CN113115188B - Mems压电麦克风 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种MEMS压电麦克风,包括至少一个压电单元,所述压电单元包括:基底,所述基底包括围成收容腔的环形周壁和设于所述收容腔内的支撑结构,膜片结构,包括固定区域和若干个活动部,所述固定区域包括锚定部和自所述锚定部的边缘径向延伸形成的若干个锚定臂;所述压电单元还包括若干个弹性结构,每个所述弹性结构包括固定部和固定于所述固定部上的弹性部,所述固定部固定于所述锚定臂上,所述弹性部环绕于每个所述活动部的外周侧上。本发明将若干个弹性结构的所述固定部固定于所述锚定臂上,所述弹性部环绕于每个所述活动部的外周侧上,使膜片通过弹性结构束缚到基底上,从而大大提升了麦克风的可靠性。
Description
【技术领域】
本发明涉及声电转换技术领域,尤其涉及一种MEMS压电麦克风。
【背景技术】
微机电***(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS),也叫做微电子机械***、微***、微机械等,是一种微小的高科技装置。其常见的产品包括MEMS压电麦克风等,现有的MEMS压电麦克风包括压电单元,该压电单元包括基底、支撑件和膜片结构,其中,膜片结构由四个彼此独立的扇形膜片组成,并且膜片结构中间的一小部分固定在支撑件的支撑柱上,而位于支撑件的支撑臂区域并未覆盖膜片结构,即每个扇形膜片仅顶点处部分固定在支撑件的支撑柱上。然而,该结构的一端固定在中间的位置,另外一端是自由的,从而使得该结构的膜层在具有应力的情况下自由端会发生较大的翘曲,同时在跌落过程中可靠性会较差,从而对MEMS压电麦克风的可靠性造成一定的影响。
【发明内容】
本发明的目的在于提供了一种可靠性良好的MEMS压电麦克风。
为达到上述目的,本发明提供了一种MEMS压电麦克风,包括至少一个压电单元,所述压电单元包括:基底,所述基底包括围成收容腔的环形周壁和设于所述收容腔内的支撑结构,所述支撑结构包括与所述周壁间隔设置的支撑部及自所述周壁延伸至所述支撑部的若干个延伸臂;膜片结构,所述膜片结构为一体结构,包括固定区域和若干个活动部,所述固定区域包括锚定部和自所述锚定部的边缘径向延伸形成的若干个锚定臂,所述锚定部固定于所述支撑部,所述锚定臂固定于所述延伸臂,每个所述活动部环绕所述锚定部,且与所述锚定臂间隔设置;所述压电单元还包括若干个弹性结构,每个所述弹性结构包括固定部和固定于所述固定部上的弹性部,所述固定部固定于所述锚定臂,所述弹性部环绕于每个所述活动部的外周侧上。
优选的,所述弹性部包括相对设置的第一弹性臂和第二弹性臂以及连接臂,所述第一弹性臂的两端分别与所述固定部和连接臂固定连接,所述第二弹性臂与所述连接臂固定连接,且配合贴设于所述活动部的外周侧。
优选的,每个所述弹性结构为弹簧结构。
优选的,所述弹簧结构包括单臂结构、蛇形结构或工字型结构的其中一种。
优选的,每一所述弹性结构与所述锚定臂为一体结构成型设置。
优选的,所述膜片结构沿其振动方向包括依次层叠的第一电极层、第一压电层和第二电极层,所述第一电极层设置于所述膜片结构靠近所述支撑结构的一侧。
优选的,所述膜片结构还包括叠设在所述第二电极层的远离所述第一压电层的一侧的第二压电层以及叠设在所述第二压电层上的第三电极层。
优选的,所述弹性结构沿振动方向包括依次层叠的第一弹性结构层、第二弹性结构层、第三弹性结构层、第四弹性结构层和第五弹性结构层,所述第一弹性结构层、所述第二弹性结构层、所述第三弹性结构层、所述第四弹性结构层和第五弹性结构层分别环绕于所述第一电极层、所述第一压电层、所述第二电极层、所述第二压电层和所述第三电极层的周缘上。
优选的,所述第一弹性结构层、所述第二弹性结构层、所述第三弹性结构层、所述第四弹性结构层和所述第五弹性结构层的结构相同。
本发明的有益效果在于:提供了一种MEMS压电麦克风,其膜片结构通过锚定部和自所述锚定部的边缘径向延伸形成的若干个锚定臂固定在基底上,并通过将若干个弹性结构的所述固定部固定于所述上,所述弹性部环绕于每个所述活动部的外周侧上,使膜片结构的锚定臂通过弹性结构束缚到基底上,从而大大提升了MEMS压电麦克风的可靠性。
【附图说明】
图1为本发明的实施例的压电单元的结构示意图;
图2为本发明的实施例的压电单元的俯视图;
图3为本发明的实施例的压电单元的仰视图;
