【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种尤其用于产生和/或检测可听波长谱和/或超声波范围内声波的mems声波换能器，包括载体以及布置于载体上并可沿升降轴方向偏摆的至少一个压电元件，该至少一个压电元件具有至少一层压电层和至少一层结构层，其中，压电元件的电信号和偏摆度可通过至少一层压电层相互转换。
技术介绍
1、现有技术中揭示了包含pzt压电层的压电元件。
技术实现思路
1、本专利技术目的是提出一种高性能的mems声波换能器。
2、本专利技术达成上述目的的解决方案是具有独立权利要求所述特征的mems声波换能器及其制造方法。
3、本专利技术提供了一种尤其用于产生和/或检测可听波长谱和/或超声波范围内声波的mems声波换能器。该mems声波换能器即可作为扬声器和/或麦克风来操作。
4、所述mems声波换能器包括载体。
5、此外，mems声波换能器包括至少一个压电元件，该压电元件布置于载体上并可沿升降轴方向偏摆。
6、此外，mems声波换能器具有至少一层压电层和至少一层结构层，其中压电元件的电信号和偏摆度可通过至少一层压电层相互转换。
7、另外，至少一层压电层由亚硝酸钪铝制成。这种压电层极具鲁棒性，这主要归功于钪含量，可优选为10％至40％。
8、根据本专利技术有利改进方案，至少一层结构层由聚合物制成。在此，聚合物可以是聚酰胺。借助至少一层聚合物结构层，能够实现压电元件的更大偏摆度。附加地或替选地，压电元件的长度也会缩短，这样至少
9、有利的是，压电元件具有补偿层。借助补偿层能够调整聚合物结构层的机械应力。结构层因由聚合物制成而容易收缩。至少一层结构层会因其制造特性和/或聚合物而产生内部机械应力，从而使结构层收缩。在静止状态下，压电元件会向上或向结构层方向弯曲。借助补偿层可补偿机械应力。在此，补偿层的机械应力可抵消、补偿和/或均衡至少一层结构层。补偿层就用于补偿至少一层结构层中的机械应力。附加地或替选地，补偿层可用于拉伸至少一层结构层。在此，补偿层使至少一层结构层保持拉伸定向，防止结构层因受机械应力而好似橡皮筋一样收缩变形。附加地或替选地，补偿层可用于防止至少一层聚合物结构层发生收缩。补偿层抵消至少一层聚合物结构层的机械应力和/或相比至少一层结构层的机械应力更强劲和/或更牢固。因此，能够防止至少一个结构层发生收缩。至少一层聚合物结构层的作用力与补偿层的作用力方向相反且/或有利地相互均衡且/或相互抵消。这样就能防止结构层收缩。然而，补偿层却无法防止压电元件发生偏摆。调整补偿层的机械应力，从而防止、均衡或补偿结构层类似橡胶那样收缩。此外，补偿可用于确保压电元件在静止位置处于无应力状态。
10、此外，可借助补偿层来定位压电元件的中性层或中性面。压电元件为悬臂，压电元件发生偏摆时内部会产生压应力和张应力。压应力和张应力的范围取决于压电元件是向上偏摆还是向下偏摆。在压电元件偏向的一侧形成压应力。在压电元件的另一侧形成张应力。这正是强度理论的一般原则。在压电元件平面中，即中性面或中性层中，张应力与压应力相互抵消，故此平面内不存在任何应力。然而，压电元件的偏摆性取决于该中性面或中性层在压电元件中的部位。可以通过改变补偿层的机械特性来调整中性面或中性层的位置。例如，可以将补偿层制得更厚或更薄，以使中性面或中性层移位。这种中性面或中性层的移位或定位平行于升降轴。由此，中性面或中性层即可平行于升降轴移位。
11、有利的是，压电层在升降轴方向上布置于载体与结构层之间。
12、有益的是，结构层布置于压电层与补偿层之间。
13、有利的是，补偿层由金属(特别是金)和/或二氧化硅(特别是teos)制成。这样就能有利地形成补偿层。
14、有利的是，压电元件在其纵向上特别是从载体到压电元件的自由端的长度为0.5mm至2mm。
15、有益的是，补偿层沿压电元件的纵向延伸到载体和/或压电元件的自由端。
16、有利的是，至少一个压电元件包括多层压电层，特别是两层至六层压电层，优选为四层压电层。
17、优势是，至少一个压电元件包括至少一层电极层。借助至少一层电极层，可以交换导致压电元件偏摆的电信号和/或压电元件偏摆时形成的电信号。
18、有利的是，至少一个压电元件包括至少一层绝缘层。
19、有利的是，至少一个压电元件由多层压电层和电极层呈夹层式形成。
20、优势是，mems声波换能器包括耦合元件，以使至少一个压电元件可耦合到膜片。
21、本专利技术改进方案中，压电元件与耦合元件通过至少一个弹簧元件相互耦合，其中至少一个弹簧元件在压电元件纵向上优选地布置于结构层与耦合元件之间。
22、优势是，弹簧元件优选地仅由结构层和/或聚合物形成。这样就能采取简单的方式设计弹簧元件。附加地或替选地，弹簧元件具备聚合物的机械特性。
23、有益的是，压电元件和耦合元件具有彼此相同的分层结构。
24、优势是，补偿层的厚度为0.2μm至4μm。另外，补偿层的厚度可为0.5μm至3μm。此外，补偿层的厚度可为0.6μm至2μm。或者，补偿层的厚度可为1μm至2μm。这样就能借助补偿层来防止或补偿结构层的收缩。
25、本专利技术改进方案中，结构层的厚度为10μm到50μm。
26、有利的是，至少一个压电元件具有至少一个凹口。可以借助凹口来调整压电元件的机械特性。这样就能例如减少压电元件中的应力和/或调整运动特性。至少一个凹口可布置于至少一层压电层中、至少一层电极层中、至少一层绝缘层中、至少一层结构层中和/或至少一层补偿层中。
27、还有利的是，聚合物结构层的弹性模量为2gpa至50gpa、特别是2gpa至5gpa、优选为3.5gpa至4gpa。
28、优势是，聚合物结构层的抗拉强度为70mpa至100mpa、特别是85mpa至95mpa。
29、由于至少一层结构层具备上述机械特性，可以增加偏摆度，且/或偏摆大小保持至少相同或偏摆度增加时可以缩短压电元件。
