一种基于镂空振膜的mems压电声学与振动能量采集器
阅读说明：本技术 一种基于镂空振膜的mems压电声学与振动能量采集器 (MEMS piezoelectric acoustics and vibration energy collector based on hollow vibrating diaphragm ) 是由 徐佳文 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于镂空振膜的MEMS压电声学与振动能量采集器,可用于同时将声学与环境振动的机械能转化为电能；包括：衬底；质量块,产生振幅,用于与外部声学耦合膜连接；背腔,位于中间区域；绝缘层；振膜,用于支撑压电薄膜并将其采集的机械能传递给质量块；顶电极；压电薄膜层,通过压电效应将机械转化为电能；底电极。本发明中振膜采用镂空结构,与非镂空振膜MEMS压电声学与振动能量采集器相比,镂空结构的引入可降低压电能量采集器的刚度,降低MEMS压电声学与振动能量采集器第一谐振频率,且有效增加器件机电耦合系数,利用镂空结构降低谐振频率并不减薄压电换能器整体厚度,以维持压电薄膜的应变,最终提高能量转换效率。(The invention relates to an MEMS piezoelectric acoustic and vibration energy collector based on a hollow vibrating diaphragm, which can be used for simultaneously converting mechanical energy of acoustic and environmental vibration into electric energy; the method comprises the following steps: a substrate; a mass block generating an amplitude for connection with the external acoustic coupling membrane; a back cavity located in the middle region; an insulating layer; the vibrating diaphragm is used for supporting the piezoelectric film and transmitting the mechanical energy collected by the piezoelectric film to the mass block; a top electrode; the piezoelectric film layer converts machinery into electric energy through a piezoelectric effect; a bottom electrode. The vibrating diaphragm adopts a hollow structure, compared with a non-hollow vibrating diaphragm MEMS piezoelectric acoustics and vibration energy collector, the introduction of the hollow structure can reduce the rigidity of the piezoelectric energy collector, reduce the first resonant frequency of the MEMS piezoelectric acoustics and vibration energy collector, effectively increase the electromechanical coupling coefficient of the device, reduce the resonant frequency by using the hollow structure and not reduce the whole thickness of the piezoelectric transducer so as to maintain the strain of the piezoelectric film and finally improve the energy conversion efficiency.)
技术领域
本发明涉及微机电系统领域，尤其涉及一种基于镂空振膜的MEMS压电声学与振动能量采集器。
背景技术
