CN112601169B - 一种宽频带高灵敏度谐振式压电mems麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频带高灵敏度谐振式压电MEMS麦克风，包括基底和压电振膜，基底顶部设有中心支撑部和外周支撑部，中心支撑部和外周支撑部之间设有背腔，使得中心支撑部和外周支撑部之间形成中心振动区域和外周振动区域，悬置于背腔上的压电振膜，压电振膜包括多个膜片，中心振动区域设置安装在中心支撑部上的至少一个膜片，外周振动区域设置安装在外周支撑部上的至少一个膜片，多个膜片的形状、大小或厚度中的一项或多项不同，相邻膜片间设有缝隙，每一膜片的谐振频率不同，可以使麦克风的灵敏度曲线在压电振膜的最小谐振频率和最大谐振频率之间产生一段平坦的宽带，并且在该频带范围内具有较高灵敏度。

Description

一种宽频带高灵敏度谐振式压电MEMS麦克风

技术领域

本发明涉及MEMS压电器件技术领域，具体涉及一种宽频带高灵敏度谐振式压电MEMS麦克风。

背景技术

麦克风是一种能量转换器件，可以将声音信号通过不同的方式转换为电信号。压电式MEMS麦克风，是利用压电效应将声信号转换为电信号的能量转换器件，近年来，由于压电式MEMS麦克风具有体积小、性能稳定、信噪比高、灵敏度好和响应速度快等优点，智能穿戴设备和智能手机上已经广泛采用了这种麦克风。

人类对声音的感知频率范围是20Hz～20kHz，所以设计的压电式MEMS麦克风的工作频率范围应当是20Hz～20kHz频段附近，并且要求在工作频率范围内的灵敏度曲线十分平坦，具有平滑的响应。然而传统的压电式MEMS麦克风只有一个谐振频率，并且在谐振频率处的灵敏度最高，对于谐振频率远高于20kHz的麦克风而言，在20Hz～20kHz范围内的灵敏度较低。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种宽频带高灵敏度谐振式压电MEMS麦克风，可以使麦克风的灵敏度曲线在压电振膜的最小谐振频率和最大谐振频率之间产生一段平坦的宽带，并且在该频带范围内具有较高灵敏度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种宽频带高灵敏度谐振式压电MEMS麦克风，包括：

基底，所述基底顶部设有中心支撑部和外周支撑部，所述中心支撑部和所述外周支撑部之间设有背腔，使得所述中心支撑部和所述外周支撑部之间形成中心振动区域和外周振动区域；

悬置于背腔上的压电振膜，所述压电振膜包括多个膜片，所述中心振动区域设置安装在所述中心支撑部上的至少一个所述膜片，所述外周振动区域设置安装在所述外周支撑部上的至少一个所述膜片，多个所述膜片的形状、大小或厚度中的一项或多项不同，相邻所述膜片间设有缝隙，每一所述膜片的谐振频率不同，使得所述压电振膜包括至少两个谐振频率不同的组成部分。

进一步地，所述膜片包括自下而上设置的第一电极层、压电层和第二电极层或自下而上设置的第一电极层、压电层、第二电极层、压电层和第一电极层。

进一步地，所述中心振动区域设置的膜片的固定端与所述中心支撑部相连，所述外周振动区域设置的膜片的固定端与所述外周支撑部相连，使得所述中心振动区域的膜片的自由端和所述外周振动区域的膜片的自由端相对设置。

进一步地，所述中心振动区域设置的多个所述膜片呈阶梯式排布，所述外周振动区域设置的多个所述膜片呈阶梯式排布。

进一步地，所述中心振动区域和所述外周振动区域的膜片数量可以相等也可以不相等，所述中心振动区域或所述外周振动区域中，相邻所述膜片间的缝隙可以相等也可以不相等。

进一步地，所述中心振动区域和所述外周振动区域中的每个所述膜片呈扇形、梯形、三角形、矩形、环形中的一种，所述中心振动区域和所述外周振动区域的膜片数量可以相等也可以不相等。

进一步地，所述膜片形成所述固定端连接的第一侧边、形成所述自由端的第二侧边以及设置在第一侧边与第二侧边之间的两条斜边，所述第一侧边的长度可以大于、小于或等于所述第二侧边的长度，所述第二侧边以及两条所述斜边均悬置于所述背腔的上方。