图4为图1中沿A-A方向的剖视图;
图5为本发明的实施例的压电单元的立体图;
图6为本发明的实施例的弹性结构的结构示意图;
图7为图6中B的局部放大图;
图8为本发明的实施例的基底的结构示意图;
图9为本发明的实施例的第一基板的结构示意图;
图10为本发明的实施例的第二基板的俯视图;
图11为本发明的实施例的第一电极层的结构示意图;
图12为本发明的实施例的第一压电层的结构示意图。
【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、左、右、前、后、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。
参见图1至12,本发明提供一种MEMS压电麦克风,MEMS压电麦克风包括若干个压电单元1,并且若干个压电单元1呈阵列结构分布,在本实施例中,压电单元1设有1个,当然在保证一定的灵敏度或信噪比,压电单元1也可为2*2阵列结构分布,3*3阵列结构分布或者更多阵列式结构。
参见图1至图5,压电单元1,包括基底10、膜片结构30和弹性结构20,方形的基底10具有收容腔101;所述膜片结构30形成在所述基底10的上方,弹性结构20固定于膜片结构30上,且环绕设置于所述膜片结构30外周侧上。
基底10,所述基底10包括围成收容腔101的环形周壁102和设于所述收容腔101内的支撑结构,所述支撑结构包括与所述周壁102间隔设置的支撑部103及自所述周壁102延伸至所述支撑部103的若干个延伸臂104。
膜片结构30,所述膜片结构30为一体结构,包括固定区域301和若干个活动部302,所述固定区域301包括锚定部303和自所述锚定部303的边缘径向延伸形成的若干个锚定臂304,所述锚定部303固定于所述支撑部103,所述锚定臂304固定于所述延伸臂104,每个所述活动部302环绕所述锚定部303、且与所述锚定臂304间隔设置。
若干个弹性结构20,每个所述弹性结构20包括固定部21和固定于所述固定部21上的弹性部22,所述固定部21固定于所述锚定臂304上,所述弹性部22环绕于每个所述活动部302的外周侧上。
将压电单元1的膜片结构30通过锚定部303和自所述锚定部的边缘径向延伸形成的若干个锚定臂304固定在基底上,并通过将若干个弹性结构20的所述固定部21固定于所述锚定臂304上,所述弹性部22环绕于每个所述活动部302的外周侧上,使膜片通过弹性结构束缚到基底10上,从而大大提升了麦克风的可靠性。
在本实施例中,延伸臂104的一端与支撑部103连接,延伸臂104的另一端与周壁102连接从而将收容腔101分隔成若干个沿延伸臂104的周向间隔设置的腔体105,所述弹性结构20和活动部302沿所述基底10的轴向的正投影落入所述腔体105内。具体的,每个腔体105的上方悬置一个弹性结构20和一个活动部302,每一弹性结构20和一活动部302在垂直于膜片结构30方向上的投影轮廓位于对应的腔体105在垂直于膜片结构30方向上的投影轮廓以内。
在本实施例中,基底10上设有四个支撑结构,对应的设有四个膜片结构30和四个弹性结构20;也可以在基底10上设有三个支撑结构,对应的设有三个膜片结构30和三个弹性结构20,且每个膜片上又可以将电极层做成多块结构。具体的,需要根据电容的大小要求来设计电极的个数。当然,支撑结构、膜片结构和弹性结构不仅仅限于上述的三个、四个等,还可以是五个,六个等等,具体可以根据实际情况进行选择设置。
在本实施例中,环形周壁102的内侧壁在垂直于膜片结构30方向上的投影轮廓可以为圆形或者多边形,延伸臂104的数量可根据实际需要进行设置,具体的,所述延伸臂的数量至少为两个,作为更优选地实施方式,延伸臂104的数量为四个。
在本实施例中,基底10中环形周壁102的内侧壁和支撑部103的外侧壁在垂直于膜片结构30方向上的投影轮廓均为圆形;锚定部303在垂直膜片结构30方向上的投影轮廓呈圆形,锚定臂304在垂直膜片结构30方向上的投影轮廓呈条形;单个活动部302在垂直膜片结构30方向上的投影轮廓呈扇环形。
在本实施例中,每一所述弹性结构20与锚定臂304为一体结构成型设置。固定效果好,结构强度高。