MEMS即微机电系统，表示通过微电子和微机械加工技术制造出来的新型器件，具有尺寸小、工艺简单、易集成、便于批量化生产和成本低等优点。MEMS压电声学与振动能量采集器即为通过MEMS工艺制备得到的一类环境能量采集器，具有体积小和易于集成等优点，同时由于批量化进程可降低成本。MEMS能量采集器可分为电磁式MEMS声学与振动能量采集器、静电式MEMS声学与振动能量采集器和压电式MEMS声学与振动能量采集器。MEMS压电式声学与振动能量采集器在结构设计、加工工艺和整合技术上更简单，更易于实现轻薄化微型高性能声学与振动能量采集器。
相关技术将MEMS压电换能器与质量块和声学耦合膜相连接，一方面使得质量块可以在外界振动激励下振动并且产生电能，一方面声学耦合膜可以在外界声场激励下带动质量块振动，从而产生电能，有效将环境中的振动能量和声学能量转换为电能。
然而，相关技术中MEMS器件的第一谐振频率较高，导致低频性能不好，难以满足实际使用。其第一谐振频率受限于MEMS压电换能器的共振频率，主要由MEMS压电换能器的刚度决定。同时，由于MEMS压电环能器尺寸小，使得声学与振动能量采集器的效率提高困难，故需要优化MEMS压电声学与振动能量采集器的系统层面机电耦合系数。传统MEMS压电声学与振动能量采集器的设计中主要采用两种手段降低器件的第一谐振频率，其一，增加质量块的质量；其二，减薄压电换能器的厚度。增加质量并不改变系统机电耦合系数的大小，无益于能量采集器整体效率的提高；减薄压电声学与振动能量采集器的厚度，降低压电声学与振动能量采集器刚度的同时也会减弱压电换能器中的应变，对压电声学与振动能量采集器机电耦合系数的提高无正面贡献，传统方法难以在降低器件刚度的同时不降低器件的机电耦合系数。因此。要同时满足声学与振动能量采集器高效率和低第一谐振频率两个条件，传统的MEMS压电声学与振动能量采集器设计难以实现。
因此，有必要提供一种改进的MEMS压电声学与振动能量采集器来解决上述问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于镂空振膜的MEMS压电声学与振动能量采集器，同时采集环境中的振动能量和声学能量，并将其转化为电能。
一种基于镂空振膜的MEMS压电声学与振动能量采集器，可用于采集环境中的振动和声学机械能，并将其转化为电能。该MEMS压电声学与振动能量采集器，包括：衬底；质量块，用于与外部声学耦合膜连接，并采集环境振动能量；背腔，位于中间区域；绝缘层；振膜，用于支撑压电薄膜并将其产生的机械能传递给质量块；顶电极；压电薄膜层，通过压电效应将机械能转化为电能；底电极。
优选的，振膜由三部分构成：位于四周基底之上部分、位于压电薄膜层上方或下方部分、以及将中间质量块与压电薄膜连接起来的结构梁部分。其中位于压电薄膜上方或下方部分的振膜采用镂空结构，加工形成光栅等条状结构，或波浪纹、网状及多孔结构等镂空结构。
优选的，振膜的结构梁部分形状可为L型、S型及C型曲线等。
优选的，衬底为矩形，中央区域为背腔。
优选的，质量块为1~10个，位于器件中间。
优选的，振膜、顶、底电极层和压电薄膜层共同构成有机振动膜层，形成于背腔之上。
优选的，有机振动膜层可以为一个相连的整体或是多个分立的单元，且并不仅限于包括所述部件，还可包括绝缘层、钝化层、保护层等附加结构。
优选的，顶、底电极层和压电薄膜层呈三明治结构，压电薄膜为单层或多层，其上、下表面都被电极层覆盖。
优选的，三明治结构可位于振膜的上表面或/和下表面。
优选的，三明治结构分布于有机振动膜层的两侧，单边形状为1~10个矩形、梯形或扇形，关于左右对称。
优选的，压电材料为PZT、AlN、ZnO或其它压电薄膜材料。
优选的，振膜为单一或复合薄膜，其材料为无机或有机材料。
本发明的有益效果：
与相关技术相比：
1、本发明的MEMS压电声学与振动能量采集器采用镂空结构的振膜，该结构使得器件结构刚度得以大幅降低，同时压电薄膜中产生的应变并不减小；从而实现了MEMS压电声学与振动能量采集器刚度降低及机电耦合系数提升的双重需求。
2、本发明改善了MEMS压电声学与振动能量采集器的低频性能，并增加了器件全频域能量转换效率，与压电声学与振动能量采集装置中其他部件封装在一起，可降低声学与振动能量采集的第一谐振频率，改善低频性能，且提高了系统复合环境能量采集的效率。
附图说明
图1是相关技术中MEMS压电声学与振动能量采集装置的结构示意图；
图2是本发明提供的MEMS压电声学与振动能量采集器实施例一的结构示意图；
图3是根据本发明实施例一所示的MEMS压电声学与振动能量采集器沿着A-A面剖开的剖面示意图；
图4是图3所示MEMS压电声学与振动能量采集器振膜的结构示意图；
图5是本发明提供的MEMS压电声学与振动能量采集器实施例二的剖面结构示意图；
图6是本发明提供的MEMS压电声学与振动能量采集器实施例三振膜结构示意图；
附图标记列表：
其中：1- MEMS声学与振动能量采集器装置；2- 音膜；3 -耦合板；4- PCB板；5- 壳体；6- MEMS压电声学与振动能量采集器；6-1 实施例一的MEMS压电声学与振动能量采集器；
