CN110545514A - 压电式mems麦克风 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种压电式MEMS麦克风，包括具有腔体的基底、安装于基底上的压电振膜以及罩设于压电振膜外的限位件，基底包括环形底座、设于环形底座内侧并与环形底座间隔设置的支撑柱，压电振膜包括多个膜片，每个膜片包括与支撑柱连接的固定端和悬置于腔体上方的自由端，限位件包括与压电振膜间隔设置以对自由端在膜片的振动方向上形成限位的限位部以及与限位部的外边缘相连接并安装在环形底座上的边缘固定板，限位部设有若干个与腔体相对设置的第一通孔。本发明通过在压电式MEMS麦克风上设置限位件，在冲击力的作用下当膜片向上发生较大形变时，可以控制膜片形变，对膜片进行保护，防止膜片折断，从而增加压电式MEMS麦克风的稳定性。
Description
【技术领域】
本发明涉及声电转换装置技术领域,具体涉及一种压电式MEMS麦克风。
【背景技术】
MEMS麦克风是一种用微机械加工技术制作出来的电声换能器，其具有体积小、频响特性好、噪声低等特点。随着电子设备朝向小巧化、薄型化发展，MEMS麦克风被越来越广泛地运用到这些设备上。
目前，MEMS麦克风主要分为电容式MEMS麦克风和压电式MEMS麦克风。压电式MEMS麦克风相比于传统的电容式MEMS麦克风具有很多优势，包括防尘性、防水性以及较高的最大输出声压(AOP)等。不同于电容式麦克风的压电振膜结构，压电式MEMS麦克风的压电振膜由多个膜片组成，每个膜片一端与基底相连，另一端采用了悬臂梁结构。
但是，膜片在进行跌落、吹气等可靠性测试时,容易受到冲击力的作用,压电振膜易发生较大形变,受限于压电振膜的材料强度，膜片会发生折断、破损等不可逆破坏，极大的影响了压电式MEMS麦克风的稳定性。
因此，为了增强压电式MEMS麦克风的稳定性，有必要提供一种新的压电式MEMS麦克风，对膜片进行保护，以解决上述问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种稳定性更好的压电式MEMS麦克风。
本发明的技术方案如下：
为实现上述目的，本发明提供了一种压电式MEMS麦克风，包括具有腔体的基底、安装于所述基底上的压电振膜以及罩设于所述压电振膜外的限位件，所述基底包括环形底座、设于所述环形底座内侧并与所述环形底座间隔设置的支撑柱，所述压电振膜包括多个膜片，每个所述膜片包括与支撑柱连接的固定端和悬置于所述腔体上方的自由端，所述限位件包括与所述压电振膜间隔设置以对所述自由端在所述膜片的振动方向上形成限位的限位部以及与所述限位部的外边缘相连接并安装在所述环形底座上的边缘固定板，所述限位部设有若干个与所述腔体相对设置的第一通孔。
作为一种改进方式，所述基底还包括若干个支撑梁，所述支撑梁的一端与所述支撑柱连接、另一端与所述环形底座连接从而将所述腔体分隔成若干个子腔体。
作为一种改进方式，所述压电振膜为一体式结构，所述压电振膜自其外边缘向所述压电振膜的中心延伸设有透气缝，所述透气缝将所述压电振膜分隔成所述膜片。
作为一种改进方式，所述限位部包括从所述边缘固定板远离所述环形底座的一侧朝向所述支撑柱方向延伸的限位板，所述限位板覆盖部分所述自由端。
作为一种改进方式，所述限位部还包括与所述支撑柱相连接的中间固定板以及若干个分别与所述若干个支撑梁一一正对设置的支撑板，每个所述支撑板的一端与所述限位板连接、另一端与所述中间固定板连接，每个所述支撑板覆盖部分所述自由端，所述中间固定板、相邻两所述支撑板和所述限位板部分围合形成所述第一通孔。
作为一种改进方式，每个所述膜片的上方、所述中间固定板和所述限位板之间设有挡板，所述挡板的一端与所述中间固定板连接、另一端与所述限位板连接；或者，
每个所述膜片的上方、两相邻的所述支撑板之间设有挡板，所述挡板的一端与一个所述支撑板连接、另一端与相邻的另一个所述支撑板连接。
