MEMS结构及应用其的压电麦克风、电子烟传感器的制作方法

本发明涉及新型电声元件制造和微电子器件等，尤其涉及一种mems结构及应用其的压电麦克风、电子烟传感器。

背景技术：

1、mems麦克风主要包括电容式和压电式两种。mems压电麦克风是利用微电子机械系统技术和压电薄膜技术制备的传声器，由于采用半导体平面工艺和体硅加工等技术，所以其尺寸小、体积小、一致性好。同时相对于电容传声器还有不需要偏置电压、工作温度范围大、防尘、防水等优点，但其灵敏度和信噪比较低，制约着mems压电麦克风的发展。

2、残余应力是导致灵敏度低的最主要原因之一，目前释放残余应力最有效的方法是将压电复合振动层设计成悬臂式结构，通过自由边界的伸缩来有效释放残余应力。但是悬臂式结构具有稳定性差、低频响应不一致、低频漏声严重等缺点。封闭式振膜结构可以有效克服上述缺点。但现有技术尚没有释放封闭式振膜结构当中残余应力的有效方法。

3、此外，压电材料在非等温条件下具有热释电效应，因此压电压力传感器仅限于在温度变化率很小的环境中工作。电子烟在工作状态时，其中的电子元器件会发热，会导致压电压力传感器在短时间内产生温度变化，从而导致热释电效应。热释电输出信号会干扰由于压力差导致的输出信号从而造成误触发，影响电子烟的使用体验。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、本发明期望能够至少部分解决上述技术问题中的其中之一。

3、(二)技术方案

4、本发明第一方面提供了一种mems结构。该mems结构包括：

5、衬底，包括：衬底外环体；衬底背腔，形成于衬底外环体的内侧；

6、压电复合层，形成于衬底上方，覆盖衬底背腔，包括：沿周向形成的n个弹簧单元；振膜结构和固定结构，分别位于n个弹簧单元的内侧和外侧，n≥3；

7、下限位结构，设置于衬底和压电复合层之间，其向上形成周向延伸的下环形凸起部，该下环形凸起部抵接于振膜结构的下方；

8、上限位结构，设置于压电复合层上方，其向下凸起形成周向延伸的上环形凸起部，该上环形凸起部抵接振膜结构的上方。

9、本发明第二方面提供了一种压电麦克风。该压电麦克风包括：如上的mems结构；其中，由压电复合层的变形来感测外界声波。

10、本发明第三方面提供了一种电子烟传感器。该电子烟传感器包括：如上的mems结构；其中，由压电复合层的变形来感测用户的抽吸动作。

11、(三)有益效果

12、从上述技术方案可知，本发明相对于现有技术至少具有以下有益效果之一：

13、(1)本发明中，由于弹簧单元具有极低的拉伸刚度，所以压电复合层可以在面内自由变形来完全释放残余应力。

14、(2)本发明中，由于具有上、下环形凸起部的限位作用，保证了振膜结构具有足够大的弯曲变形，避免了振膜由于弹簧刚度过低导致的活塞运动，保证了输出信号的强度。此外，压电层面内应力全部同号，避免了正负电荷中和，提高了电极面积的利用率。

15、(3)本发明中，上、下环形凸起部的末端可以呈尖形或平面；

16、在一些实施例中，上、下环形凸起部具有尖形末端，该尖形末端从上、下对振膜结构进行限位，可以近似为简支边界条件，保证了振膜结构具有足够大的弯曲变形。

17、在一些实施例中，上、下环形凸起部具有平面末端，该平面末端从上、下对振膜结构进行限位，平面接触对振动支撑层的作用近似为辊支撑边界，辊支撑边界可以在压电复合层变形过程中提供足够大的弯矩。

18、(4)在本发明的压电麦克风应用场景下：

19、第一种实现方式，上、下电极层沿圆心均分为m2份，每组的上、下电极层在水平面上的投影重合。在电路连接上，当前组的上电极层与相邻下一组的下电极层依次串联，第一组的下电极层接地，最后一组的上电极层连接至mems结构的信号输出端。