在本实施例中,所述弹性部22包括相对设置的第一弹性臂221和第二弹性臂222以及连接臂223,所述第一弹性臂221的两端分别与所述固定部和连接臂223固定连接,所述第二弹性臂222与所述连接臂223固定连接,且配合贴设于所述活动部的外周侧上。第一弹性臂221和第二弹性臂222相对设置于基底和膜片结构之间,通过连接臂223将第一弹性臂221和第二弹性臂222的一端固定连接,以使第一弹性臂221和第二弹性臂222的弹性性能作用于膜片结构上,进而使膜片结构30通过弹性结构20束缚到基底10上,从而大大提升了MEMS压电麦克风的可靠性。
在本实施例中,所述第一弹性臂221与所述第二弹性臂222之间间隔设置形成一弹性间隙224。通过弹性间隙224能够增加第一弹性臂221和第二弹性臂222之间的弹性性能,从而提高弹性结构20的整体弹性性能,进而提升麦克风的可靠性。
进一步的,第一弹性臂221和第二弹性臂222可以是弧形结构设置,对应设置于膜片结构30的外周侧上,便于束缚膜片结构到基底上,固定效果良好。
在本实施例中,每个所述弹性结构20为弹簧结构。弹簧结构弹性恢复效果好,便于将膜片结构30束缚在基底10上,有效的提升了麦克风的可靠性。
在其他实施例中,所述弹簧结构还包括单臂结构、蛇形结构或工字型结构的其中一种。
在本实施例中,所述膜片结构30至少由三层材料堆叠而成。可选的,所述膜片结构30沿振动方向包括依次层叠的第一电极层31、第一压电层32和第二电极层33,所述第一电极层31设置于所述膜片结构30靠近所述支撑结构的一侧。
在本实施例中,所述膜片结构30还包括叠设在所述第二电极层33的远离所述第一压电层32的一侧的第二压电层34以及叠设在所述第二压电层34上的第三电极层35。
在本实施例中,弹性结构沿振动方向包括依次层叠的第一弹性结构层23、第二弹性结构层24、第三弹性结构层25、第四弹性结构层26和第五弹性结构层27,所述第一弹性结构层23、所述第二弹性结构层24、所述第三弹性结构层25、所述第四弹性结构层26和第五弹性结构层27分别环绕于第一电极层31、第一压电层32、第二电极层33、第二压电层34和第三电极层35的周缘上。
第一弹性结构层23、第二弹性结构层24、第三弹性结构层25、第四弹性结构层26和第五弹性结构层27结构相同。
所述第一电极层31包括位于所述活动部302的第一电极片311和位于所述固定区域301的第二电极片312,所述第一电极片311与所述第二电极片312间隔设置。所述第二电极层33、第三电极层35与所述第一电极层31结构相同。
所述第二电极层33包括位于所述活动部302的第三电极片和位于所述固定区域301的第四电极片,所述第三电极片与所述第四电极片间隔设置。
所述第三电极层35包括位于所述活动部302的第五电极片和位于所述固定区域301的第六电极片,所述第五电极片与所述第六电极片间隔设置。
所述第一压电层32包括位于所述活动部302的第一活动部321和位于所述固定区域301的第一固定区域322,所述第一活动部321与所述第一固定区域322相连。所述第一压电层32一体成型,整体呈圆形结构,即第一活动部321与第一固定区域322相连,提升膜片结构30的可靠性。所述第二压电层34与所述第一压电层32结构相同。
所述第二压电层34包括位于所述活动部302的第二活动部和位于所述固定区域301的第二固定区域,所述第二活动部与所述第二固定区域相连。
在本实施例中,所述延伸臂104将所述收容腔101分隔成若干个腔体,所述活动部沿所述基底的轴向的正投影落入所述腔体内。
在本实施例中,所述延伸臂104的数量至少为两个。
在本实施例中,所述基底10包括第一基板11和第二基板12,所述收容腔101包括形成于所述第一基板11的第一腔体111,所述周壁102包括围成所述第一腔体的第一周壁112,所述支撑部103包括设于所述第一腔体111并与所述第一周壁112间隔设置的第一支撑部113,若干所述延伸臂104包括自所述第一周壁112延伸至所述第一支撑部113的若干第一延伸臂114。
参见图9-10,第一基板11包括围成第一腔体111的第一周壁112,设于第一腔体111并与第一周壁112间隔设置的第一支撑部113及自第一周壁112延伸至第一支撑部113的第一延伸臂114,第一支撑部113设于第一腔体111的中心位置,其中,第一支撑部113和第一延伸臂114构成第一支撑结构;第一延伸臂114的一端与第一支撑部113连接,第一延伸臂114的另一端与第一周壁112连接从而将第一腔体111分隔成若干个沿第一延伸臂114的周向间隔设置的第一子腔体115。