作为一种改进方式，所述压电式MEMS麦克风还包括设于所述基底与所述压电振膜之间的垫片，所述垫片包括沿所述环形底座延伸方向环设的边缘固定垫，所述边缘固定垫的内侧与所述环形底座形成底座避让区，所述压电振膜外边缘在所述基底上的投影位于所述底座避让区外边缘在所述基底上的投影内。
作为一种改进方式，所述垫片还包括若干个分别沿所述若干个支撑梁铺设的支撑垫，所述支撑垫沿其轴向的两侧分别与所述支撑梁形成支撑梁避让区，所述自由端的侧部覆盖所述支撑梁避让区。
作为一种改进方式，所述垫片还包括设于所述中间固定板与所述支撑柱之间的中间固定垫，所述支撑垫的一端与所述边缘固定垫连接、另一端与所述中间固定垫连接，且所述中间固定垫、相邻两所述支撑垫以及所述边缘固定垫部分围合形成与所述子腔体相对应的第二通孔。
作为一种改进方式，所述压电式MEMS麦克风还包括约束件，所述约束件的一端与所述自由端连接、另一端与所述环形底座或所述限位件或所述垫片连接。
本发明的有益效果在于：
本发明通过在压电式MEMS麦克风上设置限位件，在冲击力的作用下当膜片向上发生较大形变时，受限于限位件结构的保护，可以控制膜片的形变，对膜片进行保护，防止膜片折断，从而增加了压电式MEMS麦克风的稳定性。
【附图说明】
图1为本发明实施例提供的压电式MEMS麦克风的立体图；
图2为本发明实施例提供的压电式MEMS麦克风的***图；
图3为本发明实施例提供的压电式MEMS麦克风的俯视图；
图4为图3中A-A处的剖视图；
图5为图4中B处的局部放大示意图；
图6为图4中C处的局部放大示意图；
图7为本发明实施例提供的基底的立体图；
图8为本发明实施例提供的约束件设于压电振膜上的立体图；
图9为图8中D处的局部放大示意图；
图10为本发明实施例提供的限位件的立体图；
图11为本发明实施例提供的挡板设于限位件上的部分俯视图一；
图12为本发明实施例提供的挡板设于限位件上的部分俯视图二；
图13为本发明实施例提供的垫片的立体图。
图中：10、基底；11、腔体；12、环形底座；13、支撑柱；14、支撑梁；15、子腔体；20、压电振膜；21、膜片；211、固定端；212、自由端；22、透气缝；23、支撑部；30、限位件；31、限位部；311、第一通孔；312、限位板；313、中间固定板；314、支撑板；315、挡板；32、边缘固定板；40、垫片；41、边缘固定垫；42、支撑垫；43、中间固定垫；44、第二通孔；50、底座避让区；60、支撑梁避让区；70、约束件；71、凸出部；72、固定柱；73、弹性臂；731、第一支臂；732、第二支臂；733、弧形连接臂。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、内、外、顶部、底部……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，该元件可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
请参阅图1至图13，本发明的实施例提供了一种压电式MEMS麦克风，压电式MEMS麦克风包括具有腔体11的基底10、安装于基底10上的压电振膜20以及罩设于压电振膜20外的限位件30，限位件30上开设有若干个第一通孔311，外部的声音信号从声孔中传入，由第一通孔311进入压电式MEMS麦克风内，声压引起压电振膜20形变，产生电压变化，从而感知声学信号。同时，在冲击力的作用下当压电振膜20中膜片21向上发生较大形变时，受限于限位件30结构的保护，可以控制膜片21的形变，对膜片21进行保护，防止膜片21折断，从而增加了压电式MEMS麦克风的稳定性。
请参阅图1至图7，基底10包括环形底座12、设于环形底座12内侧并与环形底座12间隔设置的支撑柱13以及若干个沿支撑柱13的周向间隔设置的支撑梁14，支撑梁14的一端与支撑柱13连接，支撑梁14的另一端与环形底座12连接从而将腔体11分隔成若干个沿支撑柱13的周向间隔设置的子腔体15，本实施例中的环形底座12可以是一个360度封闭的环形，也可以不是一个完整的环形。