6-2 实施例二的MEMS压电声学与振动能量采集器；7 后腔；8 防尘网；9 振膜；9-1实施例一的振膜；9-2 实施例三的振膜；10 顶电极；11 压电薄膜；12 底电极；13 绝缘层；14 衬底；15 背腔；16 质量块；17 压电薄膜三明治结构；18 有机振动膜层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
图1为相关技术的MEMS压电声学与振动能量采集器装置结构示意图，包括：壳体5，用于支撑所述装置其他部件；音膜2,其能够相对于PCB板4沿垂直方向振动；耦合板3，用于连接音膜2与质量块，可将环境中声学和振动机械能由音膜、质量块传递给MEMS压电换能器；MEMS压电声学与振动能量采集器6，通过机电耦合效应将环境中的机械能转化为电能；PCB板4，用于激励MEMS压电声学与振动能量采集器6；防尘网8和后腔7。其中MEMS压电声学与振动能量采集器6为核心部件，直接决定了声学与振动能量采集器的灵敏度和第一谐振频率，本发明基于该声学与振动能量采集器装置，将MEMS压电声学与振动能量采集器加以设计，使其采集环境中声学与振动能量并将其转化为电能的性能更佳。
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，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的实施例一中，提供了一种MEMS压电声学与振动能量采集器。
图2-图4为本发明实施例一的结构示意图。其中，图2为本发明实施例一的整体结构示意图；图3为根据本发明实施例一所示的MEMS压电声学与振动能量采集器沿着A-A面剖开的剖面示意图；图4为本发明实施例一所示的MEMS压电声学与振动能量采集器振膜的结构示意图。
参照图2-图3，MEMS压电声学与振动能量采集器6，包括：衬底14，用于固定有机振动膜层18边缘；质量块16，产生振幅，用于与外部音膜连接；背腔15，位于中间区域；绝缘层13；振膜9，用于支撑压电薄膜三明治结构17并将其采集的机械能传递给质量块；顶电极10；压电薄膜层11，通过压电效应将机械能转化为电能；底电极12。
下面结合附图来对本发明的MEMS压电声学与振动能量采集器的各部分进行详细介绍。
参照图4，本实施例中，振膜9由三部分构成：位于四周基底之上部分、位于压电薄膜层,上方或下方部分、以及将中间质量块与压电薄膜连接起来的结构梁部分。其中位于压电薄膜上方或下方部分的振膜采用镂空结构，通过刻蚀形成光栅条状结构，呈左右对称。
需要说明的是，实施例中MEMS压电声学与振动能量采集器的镂空振膜不仅限于光栅条状结构，本发明还可包含其他镂空结构，如波浪纹、网状及多孔结构等。同时，振膜中与压电薄膜相连接的结构梁部分，可为L型、S型及C型曲线等。
参照图2-图3，本实施例中，MEMS压电声学与振动能量采集器6的衬底14外形为矩形，中央区域为背腔15，拐角处通过圆弧过渡处理；质量块16位于器件正中间。振膜9、顶、底电极层10、12和压电薄膜层11共同构成有机振动膜层18，形成于背腔15之上。电极层10、12和压电薄膜层11呈三明治结构17，压电薄膜上下表面都被电极层覆盖，位于振膜9的下表面。三明治结构17分布于有机振动膜层的两侧，单边形状为矩形。
需要说明的是，实施例中MEMS压电声学与振动能量采集器的有机振动膜层，可以为一个相连的整体或多个分立的单元，且并不仅限于包括所述部件，还可包括绝缘层、钝化层、保护层等附加结构，可根据实际需求进行选择。同时，压电材料为PZT、AlN、ZnO或其它压电薄膜材料，为单层或多层结构；单侧三明治结构17可为1~10个矩形、梯形或扇形，关于中心左右对称。振膜9可为单一或复合薄膜，其材料可为无机或有机材料，具体根据实际需求进行选择。
图5为本发明实施例二的结构截面示意图。在本发明的实施例二中，提供了一种MEMS压电声学与振动能量采集器；所述压电声学与振动能量采集器的结构与实施例一中所述的压电声学与振动能量采集器的结构基本相同，不同点在于：
实施例中MEMS压电声学与振动能量采集器的三明治结构17，位于振膜9的上表面。在具体工艺步骤中，与实施例一有较大差别，具体可根据实际需求进行选择。
图5为本发明实施例三的振膜结构示意图。在本发明的实施例三中，提供了一种MEMS压电能量采集器的网状结构振膜。与实例一中光栅结构振膜相比，横向刚度更大，有利于结构的稳定性，具体可根据实际需求进行选择。
与相关技术相比，本发明的MEMS压电声学与振动能量采集器采用镂空结构的振膜。该结构使得器件结构刚度得以大幅降低，同时压电薄膜中产生的应变并不减小，甚至有所增加。从而实现了MEMS压电声学与振动能量采集器刚度降低及机电耦合系数不降低双重需求。本发明的MEMS压电声学与振动能量采集器与压电声学与振动能量采集器装置中其他部件封装在一起，可改善能量采集器的低频性能，提高环境声学与振动能量的转换效率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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