的加勁結構130c例如是成形於彈性層140c上且延伸於腔室R內的一塊體，且彈性層140c配置於基材110c與壓電層120c之間。加勁結構130c對應位移區122c的底部P。由於加勁結構130c為成形在彈性層140c的實心塊體，相較於圖2A所示的加勁結構130b，圖3A所示的加勁結構130c具備較大的結構剛性。
綜上所述，本發明實施例的壓電傳感器的壓電層劃分為位移區及多個感測區，並於位移區底部設置加勁結構以強化剛性。當外部聲波作用於壓電傳感器時，壓電層的位移區僅產生上下位移，而使得壓電層的變形多數集中在多個感測區上，使各個感測區可產生較強烈的電訊號，以獲得較佳的聲波感測靈敏度。此外，各個感測區之間的縫隙可讓腔室與外界連通，藉此平衡腔室內的壓力，讓壓電層保持在初始位置以利於後續感測，避免因外界大氣壓力變化而產生錯誤訊號。於另一實施例中，採用彈性層，可以吸收作用於壓電層的部分外力，可避免壓電層因過度變形而損壞。
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。
100、100B、100C‧‧‧壓電傳感器
110、110b、110c‧‧‧基材
120、120b、120c‧‧‧壓電層
122、122b、122c‧‧‧位移區
124、124b、124c‧‧‧感測區
126‧‧‧上電極
128‧‧‧下電極
130、130b、130c‧‧‧加勁結構
140b、140c‧‧‧彈性層
P‧‧‧底部
C‧‧‧中央處
R‧‧‧腔室
G‧‧‧縫隙
O‧‧‧穿孔
E1‧‧‧外緣
E2‧‧‧內緣
L1‧‧‧長度
L2‧‧‧對角長度
A1‧‧‧第一面積
A2‧‧‧第二面積
圖1A是依照本發明一實施例的壓電傳感器的俯視示意圖。 圖1B是圖1A的壓電傳感器沿AA’切線的截面示意圖。 圖1C是圖1A的壓電傳感器沿BB’切線的截面示意圖。 圖1D是圖1B的壓電傳感器經聲波作用的變形狀態圖。 圖2A是依照本發明另一實施例的壓電傳感器的俯視示意圖。 圖2B是圖2A的壓電傳感器沿AA’切線的截面示意圖。 圖2C是圖2A的壓電傳感器沿BB’切線的截面示意圖。 圖3A是依照本發明再一實施例的壓電傳感器的俯視示意圖。 圖3B是圖3A的壓電傳感器沿AA’切線的截面示意圖。 圖3C是圖3A的壓電傳感器沿BB’切線的截面示意圖。
Claims (13)
- 一種壓電傳感器，包括：一基材，具有一腔室；一壓電層，配置於該基材上且包括：一位移區，位於該腔室上方；多個感測區，環繞連接於該位移區的一外緣且位於該腔室上方；多個縫隙，分別成形於該些感測區中任兩相鄰的感測區之間，各該縫隙連通該腔室；多個上電極，分別配置於各該感測區的一頂面；以及多個下電極，分別配置於各該感測區的一底面；以及一加勁結構，配置於該位移區的一底部，藉以使該位移區的結構剛性大於該些感測區的結構剛性，其中，當聲波傳遞至該壓電層時，推動該位移區與該加勁結構相對於該基材產生位移，並使該些感測區產生變形以產生電訊號，且該些縫隙可平衡該腔室內的壓力。
- 如申請專利範圍第1項所述的壓電傳感器，更包括一彈性層，配置於該基材與該壓電層之間，且附著於該位移區及該些感測區，該加勁結構成形於該彈性層上且對應該位移區的該底部。
- 如申請專利範圍第2項所述的壓電傳感器，其中該彈性層具有多個穿孔，各該穿孔連通相應的各該縫隙，以使各該縫隙連通該腔室。
- 如申請專利範圍第1項所述的壓電傳感器，其中該腔室的形狀為矩形，各該縫隙的一長度不大於該腔室的一對角長度的三分之一。
- 如申請專利範圍第1項所述的壓電傳感器，其中該腔室的形狀為矩形，該位移區的一第一面積介於該腔室的一第二面積的1/2至1/9之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的壓電傳感器，其中該位移區及該加勁結構位在該腔室的一中央處，各該感測區配置在該腔室的一內緣與該位移區的該外緣之間。
- 如申請專利範圍第6項所述的壓電傳感器，其中各該感測區是朝向該腔室的該內緣而寬度漸增的梯形樑。
- 如申請專利範圍第7項所述的壓電傳感器，其中各該上電極與各該下電極均為對應各該感測區設置的梯形電極。
- 如申請專利範圍第1項所述的壓電傳感器，其中各該上電極的面積小於各該下電極的面積。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的壓電傳感器，其中該加勁結構包括多個延伸於該腔室內的肋條。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的壓電傳感器，其中該加勁結構包括一延伸於該腔室內的塊體。
- 如申請專利範圍第1項所述的壓電傳感器，其中該腔室、該位移區及該加勁結構的形狀為多邊形。
- 一種壓電傳感器，包括：一基材，具有一腔室；一壓電層，配置於該基材上且包括：一位移區，位於該腔室上方；多個感測區，環繞連接於該位移區的一外緣且位於該腔室上方；多個縫隙，分別成形於該些感測區中任兩相鄰的感測區之間；以及一加勁結構，配置於該位移區上，藉以使該位移區的結構剛性大於該些感測區的結構剛性。
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