请进一步参阅图8，压电振膜20为一体式结构，压电振膜20自其外边缘向压电振膜20的中心延伸设有透气缝22，透气缝22将压电振膜20分隔成膜片21。具体地，压电振膜20包括多个膜片21以及若干个分别沿若干个支撑梁14铺设的支撑部23，每个膜片21包括与支撑柱13连接的固定端211和与固定端211连接并悬置于子腔体15上方的自由端212，本实施例中各膜片21共用一个固定端211，固定端211和膜片21的具体结构不做限制，且压电振膜20的整体结构的对称性也不做限制，膜片21可以是对称或者非对称的多边形，膜片21的侧边缘可以是直线也可以是曲线，支撑部23的一端与固定端211连接，相邻两膜片21之间设有一个支撑部23，支撑部23与自由端212为间隔设置，支撑部23与膜片21的自由端212之间形成上述透气缝22。
作为优选地实施方式，膜片21上的自由端212沿支撑柱13的周向上的尺寸从固定端211朝向环形底座12逐渐增大，这样，在声压的作用下，自由端212带动膜片21发生振动，靠近固定端211的膜片21部分在力的作用下发生更大的形变进而产生较多的电荷，因此，其灵敏度可以进一步提高。
本实施例中子腔体15的数量与膜片21的数量对应，每个子腔体15的上方悬置一个自由端212，环形底座12的内侧壁在垂直于膜片21方向上的投影轮廓可以为圆形或者多边形，支撑梁14的数量可根据实际需要进行设置，具体的数量不做限制，当环形底座12的内侧壁在垂直于膜片21方向上的投影轮廓为多边形时，支撑梁14的数量可以小于、等于或者大于多边形的顶点数。需要说明的是，每个子腔体15的上方也可以悬置两个或者两个以上的自由端212，具体根据实际设计需要而定。
进一步参阅图10至图12，本实施例中，限位件30包括与压电振膜20间隔设置以对自由端212在膜片21的振动方向上形成限位的限位部31以及与限位部31的外边缘垂直相连接并安装在环形底座12上的边缘固定板32，由于边缘固定板32是连接在基底10上，因此，限位件30本身的强度也能得到提升，若干个第一通孔311设于限位部31上并与各子腔体15正对设置。
具体地，限位部31包括从边缘固定板32远离环形底座12的一侧朝向支撑柱13方向延伸的限位板312、与支撑柱13相连接的中间固定板313、若干个分别与若干个支撑梁14一一正对设置的支撑板314以及若干个间隔设置的挡板315，本实施例中限位板312优选为环形结构，支撑板314优选为条形结构，限位板312覆盖部分自由端212，每个支撑板314的一端与限位板312连接、另一端与中间固定板313连接，每个支撑板314覆盖部分自由端212，在冲击力的作用下当膜片21向上发生较大形变时，受限于限位部31结构的保护，可以控制膜片21的形变，对膜片21进行保护。
中间固定板313、相邻两支撑板314和限位板312部分围合形成第一通孔311，每个膜片21的上方、中间固定板313和限位板312之间悬置至少一个挡板315，挡板315的一端与中间固定板313连接，挡板315的另一端与限位板312连接。当然，两相邻的支撑板314之间也可以设有挡板315，挡板315的一端与一个支撑板314连接，挡板315的另一端与相邻的另一个支撑板314连接，或者其他挡板315的设置结构，在实际应用中，限位件30的具体结构可以由实际需要进行设计。
进一步参阅图13，作为优选地实施方式，压电式MEMS麦克风还包括设于基底10与压电振膜20之间的垫片40，垫片40包括沿环形底座12延伸方向环设的边缘固定垫41、若干个分别沿若干个支撑梁14铺设的支撑垫42以及设于固定端211与支撑柱13之间的中间固定垫43，中间固定板313之朝向固定端211的一侧高于挡板315，以便于中间固定板313能抵接于固定端211，边缘固定垫41安装于环形底座12上，且边缘固定垫41之靠近自由端212的一侧(内侧)与环形底座12形成底座避让区50，压电振膜20外边缘在基底10上的投影位于底座避让区50外边缘在基底10上的投影内，自由端212远离固定端211的一侧覆盖底座避让区50，以对膜片21向下振动进行约束。支撑垫42安装于支撑梁14上，支撑垫42之沿其轴向的两侧分别与支撑梁14形成支撑梁避让区60，自由端212的侧部覆盖支撑梁避让区60，当膜片21向下发生较大形变时，自由端212的边缘会与底座避让区50或/和支撑梁避让区60发生接触，防止膜片21进一步变形，对膜片21进行保护。