第二基板12包括围成第二腔体121的第二周壁122,设于第二腔体121并与第二周壁122间隔设置的第二支撑部123及自第二周壁122延伸至第二支撑部123的第二延伸臂124,第二支撑部123设于第二腔体121的中心位置,其中,第二支撑部123和第二延伸臂124构成第二支撑结构;第二延伸臂124的一端与第二支撑部123连接,第二延伸臂124的另一端与第二周壁122连接从而将第二腔体121分隔成若干个沿第二延伸臂124的周向间隔设置的第二子腔体125。
第一腔体111与第二腔体121连通形成收容腔101,第一周壁112和第二周壁122围合形成环形周壁102;第一支撑部113与第二支撑部123叠设形成基底10的支撑部103,第一延伸臂114与第二延伸臂124形成基底10的延伸臂104,支撑部103和延伸臂104构成支撑结构;第一子腔体115与第二子腔体125连通形成腔体105。延伸臂104可用于在膜片结构30产生较大形变时对膜片结构30提供一定的支撑保护,防止膜片结构30发生折断。
具体的,将压电单元1的膜片结构30通过锚定部303和自所述锚定部303的边缘径向延伸形成的若干个锚定臂304固定在基底10上,并通过将若干个弹性结构20的所述固定部21固定于所述锚定臂304上,所述弹性部22环绕于每个所述活动部302的外周侧上,使膜片结构30通过弹性结构20束缚到基底10上,从而大大提升了MEMS压电麦克风的可靠性。
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 (8)
1.一种MEMS压电麦克风,包括至少一个压电单元,所述压电单元包括:
基底,所述基底包括围成收容腔的环形周壁和设于所述收容腔内的支撑结构,所述支撑结构包括与所述周壁间隔设置的支撑部及自所述周壁延伸至所述支撑部的若干个延伸臂;
膜片结构,所述膜片结构为一体结构,包括固定区域和若干个活动部,所述固定区域包括锚定部和自所述锚定部的边缘径向延伸形成的若干个锚定臂,所述锚定部固定于所述支撑部,所述锚定臂固定于所述延伸臂,每个所述活动部环绕所述锚定部,且与所述锚定臂间隔设置;其特征在于:
所述压电单元还包括若干个弹性结构,每个所述弹性结构包括固定部和固定于所述固定部上的弹性部,所述固定部固定于所述锚定臂,所述弹性部环绕于每个所述活动部的外周侧;
所述弹性部包括相对设置的第一弹性臂和第二弹性臂以及连接臂,所述第一弹性臂的两端分别与所述固定部和连接臂固定连接,所述第二弹性臂与所述连接臂固定连接,且贴设于所述活动部的外周侧;
所述延伸臂的一端与所述支撑部连接,所述延伸臂的另一端与所述周壁连接用于将所述收容腔分隔成若干个沿所述延伸臂的周向间隔设置的腔体,每个所述腔体的上方悬置一个所述弹性结构和一个所述活动部,每一所述弹性结构和一所述活动部在垂直于所述膜片结构方向上的投影轮廓位于对应的所述腔体在垂直于所述膜片结构方向上的投影轮廓以内。
2.根据权利要求1所述的MEMS压电麦克风,其特征在于:每个所述弹性结构为弹簧结构。
3.根据权利要求2所述的MEMS压电麦克风,其特征在于:所述弹簧结构为单臂结构、蛇形结构或工字型结构的其中一种。
4.根据权利要求1所述的MEMS压电麦克风,其特征在于:每一所述弹性结构与所述锚定臂为一体结构成型设置。
5.根据权利要求1所述的MEMS压电麦克风,其特征在于:所述膜片结构沿其振动方向包括依次层叠的第一电极层、第一压电层和第二电极层,所述第一电极层设置于所述膜片结构靠近所述支撑结构的一侧。
6.根据权利要求5所述的MEMS压电麦克风,其特征在于:所述膜片结构还包括叠设在所述第二电极层的远离所述第一压电层的一侧的第二压电层以及叠设在所述第二压电层上的第三电极层。
7.根据权利要求6所述的MEMS压电麦克风,其特征在于:所述弹性结构沿振动方向包括依次层叠的第一弹性结构层、第二弹性结构层、第三弹性结构层、第四弹性结构层和第五弹性结构层,所述第一弹性结构层、所述第二弹性结构层、所述第三弹性结构层、所述第四弹性结构层和所述第五弹性结构层分别环绕于所述第一电极层、所述第一压电层、所述第二电极层、所述第二压电层和所述第三电极层的周缘上。
8.根据权利要求7所述的MEMS压电麦克风,其特征在于:所述第一弹性结构层、所述第二弹性结构层、所述第三弹性结构层、所述第四弹性结构层和所述第五弹性结构层的结构相同。
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