一种三棱柱衬底及压电振膜部分悬浮设置的压电麦克风

1.本发明属于电子技术领域，更进一步涉及声电转换技术领域中的一种三棱柱衬底及压电振膜部分悬浮设置的压电麦克风。本发明可用于人耳能听见的声波频段，在满足声电转换的情况下，实现对声波甚至微弱声波信号的感知与采集，同时具有一定的方向识别性，适用于各类电子设备对各种可听声音信号的采集。


背景技术：

2.压电麦克风主要与声信号的收集密切相关，其所需的驱动电压、在芯片上的占用面积、受外界环境因素的干扰、信噪比等方面都具良好的可靠性与兼容性而特别适合于目前电子产品高度集成、低功耗发展趋势。然而，由于压电式麦克风本身的结构特点，使得灵敏度这个重要的参数并不理想。所以在实际的应用中会因为灵敏度不高的问题导致对某些微弱声波采集时存在漏声的情况而影响它所在设备的可靠性；同时为了实现声源方向识别，通常会采用多个麦克风而使得在集成到专用芯片上时，其占用面积大而不利于提高集成度。
3.中国科学院声学研究所在其申请的专利文献“一种压电传感器及麦克风”(申请号：202110031170.6，申请公布号：cn 112885955 a)中提出了一种同心圆环电极的压电麦克风。该麦克风的组成包括衬底支撑层、绝缘层、底部电极、单层锆钛酸铅压电薄膜材料、同心圆顶部电极。在压电薄膜底部采用全表面电极，其顶部电极采用同心圆环的电极，并将各电极相互串联，这样做的目的是有利于增大输出电压，使得在较小的声压下就会有更高的电压产生。虽然这种改进方法有利于提高灵敏度，但是，该麦克风仍然存在的不足之处是，其压电薄膜与底部电极两端被固定，中间为空腔，这种结构不利于压电薄膜的振动，使得声电转换效率没有充分发挥，而进一步阻碍了灵敏度的提升。
4.成都纤声科技有限公司在其申请的专利文献“压电式麦克风、耳机和电子设备”(申请号：202110768523.0，申请公布号：cn 113490121 a)中提出了一种采用狭槽的压电麦克风结构。该结构的麦克风所用到材料主要有衬底层、绝缘层、压电薄膜材料、电极材料。该结构独特点是将压电材料、电极以及下方的支撑层被沟槽隔断，并且其顶部电极并不完全覆盖压电材料，位于隔离槽两侧的电极由互连组件引出，这样不仅可提高灵敏度、还可以解决器件输出故障问题，但是，该麦克风仍然存在的不足之处是，该麦克风采用沟槽会有一定的漏声风险，而且其空腔的底部电极下的支撑层结构会使得压电薄膜材料在感知声波时的振幅减弱，而在压电薄膜表面产生的极化电荷不多而影响压电麦克风的灵敏度。
5.中北大学在其申请的专利文献“新型压电式mems麦克风的结构及装置”(申请号：202110927935.4，申请公布号：cn 113596690 a)中提出了一种增加中心及边缘孔隙结构的压电麦克风。该压电麦克风采用圆形衬底、电极材料、压电材料，其特点在于除了由四分之一压电单元重复构成的整个圆形压电麦克风的中心部分底部有空腔外，在圆形的压电结构与衬底交接部分有一部分是空的。而且未使用绝缘支撑层，采用这种以空腔最大化且无绝缘支撑层来提高压电麦克风的灵敏度，虽然能够很大程度的提高麦克风的灵敏度，但是，该
麦克风仍然存在的不足之处是，这种不采用绝缘层结构的麦克风在目前的工艺中不仅很难实现，而且其空腔位于振膜下阻碍了空腔进一步增大，特别是当声波从振膜的顶部或者侧部传入时，由于结构特点，进而会影响声波传入的质量而影响整个麦克风的灵敏度。
6.rahaman a等人在其发表的论文“sound source localization in 2d using a pair of bio