30、还有利的是，补偿层的机械应力状态等于或至少略高于至少一层结构层的机械应力状态。附加地或替选地，补偿层的电阻可高于结构层的电阻。补偿层的机械应力状态可抵消至少一层结构层的机械应力状态。这样，补偿层即可使至少一层结构层保持拉伸定向。由此，补偿层可以抵抗或防止结构层因机械应力而收缩。若有多层结构层，则补偿层的机械应力状态等于或高于组合结构层的机械应力状态。附加地或替选地，补偿层的机械应力状态还可抵消压电元件或使压电元件在中性位无应力。机械应力状态取决于多个因素。所需的补偿层机械应力状态取决于结构层的厚度或全部结构层的厚度以及结构层或聚合物的弹性模量、抗拉强度和/或弹性。聚合物可表现出橡胶弹性，从而使结构层趋于收缩。补偿层的这种机械应力状态使之可以抵消聚合物的收缩。聚合物的收缩力取决于聚合物的厚度和强度，即例如取决于橡胶弹性强度本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种尤其用于产生和/或检测可听波长谱和/或超声波范围内声波的MEMS声波换能器(1)，包括：
2.根据权利要求1所述的MEMS声波换能器，其特征在于，所述至少一层结构层(6、31)为聚合物结构层(6、31)，特别是聚酰胺制成的结构层。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS声波换能器，其特征在于，所述压电元件(4、17)具有补偿层(7)，用于均衡所述至少一层结构层(6、31)的机械应力和/或用于拉伸所述至少一层结构层(6、31)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS声波换能器，其特征在于，在所述升降轴(3)方向上，所述压电层(5、25)布置于所述载体(2)与所述结构层(6、31)之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS声波换能器，其特征在于，所述结构层(6、31)布置于所述压电层(5、25)与所述补偿层(7)之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS声波换能器，其特征在于，所述补偿层(7)由金属、特别是金和/或二氧化硅、特别是TEOS制成；且/或所述补偿层(7)的厚度(34)为0.2μm至4μ
7.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS声波换能器，其特征在于，所述压电元件(4、17)在其纵向上特别是从所述载体(2)到所述压电元件(4、17)的自由端(8)的长度(33)为0.5mm至2mm。
8.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS声波换能器，其特征在于，所述补偿层(7)沿所述压电元件(4、17)的纵向延伸至所述载体(2)和/或所述压电元件(4、17)的自由端(8)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS声波换能器，其特征在于，所述至少一个压电元件(4、17)包括多层、特别是2层至6层、优选为4层压电层(5、25)；且/或
10.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS声波换能器，其特征在于，至少一个压电元件(4、17)由多层压电层(5、25)和电极层(22、24、26)呈夹层式形成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS声波换能器，其特征在于，所述MEMS声波换能器(1)包括耦合元件(9、19)，以使所述至少一个压电元件(4、17)能耦合到膜片(11)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS声波换能器，其特征在于，所述压电元件(4、17)与所述耦合元件(9、19)通过至少一个弹簧元件(10、18)相互耦合，其中，所述至少一个弹簧元件(10、18)在所述压电元件(4、17)纵向上优选地布置于所述结构层(6、31)与所述耦合元件(9、19)之间。
13.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS声波换能器，其特征在于，所述弹簧元件(10、18)优选地仅由所述结构层(6、31)和/或聚合物形成。
14.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS声波换能器，其特征在于，所述压电元件(4、17)和所述耦合元件(9、19)具有相同的层状结构。
15.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS声波换能器，其特征在于，所述结构层(6、31)的厚度为10μm至50μm。
16.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS声波换能器，其特征在于，所述至少一个压电元件(4、17)具有至少一个凹口(35)，其中，所述凹口优选地布置于所述至少一层压电层(5、25)中、所述至少一层电极层(22、24、26)中、所述至少一层绝缘层(27、28)中、所述至少一层结构层(6)中和/或所述至少一层补偿层(7)中。
17.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS声波换能器，其特征在于，所述聚合物结构层(6、31)的弹性模量为2GPa至50GPa、特别是2GPa至5GPa、优选为GPa3.5至4GPa；且/或
18.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS声波换能器，其特征在于，所述补偿层(7)的机械应力等于或高于所述至少一层结构层(6、31)的机械应力，其中，所述补偿层(7)的机械应力抵消所述至少一层结构层(6、31)的机械应力。
19.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS声波换能器，其特征在于，所述补偿层(7)的机械应力状态抵消、所述至少一层结构层(6、31)和/或所述至少一层压电层(5、25)的机械应力而对其进行补偿和/或均衡，其中，所述补偿层(7)的机械应力优选为50MPa至1000MPa、特别是240MPa。
20.一种尤其用于产生和/或检测可听波长谱和/或超声波范围内声波的MEMS声波换能器(1)的制造方法，所述ME...