进一步地，所述外周支撑部为圆环形结构，多个呈扇形且大小不一的所述膜片安装在所述中心支撑部上，多个呈扇形且大小不一的所述膜片安装在所述外周支撑部上。

进一步地，所述外周支撑部为正方形环状结构，多个呈梯形且大小相同的所述膜片安装在所述中心支撑部上，多个呈梯形且大小相同的所述膜片安装在所述外周支撑部上。

进一步地，所述膜片和所述中心支撑部或所述外周支撑部间自下而上依次设有绝缘层和衬底层。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明所述的一种宽频带高灵敏度谐振式压电MEMS麦克风，采用中心固定方式和外周固定方式，实现两类不同频率的谐振峰，再通过修改膜片的形状、大小或厚度来达到至少两个谐振频率，使得该麦克风的灵敏度曲线在压电振膜的最小谐振频率和最大谐振频率之间产生一段平坦的宽带，并且在该频带范围内具有较高灵敏度。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种谐振式MEMS压电麦克风的结构截面图；

图2为本发明实施例一提供的一种压电振膜的结构示意图；

图3为图2所示的所述压电式MEMS麦克风在B处的放大结构示意图；

图4为本发明实施例二提供的一种压电振膜的结构示意图；

图5为本发明实施例一提供的谐振式压电MEMS麦克风在某一频率范围内实现高灵敏度的效果图。

其中：100、谐振式压电MEMS麦克风；110、基底；120、中心支撑部；130、外周支撑部；140、背腔；150、膜片；1511、第一中心振膜；1512、第二中心振膜；1513、第三中心振膜；1514、第四中心振膜；1515、第五中心振膜；1516、第六中心振膜；1517、第七中心振膜；1518、第一外周振膜；1519、第二外周振膜；1520、第三外周振膜；1521、第四外周振膜；1522、第五外周振膜；1523、第六外周振膜；1524、第七外周振膜；151、第一电极层；152、压电层；153、第二电极层；160、绝缘层；170、衬底层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

现有的压电式MEMS麦克风的压电振膜被分割为多个形状、大小相同的部分，这些压电式MEMS麦克风只有一个谐振频率，虽然在谐振频率处的灵敏度很高，但是这段高灵敏度的频率范围很小，而且其在谐振区附近频率范围内的灵敏度曲线并不平坦。

本发明提供一种宽频带高灵敏度谐振式压电MEMS麦克风，谐振式压电MEMS麦克风100包括基底110和压电振膜。

参照图1所示，基底110顶部设有中心支撑部120和外周支撑部130，中心支撑部120和外周支撑部130之间设有背腔140，使得中心支撑部120和外周支撑部130之间形成中心振动区域和外周振动区域；

悬置于背腔140上的压电振膜，压电振膜包括多个膜片150，中心振动区域设置安装在中心支撑部120上的至少一个膜片150，外周振动区域设置安装在外周支撑部130上的至少一个膜片150，多个膜片150的形状、大小或厚度中的一项或多项不同，相邻膜片150间设有缝隙，每一膜片150的谐振频率不同，使得压电振膜包括至少两个谐振频率不同的组成部分。

膜片150和中心支撑部120或外周支撑部130间自下而上依次设有绝缘层160和衬底层170。

其中，中心支撑部120是用来支撑中心振动区域的膜片150，外周支撑部130是用来支撑外周振动区域的膜片150，背腔140不仅给膜片150上下振动的空间，也可以作为麦克风接受声波时的后腔，背腔140有助于提升音质。

本发明采用中心固定方式和外周固定方式，实现两类不同频率的谐振峰，再通过修改膜片150的形状、大小或厚度来达到至少两个谐振频率，使得该麦克风的灵敏度曲线在压电振膜的最小谐振频率和最大谐振频率之间产生一段平坦的宽带，并且在该频带范围内具有较高灵敏度。

膜片150包括自下而上设置的第一电极层151、压电层152和第二电极层153或自下而上设置的第一电极层151、压电层152、第二电极层153、压电层152和第一电极层151。自下而上设置的第一电极层151、压电层152和第二电极层153构成单晶片结构；自下而上设置的第一电极层151、压电层152、第二电极层153、压电层152和第一电极层151构成双晶片结构。双晶片可以以更小的尺寸达到与单晶片一样的谐振频率，而且其输出电压和灵敏度可以更高。