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inspired mems directional microphones”(eee sensors journal，pp(99):1-1，2020)中提出了一种具有声源辨别能力的麦克风。该麦克风的结构采用了一整块为圆形的压电振膜，在整个结构的对称轴上的两端，均采用两根扭力梁固定。采用这种方法虽然实现了声信号的收集与声源的辨别，但是，该麦克风仍然存在的不足之处是，其结构是一整个大圆，不仅占用较大的系统芯片面积，而且这会导致未被固定的两侧压电振膜在跟随声信号振动时相互影响，这不仅会影响该麦克风的灵敏度，而且会进一步影响声源识别能力。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提出一种三棱柱衬底及压电振膜部分悬浮设置的压电麦克风，旨在解决现有压电式麦克风存在灵敏度不高、空腔大小不足、以及要实现具有辨别声源方向能力的麦克风，还存在使用一整块较大面积的压电振膜而带来的麦克风需要占用更大系统芯片面积以及该种麦克风声源识别能力不高的问题。
8.实现本发明目的的具体思路是：本发明采用压电振膜下仅有极少部分绝缘支撑层的压电振膜结构，因振膜完全位于绝缘支撑层上的压电麦克风增加了绝缘层而增大了整个麦克风的刚度而不容易产生形变，而压电麦克风其核心是依靠压电材料的在外界作用下产生形变进而在压电薄层上产生电荷，形变越大所产生的电荷越多，而当在外界有声波传来时，特别是振幅小的较弱的声波信号，这种结构的压电麦克风随声波的振动而振动的幅度可能不足，导致压电材料产生的电荷过少，使得后端电路无法识别而导致不能收集完整声信号，采用仅有极少部分振膜位于绝缘支撑层上的结构，不仅与现有工艺技术匹配，而且大大降低了压电振膜的刚度，而进一步提高了灵敏度。本发明采用的衬底使用了两个两底面上有两边相等的三棱柱结构所组成，其中两个三棱柱中与其它两侧面面积不相等的侧面相距一定距离且呈对称布置的两衬底，同时本发明采用的压电振膜单元，使用了两振膜结构分别置于绝缘支撑层两侧，相比于采用位于压电振膜下空腔为圆形或者方形多的压电麦克风，将压电振膜置于绝缘层两侧以及采用两相距一定距离的衬底，避免了空腔小而带来的更大空气阻力所带来的灵敏度不高问题。本发明采用两压电振膜具有一定距离的压电振膜单元，使用的压电振膜单元包括两个三角形的压电振膜结构，采用两压电振膜结构且相距一定距离就避免了采用单个大面积的压电振膜实现声信号采集与声源识别所存在的固定位置两侧压电振膜相互影响而影响声源识别能力，而且波在传播过程中有能量损耗，当某一方向的声波传来时，由于两压电振膜之间相隔一定距离，使得到达不同压电振膜上的声信号振幅不同而使各压电振膜所产生的振幅也不同，进而两压电振膜所生产的电荷就有所差异，经后电路处理而达到声源辨别，从而解决了单个麦克风声源识能力不高以及占用面积大的问题。
9.为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
10.本发明包括置于衬底上表面的绝缘支撑层，分别置于绝缘支撑层两侧的压电振膜
单元；所述衬底为长方体或者为两个结构相同的衬底组成；所述两个结构相同的衬底均为两底面上有两边相等的三棱柱体，两个三棱柱中与其它两侧面面积不相等的侧面相距至少几百微米且呈对称布置；所述绝缘支撑层为两种立体结构，一种立体结构的底面为八边形的立体结构，另一种立体结构的底面为六边形的立体结构；所述压电振膜单元中设置两个结构相同且为等腰三角形的立体薄层的第一压电振膜和第二压电振膜；两个压电振膜结构距等腰三角形底边高度小于等于二分之一高的部分，分别置于绝缘支撑层的两侧，其余部分的压电振膜悬浮设置。
11.本发明与现有技术相比具有以下优点：
12.第一，本发明采用衬底为两个底面上有两边相等的三棱柱结构，其中两个三棱柱中与其它两侧面面积不相等的侧面相距一定距离且呈对称布置，这样做可进一步增大麦克风的空腔，使声波更容易进入压电麦克风，克服了现有压电麦克风技术采用圆环、方块衬底所制备的空腔小而阻碍声波进入麦克风而导致灵敏度下降的问题，使得本发明具有更大的空腔与性能的优点，提高了压电麦克风的灵敏度。