【技术特征摘要】
1.一种尤其用于产生和/或检测可听波长谱和/或超声波范围内声波的mems声波换能器(1)，包括：
2.根据权利要求1所述的mems声波换能器，其特征在于，所述至少一层结构层(6、31)为聚合物结构层(6、31)，特别是聚酰胺制成的结构层。
3.根据权利要求1或2所述的mems声波换能器，其特征在于，所述压电元件(4、17)具有补偿层(7)，用于均衡所述至少一层结构层(6、31)的机械应力和/或用于拉伸所述至少一层结构层(6、31)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的mems声波换能器，其特征在于，在所述升降轴(3)方向上，所述压电层(5、25)布置于所述载体(2)与所述结构层(6、31)之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的mems声波换能器，其特征在于，所述结构层(6、31)布置于所述压电层(5、25)与所述补偿层(7)之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的mems声波换能器，其特征在于，所述补偿层(7)由金属、特别是金和/或二氧化硅、特别是teos制成；且/或所述补偿层(7)的厚度(34)为0.2μm至4μm、特别是0.5μm至3μm、优选为0.6μm至2μm、更优选为1μm至2μm。
7.根据前述权利要求中任一项所述的mems声波换能器，其特征在于，所述压电元件(4、17)在其纵向上特别是从所述载体(2)到所述压电元件(4、17)的自由端(8)的长度(33)为0.5mm至2mm。
8.根据前述权利要求中任一项所述的mems声波换能器，其特征在于，所述补偿层(7)沿所述压电元件(4、17)的纵向延伸至所述载体(2)和/或所述压电元件(4、17)的自由端(8)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的mems声波换能器，其特征在于，所述至少一个压电元件(4、17)包括多层、特别是2层至6层、优选为4层压电层(5、25)；且/或
10.根据前述权利要求中任一项所述的mems声波换能器，其特征在于，至少一个压电元件(4、17)由多层压电层(5、25)和电极层(22、24、26)呈夹层式形成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的mems声波换能器，其特征在于，所述mems声波换能器(1)包括耦合元件(9、19)，以使所述至少一个压电元件(4、17)能耦合到膜片(11)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的mems声波换能器，其特征在于，所述压电元件(4、17)与所述耦合元件(9、19)通过至少一个弹簧元件(10、18)相互耦合，其中，所述至少一个弹簧元件(10、18)在所述压电元件(4、17)纵向上优选地布置于所述结构层(6、31)与所述耦合元件(9、19)之间。
13.根据前述权利要求中任一项所述的mems声波换能器，其特征在于，所述弹簧元件(10、18)优选地仅由所述结构层(6、31)和/或聚合物形成。
14.根据前述权利要求中任一项所述的mems声波换能器，其特征在于，所述压电元件(4、17)和所述耦合元件(9、19)具有相同的层状结构。
15.根据前述权利要求中任一项所述的mems声波换能器，其特征在于，所述结构层(6、31)的厚度为10μm至50μm。
16.根据前述权利要求中任一项所述的mems声波换能器，其特征在于，所述至少一个压电元件(4、17)具有至少一个凹口(35)，其中，所述凹口优选地布置于所述至少一层压电层(5、25)中、所述至少一层电极层(22、24、26)中、所述至少一层绝缘层(27、28)中、所述至少一层结构层(6)中和/或所述至少一层补偿层(7)中...
【专利技术属性】
技术研发人员：安德里亚·韦斯高尼·克莱里西·贝尔特拉米，费鲁乔·博托尼，克里斯蒂安·诺沃特尼，萨姆·本斯·霍瓦特，
申请(专利权)人：悠声股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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