具体地，中心振动区域设置的膜片150的固定端与中心支撑部120相连，外周振动区域设置的膜片150的固定端与外周支撑部130相连，使膜片150呈悬臂梁结构，使得中心振动区域的膜片150的自由端和外周振动区域的膜片150的自由端相对设置，中心振动区域的膜片150的自由端和外周振动区域的膜片150的自由端均设在背腔140上方，背腔140给膜片150上下振动的空间。

外周支撑部130、中心支撑部120以及相邻膜片150间的缝隙均通过刻蚀形成。

为了使各个膜片150的谐振频率不同，当中心振动区域设有多个膜片150时，中心振动区域设置的多个膜片150呈阶梯式排布，当外周振动区域设有多个膜片150时，外周振动区域设置的多个膜片150呈阶梯式排布，从而使各个膜片150的谐振频率不一致。

根据实际需要，中心振动区域和外周振动区域的膜片150数量可以相等也可以不相等。中心振动区域或外周振动区域中，相邻膜片150间的缝隙可以相等也可以不相等，进而使各个膜片150的振动产生区别，从而设定最小谐振频率和最大谐振频率。

中心振动区域和外周振动区域中的每个膜片150呈扇形、梯形、三角形、矩形、环形中的一种，根据膜片150的形状，可以设定膜片150的数量、大小和厚度，从而使麦克风具有至少两个谐振频率不同的组成部分，实现整个麦克风在最小谐振频率至最大谐振频率的频率范围内的高灵敏度拾音，即实现非常平坦的频谱以及大带宽。

膜片150形成固定端连接的第一侧边、形成自由端的第二侧边以及设置在第一侧边与第二侧边之间的两条斜边，第一侧边的长度可以大于、小于或等于第二侧边的长度，第二侧边以及两条斜边均悬置于背腔140的上方。中心振动区域中，相邻膜片150的斜边间存在缝隙，两两相邻斜边间的缝隙可以相等也可以不相等。中心振动区域和外周振动区域的相邻膜片150的第二侧边间存在缝隙，两两相邻第二侧边间的缝隙可以相等也可以不相等。

通过改变膜片150的大小、形状或厚度，以及相邻膜片150间的间隙，进而形成不同的膜片150，从而产生不同且错开的谐振频率，整体来看，可以使本麦克风在最小谐振频率和最大谐振频率之间产生一段平坦的宽带。

实施例一，参照图2和图3所示，外周支撑部130为圆环形结构，3个呈扇形且大小不一的膜片150安装在中心支撑部120上，分别为第一中心振膜1511、第二中心振膜1512和第三中心振膜1513，3个呈扇形且大小不一的膜片150安装在外周支撑部130上，分别为第一外周振膜1518、第二外周振膜1519和第三外周振膜1520，一中心振膜、第二中心振膜1512和第三中心振膜1513呈现阶梯式排布，第一外周振膜1518、第二外周振膜1519和第三外周振膜1520呈现阶梯式排布，第一中心振膜1511、第二中心振膜1512、第三中心振膜1513、第一外周振膜1518、第二外周振膜1519和第三外周振膜1520的大小不一。

图5是本发明实施例一提供的谐振式压电MEMS麦克风100在某一频率范围内实现高灵敏度的效果图。图5中的曲线Ⅰ是目前传统压电式MEMS麦克风的灵敏度曲线，传统压电式MEMS麦克风的谐振频率只有一个，因此曲线Ⅰ只有一个波峰；图5中的曲线Ⅱ是本发明实施例一提供的谐振式压电MEMS麦克风100在某一频率范围内实现高灵敏度的效果图，实施例一因为6个不同大小的扇形膜片150导致麦克风具有6个不同的谐振频率，在经过调频之后可以使麦克风的灵敏度曲线在器件最小谐振频率和最大谐振频率之间的频率范围内形成至少6kHz以上的宽频带。

需要了解的是，图5只是对麦克风宽频带高灵敏度性能的说明，并没有对本发明进行限定，本发明所提到的宽频带范围是可以通过本发明所提到的方式进行调整，不局限于图5所示的频带范围。

