一种声学换能器结构及其阵列
阅读说明：本技术 一种声学换能器结构及其阵列 (Acoustic transducer structure and array thereof ) 是由 张嵩松 于 2020-05-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种声学换能器结构及其阵列,该声学换能器结构包括衬底、中心凹腔、至少一环形凹腔及振膜,其中,中心凹腔自衬底上表面开口,并往衬底下表面方向延伸；至少一环形凹腔环绕于中心凹腔周围,环形凹腔的内圈边缘与中心凹腔的边缘之间间隔预设距离；振膜位于衬底上表面,并覆盖中心凹腔及环形凹腔的开口。本发明可通过机械加工或者基于半导体工艺的MEMS制成,实现逐层向外的结构之间的机械动态相关性,达到不同振膜之间机械频响耦合的效果。通过简单物理器件结构的重复组合,不但实现器件自身固有机械共振频率,而且也使共振模态相互耦合,达到在其它频率(如高阶模态)频响,从而实现更广域的声学动态响应,并提高响应范围内的声场强度。(The invention provides an acoustic transducer structure and an array thereof, wherein the acoustic transducer structure comprises a substrate, a central concave cavity, at least one annular concave cavity and a vibrating diaphragm, wherein the central concave cavity is opened from the upper surface of the substrate and extends towards the lower surface of the substrate; at least one annular concave cavity surrounds the central concave cavity, and a preset distance is arranged between the edge of the inner ring of the annular concave cavity and the edge of the central concave cavity; the vibrating diaphragm is positioned on the upper surface of the substrate and covers the openings of the central concave cavity and the annular concave cavity. The invention can be manufactured by mechanical processing or MEMS based on semiconductor technology, thus realizing the mechanical dynamic correlation between the structures which are outward layer by layer and achieving the effect of mechanical frequency response coupling between different diaphragms. By repeated combination of simple physical device structures, the inherent mechanical resonance frequency of the device is realized, and resonance modes are mutually coupled to achieve frequency response at other frequencies (such as high-order modes), so that wider acoustic dynamic response is realized, and the sound field intensity in a response range is improved.)
技术领域
本发明属于微电子芯片设计领域，涉及一种声学换能器结构及其阵列。
背景技术
传统的声学换能器动态响应范围一般由固有共振频率决定。而固有共振频率一般由器件物理结构和尺寸决定。受加工工艺的限制，由传统快材制作的声学换能器/传感器一般物理结构固定，只有一个动态响应频率。无法真正地在广域上实现很好的动态响应。而很多声学器件在声学介质里的应用需要器件在不同频率上都有较高的动态响应，来完成更广泛的应用需求。比如，通过调整频率来调制测量分辨率，控制检测范围等。