中间固定垫43设于固定端211与支撑柱13之间，支撑垫42的一端与边缘固定垫41连接，支撑垫42的另一端与中间固定垫43连接，且中间固定垫43、两支撑垫42和边缘固定垫41部分围合形成与子腔体15相对应的第二通孔44。从上下两个方向对压电振膜20的振动进行约束，压电振膜20距离限位部31底部表面和基底10顶部表面存在1～2um的间隙，这一间隙的形变对于膜片21的自由端212在断裂形变以内。限位件30的设计是由压电振膜20的结构来决定的，凡是对压电振膜20向上摆动起到保护和限制作用的结构均在本专利保护范围之内。限位件30可以对膜片21的一个或者多个边缘进行保护和限制，亦可对压电振膜20的整个表面进行保护。本实施例当中的压电振膜20的设计是由子腔体15的结构和垫片40的结构共同决定的，在不影响性能的前提下，子腔体15的设计可以根据对膜片21保护的要求来进行修改，不限于本实施例的设计。
进一步参阅图9，作为优选地实施方式，压电式MEMS麦克风还包括约束件70，约束件70的一端与自由端212连接，约束件70的另一端与环形底座12或者限位件30或者垫片40连接，该约束件70可避免膜片21内残余应力对膜片21所造成的不同程度的边缘翘曲、内卷等形变，防止膜片21在低频衰减时存在差异，可以对膜片21的形变进行约束，进而改善压电振膜20的谐振频率，降低整个压电式MEMS麦克风的噪音。
特别的，如果约束件70是刚性约束件，谐振频率一般可以达到35kHz以上，但是灵敏度显著降低(<-44dB),可以根据实际使用的需要将此处的约束件70更换为刚性约束件。
本实施例中约束件70为弹性约束件，约束件70包括凸出部71、固定柱72以及弹性臂73，凸出部71与膜片21上自由端212相连接，固定柱72与环形底座12或者限位件30或者垫片40相连接，具体地，固定柱72与环形底座12相连接。弹性臂73的一端与凸出部71连接，弹性臂73的另一端与固定柱72相连接，弹性臂73包括第一支臂731、第二支臂732以及弧形连接臂733，第一支臂731与凸出部71连接，第二支臂732与固定柱72连接，弧形连接臂733的一端与第一支臂731连接，弧形连接臂733的另一端与第二支臂732连接，第一支臂731与第二支臂732平行设置，以使得约束件70具有弹性。
作为优选地实施方式，每一膜片21连接两约束件70，膜片21朝向环形底座12一侧的两端各设置一个约束件70，以便于膜片21振动时更平稳。
约束件70的弹性系数可以通过压电振膜20结构的设计进行调节，进而影响压电式MEMS麦克风的谐振频率、灵敏度以及底噪。当约束件70的弹性系数提高，约束作用更强，谐振频率将显著提高，噪声降低，但是灵敏度会下降；反之，弹性系数降低，约束作用变弱，谐振频率减低，但是灵敏度有明显提升，实际设计中应该按照产品要求的灵敏度、信噪比和谐振频率等进行设计。
经过多次试验可知，约束件70可以有效地释放膜片21在加工工艺中形成的残余应力，膜片21的翘曲形变可以得到较好的控制，形变最大处<50nm，这一形变量对压电式MEMS麦克风的低频衰减影响可以忽略。
约束件70的具体设计不做限制，凡是能够起到弹性连接和约束作用的结构均在本专利范围之内。