20、第二种实现方式，将上、中、下电极层沿圆心等面积分为m1组，其中每一组上、中、下电极在厚度方向上的投影都重合。在电路连接上，同一组电极中的上、下电极层并联，并与相邻下一组电极的中电极层依次串联，第一组的中电极层接地，最后一组的上、下电极层并联连接至mems结构的信号输出端。

21、如上两种实现方式均可以有效提升压电麦克风器件的灵敏度。

22、(5)在电子烟场景下的mems结构中，振膜结构的反向回弹会导致较大的电压输出，可能会引起误触发，影响电子烟的使用体验。

23、本发明中，上限位结构还包括：穿孔板单元，沿水平方向延伸，覆盖于振膜结构的上方，其上形成了多个贯穿孔，这些贯穿孔以振膜结构的轴线为中心对称设置。该穿孔板单元既保证了压电复合层上表面与背腔连通，又可以防止振膜结构的反向变形，可以有效避免反向电压的产生。

24、(6)在本发明的电子烟传感器应用场景下：

25、第一种实现方式，振膜结构自下而上包括：振动支撑层、下电极层、压电层、上电极层。上电极层在水平方向上包括：中心电极，位于中心位置；边缘电极，位于中心电极的外侧。在该mems结构中，通过边缘电极和中心电极将具有单压电功能层的压电复合层分为两部分，并通过底电极串联。

26、第二种实现方式，振膜结构为双晶片结构，其自下而上包括：下电极层、下压电层、中电极层、上压电层、上电极层。在电子烟应用场景下，双晶片结构的中电极层接地，上、下电极层并联输出。

27、如上两种实现方式均可以有效消除mems结构中由于热释电所产生的电压信号。

技术特征：

1.一种mems结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的mems结构，其特征在于，所述上环形凸起部和下环形凸起部相对于所述振膜结构对称设置，其中：

3.根据权利要求2所述的mems结构，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的mems结构，其特征在于，

5.根据权利要求2所述的mems结构，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的mems结构，其特征在于，

7.根据权利要求2所述的mems结构，其特征在于，

8.根据权利要求7所述的mems结构，其特征在于，

9.根据权利要求1至8中任一项所述的mems结构，其特征在于，

10.根据权利要求1至8中任一项所述的mems结构，其特征在于，所述上限位结构还包括：

11.根据权利要求1至8中任一项所述的mems结构，其特征在于，所述n个弹簧单元在压电复合层的周向上均匀分布；

12.根据权利要求11所述的mems结构，其特征在于，

13.一种压电麦克风，其特征在于，包括：如权利要求1至12中任一项所述的mems结构；其中，由所述压电复合层的变形来感测外界声波。

14.根据权利要求13所述的压电麦克风，其特征在于，

15.根据权利要求14所述的压电麦克风，其特征在于，

16.一种电子烟传感器，其特征在于，包括：如权利要求1至12中任一项所述的mems结构；其中，由所述压电复合层的变形来感测用户的抽吸动作。

17.根据权利要求16所述的电子烟传感器，其特征在于，

技术总结本发明涉及新型电声元件制造和微电子器件等技术领域，尤其涉及一种MEMS结构及应用其的压电麦克风、电子烟传感器。本发明MEMS结构包括：衬底；压电复合层，形成于衬底上方，覆盖衬底背腔，包括：沿周向的N个弹簧单元；振膜结构和固定结构，分别位于所述N个弹簧单元的内侧和外侧，N≥3；下限位结构，其向上形成周向延伸的下环形凸起部，该下环形凸起部抵接于所述振膜结构的下方；上限位结构，其向下凸起形成周向延伸的上环形凸起部，该上环形凸起部抵接所述振膜结构的上方。本发明中，由于具有上、下环形凸起部的限位作用，保证了振膜结构具有足够大的弯曲变形，避免了振膜由于弹簧刚度过低导致的活塞运动，保证了输出信号的强度。技术研发人员：李冠华,刘端受保护的技术使用者：安徽奥飞声学科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/23