通过微加工的MEMS(微机电系统)传感器可以通过不同的器件物理形状、尺寸组合实现更大的带宽响应。但单个器件设计一般只工作在单一频率。多个器件的组合一般对应相同数量的频率响应和工作带宽。
因此，如何提供一共具有更广域的声学动态响应的声学换能器结构及其阵列，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种声学换能器结构及其阵列，用于解决现有的声学换能器的声学动态响应范围较窄、响应范围内声场强度不高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种声学换能器结构，包括：
衬底；
中心凹腔，自所述衬底上表面开口，并往所述衬底下表面方向延伸；
至少一环形凹腔，环绕于所述中心凹腔周围，所述环形凹腔的内圈边缘与所述中心凹腔的边缘之间间隔预设距离；
振膜，位于所述衬底上表面，并覆盖所述中心凹腔的开口及所述环形凹腔的开口。
可选地，所述环形凹腔的数量范围是2-10个，各所述环形凹腔由内而外依次间隔排列。
可选地，所述环形凹腔的中心与所述中心凹腔的中心重合。
可选地，所述中心凹腔的开口呈圆形、多边形或圆角矩形，所述环形凹腔的开口呈圆环、多边形环或圆角矩形环。
可选地，所述中心凹腔对应的振膜的一阶共振频率高于所述环形凹腔对应的振膜的一阶共振频率。
可选地，所述中心凹腔对应的振膜的一阶共振频率等于所述环形凹腔对应的振膜的一阶共振频率的整数倍，或者所述中心凹腔对应的振膜的一阶共振频率偏离所述环形凹腔对应的振膜的一阶共振频率的整数倍不超过20％。
可选地，所述环形凹腔对应的振膜的一个高阶共振频率等于所述中心凹腔对应的振膜的一阶共振频率，或者所述环形凹腔对应的振膜的一个高阶共振频率偏离所述中心凹腔对应的振膜的一阶共振频率不超过20％。
可选地，所述中心凹腔对应的振膜的一阶共振频率低于所述环形凹腔对应的振膜的一阶共振频率。
可选地，所述环形凹腔对应的振膜的一阶共振频率等于所述中心凹腔对应的振膜的一阶共振频率的整数倍，或者所述环形凹腔对应的振膜的一阶共振频率偏离所述中心凹腔对应的振膜的一阶共振频率的整数倍不超过20％。
可选地，所述中心凹腔对应的振膜的一个高阶共振频率等于所述环形凹腔对应的振膜的一阶共振频率，或者所述中心凹腔对应的振膜的一个高阶共振频率偏离所述环形凹腔对应的振膜的一阶共振频率不超过20％。
本发明还提供一种声学换能器结构阵列，所述声学换能器结构阵列包括多个如上任意一项所述的声学换能器结构，多个所述声学换能器结构呈阵列式排布。
可选地，多个所述声学换能器结构排列成至少两行，相邻两行之间的所述声学换能器结构对齐。
可选地，多个所述声学换能器结构排列成至少两行，相邻两行之间的所述声学换能器结构错开。
如上所述，本发明的声学换能器结构及其阵列可通过机械加工或者基于半导体工艺的MEMS制成，实现逐层向外的结构之间的机械动态相关性，达到不同凹腔对应的振膜之间机械频响耦合的效果。通过简单物理器件结构的重复组合，不但实现器件自身固有机械共振频率，而且也使共振模态相互耦合，达到在其它频率(如高阶模态)频响，从而实现更广域的声学动态响应的目的，并提高响应范围内的声场强度。
附图说明
图1显示为一种圆角矩形的单一机械薄膜结构。
图2显示为一种圆形的单一机械薄膜结构。
图3显示为一种正方形的单一机械薄膜结构。
图4显示为一种正六边形的单一机械薄膜结构。
图5显示为一种圆环形的单一机械薄膜结构。
图6显示为两种不同尺寸机械薄膜组成的双频响阵列结构。
图7显示为本发明实施例一中声学换能器结构的剖面结构示意图。
图8显示为本发明实施例一中所述中心凹腔上方悬空的中心振膜与所述环形凹腔上方悬空的环形振膜(外层振膜)的平面布局图。
图9显示为在另一实施例中所述中心凹腔的开口呈六边形、所述环形凹腔的开口呈六边形环的示意图。
图10显示为在另一实施例中所述中心凹腔的开口呈正方形、所述环形凹腔的开口呈正方形环的示意图。
图11显示为在另一实施例中所述中心凹腔的开口呈圆角矩形、所述环形凹腔的开口呈圆角矩形环的示意图。
图12显示为本发明实施例一中多个所述声学换能器结构排列成至少两行，且相邻两行的所述声学换能器结构相互对齐的示意图。
图13显示为本发明实施例一中多个所述声学换能器结构排列成至少两行，且相邻两行的所述声学换能器结构相互错开的示意图。
图14显示为本发明实施例一中的声学换能器结构内外两层振膜的振幅动态频响图。
图15显示为本发明实施例一中的声学换能器结构的整体声学频响图。
图16显示为本发明实施例二中的声学换能器结构的剖面结构示意图。
图17显示为本发明实施例二中所述中心凹腔上方悬空的中心振膜、所述第一环形凹腔上方悬空的环形振膜及第二环形凹腔上方悬空的环形振膜的平面布局图。