约束件70的数量、位置和分布的对称性均等不做限制，可以由悬臂梁膜片21的设计和压电式MEMS麦克风的参数要求来共同决定。对于约束结构，凡是一端连接基底10，一端连接膜片21的自由振动端的设计均在本专利范围之内。自由端212可以是除去固定端211的所有边，包括长边和侧边。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种压电式MEMS麦克风，其特征在于，包括具有腔体的基底、安装于所述基底上的压电振膜以及罩设于所述压电振膜外的限位件，所述基底包括环形底座、设于所述环形底座内侧并与所述环形底座间隔设置的支撑柱，所述压电振膜包括多个膜片，每个所述膜片包括与支撑柱连接的固定端和悬置于所述腔体上方的自由端，所述限位件包括与所述压电振膜间隔设置以对所述自由端在所述膜片的振动方向上形成限位的限位部以及与所述限位部的外边缘相连接并安装在所述环形底座上的边缘固定板，所述限位部设有若干个与所述腔体相对设置的第一通孔。
2.根据权利要求1所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述基底还包括若干个支撑梁，所述支撑梁的一端与所述支撑柱连接、另一端与所述环形底座连接从而将所述腔体分隔成若干个子腔体。
3.根据权利要求2所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述压电振膜为一体式结构，所述压电振膜自其外边缘向所述压电振膜的中心延伸设有透气缝，所述透气缝将所述压电振膜分隔成所述膜片。
4.根据权利要求2所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述限位部包括从所述边缘固定板远离所述环形底座的一侧朝向所述支撑柱方向延伸的限位板，所述限位板覆盖部分所述自由端。
5.根据权利要求4所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述限位部还包括与所述支撑柱相连接的中间固定板以及若干个分别与所述若干个支撑梁一一正对设置的支撑板，每个所述支撑板的一端与所述限位板连接、另一端与所述中间固定板连接，每个所述支撑板覆盖部分所述自由端，所述中间固定板、相邻两所述支撑板和所述限位板部分围合形成所述第一通孔。
6.根据权利要求5所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，每个所述膜片的上方、所述中间固定板和所述限位板之间设有挡板，所述挡板的一端与所述中间固定板连接、另一端与所述限位板连接；或者，
每个所述膜片的上方、两相邻的所述支撑板之间设有挡板，所述挡板的一端与一个所述支撑板连接、另一端与相邻的另一个所述支撑板连接。
7.根据权利要求5所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述压电式MEMS麦克风还包括设于所述基底与所述压电振膜之间的垫片，所述垫片包括沿所述环形底座延伸方向环设的边缘固定垫，所述边缘固定垫的内侧与所述环形底座形成底座避让区，所述压电振膜外边缘在所述基底上的投影位于所述底座避让区外边缘在所述基底上的投影内。
8.根据权利要求7所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述垫片还包括若干个分别沿所述若干个支撑梁铺设的支撑垫，所述支撑垫沿其轴向的两侧分别与所述支撑梁形成支撑梁避让区，所述自由端的侧部覆盖所述支撑梁避让区。
9.根据权利要求8所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述垫片还包括设于所述中间固定板与所述支撑柱之间的中间固定垫，所述支撑垫的一端与所述边缘固定垫连接、另一端与所述中间固定垫连接，且所述中间固定垫、相邻两所述支撑垫以及所述边缘固定垫部分围合形成与所述子腔体相对应的第二通孔。
10.根据权利要求7所述的压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述压电式MEMS麦克风还包括约束件，所述约束件的一端与所述自由端连接、另一端与所述环形底座或所述限位件或所述垫片连接。
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