实施例二，参照图4所示，外周支撑部130为正方形环状结构，4个呈梯形且大小相同的膜片150安装在中心支撑部120上，分别是第四中心振膜1514、第五中心振膜1515、第六中心振膜1516和第七中心振膜1517，4个呈梯形且大小相同的膜片150安装在外周支撑部130上，分别是第四外周振膜1521、第五外周振膜1522、第六外周振膜1523和第七外周振膜1524。第四中心振膜1514、第五中心振膜1515、第六中心振膜1516和第七中心振膜1517的形状和大小相同，第四外周振膜1521、第五外周振膜1522、第六外周振膜1523和第七外周振膜1524的形状和大小相同。

本发明实施例二形成两个不同的谐振频率，使得该麦克风的灵敏度曲线在压电振膜的最小谐振频率和最大谐振频率之间产生一段平坦的宽带，并且在该频带范围内具有较高灵敏度。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种宽频带高灵敏度谐振式压电MEMS麦克风，其特征在于，包括：

基底，所述基底顶部设有中心支撑部和外周支撑部，所述中心支撑部和所述外周支撑部之间设有背腔，使得所述中心支撑部和所述外周支撑部之间形成中心振动区域和外周振动区域；

悬置于背腔上的压电振膜，所述压电振膜包括多个膜片，所述中心振动区域设置安装在所述中心支撑部上的至少一个所述膜片，所述外周振动区域设置安装在所述外周支撑部上的至少一个所述膜片，多个所述膜片的形状、大小或厚度中的一项或多项不同，相邻所述膜片间设有缝隙，每一所述膜片的谐振频率不同，使得所述压电振膜包括至少两个谐振频率不同的组成部分，所述中心振动区域设置的膜片的固定端与所述中心支撑部相连，所述外周振动区域设置的膜片的固定端与所述外周支撑部相连，使得所述中心振动区域的膜片的自由端和所述外周振动区域的膜片的自由端相对设置，所述中心振动区域设置的多个所述膜片呈阶梯式排布，所述外周振动区域设置的多个所述膜片呈阶梯式排布。

2.根据权利要求1所述的宽频带高灵敏度谐振式压电MEMS麦克风，其特征在于：所述膜片包括自下而上设置的第一电极层、压电层和第二电极层或自下而上设置的第一电极层、压电层、第二电极层、压电层和第一电极层。

3.根据权利要求1所述的宽频带高灵敏度谐振式压电MEMS麦克风，其特征在于：所述中心振动区域和所述外周振动区域的膜片数量相等或不相等，所述中心振动区域或所述外周振动区域中，相邻所述膜片间的缝隙相等或不相等。

4.根据权利要求1所述的宽频带高灵敏度谐振式压电MEMS麦克风，其特征在于：所述中心振动区域和所述外周振动区域中的每个所述膜片呈扇形、梯形、三角形、矩形、环形中的一种，所述中心振动区域和所述外周振动区域的膜片数量相等或不相等。

5.根据权利要求1所述的宽频带高灵敏度谐振式压电MEMS麦克风，其特征在于：所述膜片形成所述固定端连接的第一侧边、形成所述自由端的第二侧边以及设置在第一侧边与第二侧边之间的两条斜边，所述第一侧边的长度大于、小于或等于所述第二侧边的长度，所述第二侧边以及两条所述斜边均悬置于所述背腔的上方。

6.根据权利要求1所述的宽频带高灵敏度谐振式压电MEMS麦克风，其特征在于：所述外周支撑部为圆环形结构，多个呈扇形且大小不一的所述膜片安装在所述中心支撑部上，多个呈扇形且大小不一的所述膜片安装在所述外周支撑部上。

7.根据权利要求1所述的宽频带高灵敏度谐振式压电MEMS麦克风，其特征在于：所述外周支撑部为正方形环状结构，多个呈梯形且大小相同的所述膜片安装在所述中心支撑部上，多个呈梯形且大小相同的所述膜片安装在所述外周支撑部上。

8.根据权利要求1所述的宽频带高灵敏度谐振式压电MEMS麦克风，其特征在于：所述膜片和所述中心支撑部或所述外周支撑部间自下而上依次设有绝缘层和衬底层。

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