图18显示为本发明实施例二中多个所述声学换能器结构排列成至少两行，且相邻两行的所述声学换能器结构相互对齐的示意图。
图19显示为本发明实施例二中多个所述声学换能器结构排列成至少两行，且相邻两行的所述声学换能器结构相互错开的示意图。
图20显示为本发明实施例二中的声学换能器结构的广域声学响应仿真结果。
元件标号说明
101 较小振膜
102 较大振膜
201 衬底
202 中心凹腔
203 环形凹腔
203a 第一环形凹腔
203b 第二环形凹腔
204 振膜
2041 中心振膜
2042、2043 环形振膜
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图20。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1至图5所示，显示为五种不同形状的单一机械薄膜结构，其中，图1显示为圆角矩形的单一机械薄膜结构，图2显示为圆形的单一机械薄膜结构，图3显示为正方形的单一机械薄膜结构，图4显示为正六边形的单一机械薄膜结构，图5显示为圆环形的单一机械薄膜结构。对于这种采用单一机械薄膜结构的声学换能器，其只有一个动态响应频率，无法真正地在广域上实现很好的动态响应
如图6所示，显示为两种不同尺寸机械薄膜组成的双频响阵列结构，其中，较小振膜101对应较高的动态频响应，较大振膜102对应较低的动态频响应。对于这种采用多个器件组合的声学换能器，其一般对应相同数量的频率响应和工作带宽，增加的动态相应范围有限。
因此，本发明通过改进声学换能器的结构设计来进一步扩展声学换能器的声学动态响应范围。下面通过具体的实施例来说明本发明的技术方案。
实施例一
本发明提供一种声学换能器结构，请参阅图7，显示为该声学换能器结构的剖面结构示意图，包括衬底201、中心凹腔202、一环形凹腔203及振膜204，其中，所述中心凹腔202自所述衬底201上表面开口，并往所述衬底201下表面方向延伸；所述环形凹腔203环绕于所述中心凹腔202周围，所述环形凹腔203的内圈边缘与所述中心凹腔202的边缘之间间隔预设距离；所述振膜204位于所述衬底上表面，并覆盖所述中心凹腔202的开口及所述环形凹腔203的开口。
具体的，所述振膜204为一整体，从而使得不同凹腔上方悬空的振膜能够相互联动。请参阅图8，显示为所述中心凹腔202上方悬空的中心振膜2041与所述环形凹腔203上方悬空的环形振膜2042(外层振膜)的平面布局图，其中，所述中心振膜2041与所述环形振膜2042之间的连接部分(图8中未图示，可参见图7)固定于所述衬底201上表面。
作为示例，所述环形凹腔203的中心与所述中心凹腔202的中心重合。
作为示例，所述中心凹腔202的开口呈圆形，所述环形凹腔203的开口呈圆环，相应的，所述中心振膜2041呈圆形，所述环形振膜2042呈圆环。
当然，在其他实施例中，所述中心凹腔202的开口也可以呈多边形(例如图9所示的六边形，或图10所示的正方形)或圆角矩形(如图11所示)，所述环形凹腔203的开口也可以呈多边形环(例如图9所示的六边形环，或图10所示的正方形环)或圆角矩形环(如图11所示)。
作为示例，所述中心凹腔对应的振膜(所述中心振膜2041)的一阶共振频率不同于所述环形凹腔对应的振膜(所述环形振膜2042)。
作为示例，可通过调整各个凹腔的尺寸使得内外两个振膜的机械频响互为倍数关系，从而使机械耦合最大化。例如，当所述中心凹腔对应的振膜的一阶共振频率高于所述环形凹腔对应的振膜的一阶共振频率时，所述中心凹腔对应的振膜的一阶共振频率等于所述环形凹腔对应的振膜的一阶共振频率的整数倍，或者在接近范围，比如偏离所述环形凹腔对应的振膜的一阶共振频率的整数倍不超过20％。而当所述中心凹腔对应的振膜的一阶共振频率低于所述环形凹腔对应的振膜的一阶共振频率时，所述环形凹腔对应的振膜的一阶共振频率等于所述中心凹腔对应的振膜的一阶共振频率的整数倍，或者在接近范围，比如偏离所述中心凹腔对应的振膜的一阶共振频率的整数倍不超过20％。
此外，由于机械耦合效应，低频振膜达到共振响应时，会带动高频振膜的连振，如低频振膜的高阶响应和高频振膜共振频率接近或者一致，连动效果会加强，而且连振现象也会重复出现在高频振膜的高价模态。因此，可通过调整各个凹腔的尺寸，使得所述中心凹腔对应的振膜的一阶共振频率高于所述环形凹腔对应的振膜的一阶共振频率，并使得所述环形凹腔对应的振膜的一个高阶共振频率等于所述中心凹腔对应的振膜的一阶共振频率，或者偏离所述中心凹腔对应的振膜的一阶共振频率不超过20％。也可通过调整各个凹腔的尺寸，使得所述中心凹腔对应的振膜的一阶共振频率低于所述环形凹腔对应的振膜的一阶共振频率，并使得所述中心凹腔对应的振膜的一个高阶共振频率等于所述环形凹腔对应的振膜的一阶共振频率，或者所述中心凹腔对应的振膜的一个高阶共振频率偏离所述环形凹腔对应的振膜的一阶共振频率不超过20％。