13.第二，本发明在绝缘支撑层两侧分别设置的压电振膜，且两个压电振膜均为三角形且分开一定的距离，避免了采用单个压电振膜所存在的固定部位两侧振膜相互影响以及压电振膜面积大的缺点，克服了现有声源识别的麦克风占用系统芯片面积大及识别能力不高的问题，使得本发明具有更小的面积与更好的声源识别能力的优点。
14.第三，本发明采用两压电振膜结构为等腰三角形的立体薄层的第一压电振膜、第二压电振膜，两个压电振膜结构距等腰三角形底边高度小于等于二分之一高的部分，分别置于绝缘支撑层的两侧，其余部分的压电振膜悬浮设置，悬浮设置部分的压电振膜结构下无绝缘支撑层而具有更大的振幅而改善了灵敏度，克服了现有技术中振膜下全为绝缘支撑层所带来的压电振膜振幅不足而使灵敏度不高、以及不采用绝缘支撑层所带来的工艺困难的问题，使得本发明在实际应用于系统芯片中时，不仅占用面积小同时具有更高的灵敏度。
附图说明
15.图1是本发明实施例1压电麦克风的结构示意图；
16.图2是本发明实施例2压电麦克风的结构示意图。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
18.本发明压电麦克风中包括衬底、绝缘支撑层和压电振膜单元。所述压电振膜单元包括两个结构相同的压电振膜结构31和压电振膜结构32。衬底为长方形衬底11或者由两个结构相同的衬底41和衬底42组成的本发明实施例的压电麦克风的结构有两个。
19.参照图1和实施例1，对本发明中的一种压电麦克风结构作进一步详细说明。
20.本发明实施例1中所述衬底1为在x、y、z轴方向上长度为980微米，宽度为400微米、高度为0.8微米的长方体。
21.所述绝缘支撑层采用底面为八边形的立体结构2，底面为八边形的立体结构2的四组两两对边相互平行，且四组对边长度比值为41：20：9：9。
22.绝缘支撑层2位于本发明实施例1的衬底1沿z轴方向的上表面之上，在xy平面图上
的俯视图中为一个对边相互平行的规则的八边形，且有两条分别平行于x轴和y轴的对称轴，两对称轴交点为八边形的中心位置，该八边形在平行于x轴方向有两条相距720微米、长为820微米的边，在平行于y轴方向有相距980微米、长为400微米的两直线，其余四条边均为长179微米的直线，该八边形沿z轴方向构成厚度为1微米的立体结构。
23.所述压电振膜单元由两个结构相同的第一压电振膜结构31和第二压电振膜结构32组成。所述第一压电振膜31由依次堆叠的第一层电极311、第一压电层312、第二层电极313、第二压电层314、第三层电极315组成。所述第二压电振膜32由依次堆叠的第一层电极321、第一压电层322、第二层电极323、第二压电层324、第三层电极325组成。所述第一压电振膜31和第二压电振膜32为半圆或多边形的立体薄层，多边形中边的数目大于或等于3。
24.在xy平面上的俯视图中，每个压电振膜结构均为等腰三角形，其边长为980微米，高为980微米，该等腰三角形沿z轴方向构成厚度为1.3微米的立体结构。第一压电振膜结构31和第二压电振膜结构32在其等腰三角形底边为160微米部分，分别置于x轴正方向与负方向的绝缘支撑层2之上，其余部分的压电振膜结构下方无绝缘支撑层2悬浮设置，并且均与xy平面平行。
25.所述第一压电振膜结构31沿z轴方向上依次设置有第一层电极311、第一压电层312、第二层电极313、第二压电层314、第三层电极315。即第一压电层312置于第一层电极311之上，第二层电极313置于第一压电层312之上，第二压电层314置于第二层电极313之上，第三层电极315置于第二压电层314之上。其中，第一层电极311、第二层电极313、第三层电极315沿x、y、z轴的尺寸均为长度980微米、980微米、厚度为0.1微米；第一压电层312、第二压电层314沿x、y、z轴方向的尺寸均为长度980微米、980微米、厚度为0.5微米。