作为示例，请参阅图12及图13，可提供多个所述声学换能器结构以组成声学换能器结构阵列，多个所述声学换能器结构呈阵列式排布，其中，图12显示为多个所述声学换能器结构排列成至少两行，且相邻两行的所述声学换能器结构相互对齐的情形，图13显示为多个所述声学换能器结构排列成至少两行，且相邻两行的所述声学换能器结构相互错开。当然，在其他实施例中，所述声学换能器结构阵列中多个所述声学换能器结构的具体排列规则也可以根据需要进行调整，此处不应过分限制本发明的保护范围。
作为示例，请参阅图14及图15，显示为本实施例的声学换能器结构的动态响应仿真效果图，其中，图14显示为内外两层振膜的振幅动态频响图，图15显示为内外两层振膜结构的整体声学频响图。由图14可见，外层环形振膜的一阶共振频率为1MHz，中心振膜的一阶共振频率为5MHz，是外层环形振膜一阶共振频率的5倍。图15中的三个虚线框由左至右分别代表第一次共振耦合、第二次共振耦合于高阶共振耦合响应，可见内外两层振膜之间存在机械耦合导致的联动效应。由图15可见，器件在1MHz、5MHz及8MHz频率下的声学动态响应和声能量均有所提升，实现了广域声学动态响应和声能量的提升。
本实施例的声学换能器结构通过一个中心振膜与一个环形振膜的层次组合，利用多个振膜之间的机械模态动态耦合，实现不同凹腔上方振膜的连带振动，不仅增强了各个模态的振动强度，而且扩大了器件的声学动态响应范围，实现超过传统多个物理振膜组合时仅单个振膜声学动态频响相互叠加的效果。
实施例二
本实施例与实施例一采用基本相同的技术方案，不同之处在于，实施例一的声学换能器结构包括一个中心振膜与一个环形振膜，而本实施例中，所述声学换能器结构包括一个中心振膜与两个环形振膜。
请参阅图16，显示为本实施例的声学换能器结构的剖面结构示意图，包括衬底201、中心凹腔202、第一环形凹腔203a、第二环形凹腔203b及振膜204，其中，所述中心凹腔202自所述衬底201上表面开口，并往所述衬底201下表面方向延伸；所述第一环形凹腔203a及第二环形凹腔203b环绕于所述中心凹腔202周围，并由内而外依次间隔排列；所述振膜204位于所述衬底201上表面，并覆盖所述中心凹腔202的开口、所述第一环形凹腔203a的开口及第二环形凹腔203b的开口。
请参阅图17，显示为所述中心凹腔202上方悬空的中心振膜2041、所述第一环形凹腔203a上方悬空的环形振膜2042及第二环形凹腔203b上方悬空的环形振膜2043的平面布局图。
请参阅图18及图19，可提供多个本实施例所述的声学换能器结构以组成声学换能器结构阵列，多个所述声学换能器结构呈阵列式排布，其中，图18显示为多个所述声学换能器结构排列成至少两行，且相邻两行的所述声学换能器结构相互对齐的情形，图19显示为多个所述声学换能器结构排列成至少两行，且相邻两行的所述声学换能器结构相互错开。当然，在其他实施例中，所述声学换能器结构阵列中多个所述声学换能器结构的具体排列规则也可以根据需要进行调整，此处不应过分限制本发明的保护范围。
作为示例，请参阅图20，显示为本实施例的声学换能器结构的广域声学响应(2-8MHz)仿真结果，可见，本实施例的声学换能器结构达到了2-8MHz之间接近平带的声学频响范围，实现了广域声学动态响应和声能量的提升。
本实施例的声学换能器结构通过一个中心振膜与两个环形振膜的层次组合，利用多个振膜之间的机械模态动态耦合，实现不同凹腔上方振膜的连带振动，不仅增强了各个模态的振动强度，还扩大了器件的声学动态响应范围，实现超过传统多个物理振膜组合时仅单个振膜声学动态频响相互叠加的效果。
实施例三
本实施例与实施例一或实施例而采用基本相同的技术方案，不同之处在于，实施例一的声学换能器结构包括一个中心振膜与一个环形振膜，实施例二的声学换能器结构包括一个中心振膜与两个环形振膜，而本实施例中，所述声学换能器结构包括一个中心振膜与至少三个环形振膜，例如3-10个，各所述环形凹腔由内而外依次间隔排列。
本实施例的声学换能器结构可以通过一个中心振膜与至少三个环形振膜的层次组合，利用多个振膜之间的机械模态动态耦合，实现不同凹腔上方振膜的连带振动，不仅增强了各个模态的振动强度，而且扩大了器件的声学动态响应范围，实现超过传统多个物理振膜组合时仅单个振膜声学动态频响相互叠加的效果。
综上所述，本发明的声学换能器结构及其阵列可通过机械加工或者基于半导体工艺的MEMS制成，实现逐层向外的结构之间的机械动态相关性，达到不同凹腔对应的振膜之间机械频响耦合的效果。通过简单物理器件结构的重复组合，不但实现器件自身固有机械共振频率，而且也使共振模态相互耦合，达到在其它频率(如高阶模态)频响，从而实现更广域的声学动态响应的目的，并提高响应范围内的声场强度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。