26.所述第二压电振膜结构32沿z轴方向上依次设置有第一层电极321、第一压电层322、第二层电极323、第二压电层324、第三层电极325。即第一压电层322置于第一层电极321之上，第二层电极323置于第一压电层322之上，第二压电层324置于第二层电极323之上，第三层电极325置于第二压电层324之上。其中，第一层电极321、第二层电极323、第三层电极325沿x、y、z轴的尺寸均为长度980微米、980微米、厚度为0.1微米；第一压电层322、第二压电层324沿x、y、z轴方向的尺寸均为长度980微米、980微米、厚度为0.5微米。
27.本发明的实施例中压电麦克风的衬底1的材质为硅，绝缘支撑层2的材质为二氧化硅，第一、第二压电振膜中电极材料为钼、钛、铂中的至少一种或多种，即在实际应用中在同一压电振膜结构中的第一二三电极材料的材质可以不同，压电层材料可以选择氮化铝、掺钪的氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅以及铌酸锂中的任意一种。在采集声信号时，由于本发明的麦克风第一、第二压电振膜结构位于绝缘支撑层2的两侧，且二者之间具有较大的空腔，每个压电振膜会跟随声信号的波动而振动，由于每个压电振膜有部分结构悬浮设置，即其下方悬浮于结构支撑层之外，导致此种无结构支撑层2的压电麦克风的每个压电振膜会的振动具有更大振幅，使得压电材料的正压电效应而产生更多的电荷，同时振幅的增大进一步降低了谐振频率，进一步使得本发明的麦克风具有更高的灵敏度。同时本发明的麦克风第一、第二压电振膜结构之间相间隔衬底1上表面平行x轴方向宽度的距离，当声信号从某一侧传来时，因为声波的能量会随着距离增加而衰减，当声波传到麦克风时，由于两个压电振膜单元之间不在同一位置而感受到的波的能量也不同，进而造成每个压电振膜单元的振幅各不相同，从而根据两个压电振膜单元之间产生的电荷大小的不同来辨别声源方向，因此
本发明的压电麦克风具有一定的识别声源方向的能力。
28.参照图2和实施例2，对本发明的第二种压电麦克风结构作进一步详细说明。
29.本发明压电麦克风中包括衬底41、衬底42、绝缘支撑层5和压电振膜单元。所述绝缘支撑层采用底面为六边形的立体结构5，所述底面为六边形的立体结构5的三组两两对边相互平行，且三组对边长度比值为20：9：9。
30.本发明实施例2中所述衬底41、衬底42在xy平面上的俯视图均为底边长为400微米、高为100微米的等腰三角形，两等腰三角形垂直于底边的高位于沿x轴的同一条直线上，且两底边相距980微米，两等腰三角形沿z轴方向分别构成厚度为0.8微米的立体结构，即所述衬底41与衬底42。所述衬底41、衬底42也可均为底面半径小于等于100微米的圆柱或圆台体。
31.所述绝缘支撑层5位于本发明实施例2的衬底4沿z轴方向的上表面之上，在xy平面上的俯视图中，该绝缘支撑层2为一个对边相互平行的规则的六边形，且有两条分别平行于x轴和y轴的对称轴，两对称轴交点为六边形的中心位置，该六边形在平行于x轴方向有两条相距720微米、长为820微米的边，在平行于x轴的对称轴上存在相距1080微米的两点，将该两点分别与平行于x轴的两直线端点相连就构成了该六边形，该六边形沿z轴方向构成厚度为1微米的立体结构。
32.在本实施例2中的压电振膜单元的结构与实施例1中的完全一样，唯一不同的是，将第一压电振膜结构31、第二压电振膜结构32在其等腰三角形底边为160微米部分，分别置于y轴正方向与负方向的绝缘支撑层5之上，其余部分的压电振膜结构下方无绝缘支撑层5而悬浮设置，并且均与xy平面平行。
33.由于本发明本实施例2中的压电麦克风的绝缘支撑层5下采用的是两个相同的三棱柱的衬底41、衬底42，具有更大的空腔，当声波传入麦克风后，压电振膜单元会有更大的振幅在进一步提升灵敏度的同时获得更高质量的声音信息。