【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于声电转换，具体涉及一种压电式mems麦克风、封装方法、压电陶瓷的制备方法。
技术介绍
1、mems麦克风已被广泛应用于移动计算机、智能手机、耳机等消费电子产品领域。传统的mems麦克风主要为电容式麦克风。但是其采用双层膜的设计，无法避免背极与振膜之间的空气阻尼问题，会影响麦克风的信噪比。压电麦克风制备工艺简单，采用单层膜的设计可以避免背板与空气阻尼带来的影响，提高其信噪比，但是在灵敏度方面不及电容式麦克风。
2、压电mems麦克风是一种声电转换领域的mems器件，可以将声音信号通过不同的方式转换为电信号，其基本原理是利用压电效应将声音信号转换为电信号的能量转换器件。压电麦克风的压电薄膜通常采用常用的有pzt/zno/aln等。长期以来，锆钛酸铅(pzt)基压电材料因其优异的压电性能和较高的居里温度(tc)而崭露头角，广泛应用于各种电子器件中，占据了压电材料市场的主导地位，但其含有高达60％的铅元素。从经济和社会可持续发展的角度来看，铅元素及其相关化学物质在煅烧、烧结和后期处理过程中不可避免地会释放出来，对环境和人体健康造成严重威胁。自本世纪初，国内外掀起了对无铅压电材料的研究热潮，使得无铅压电材料的研究成果出现井喷式增长，传统的无铅压电材料包括聚偏二氟乙烯(pvdf)、氮化铝(aln)、氧化锌(zno)等。pvdf是一种柔性压电材料，由日本研究者于1969年首次发现。其核心特点是密度低且具备柔性，但其压电性能指标相对较低且具备湿敏特性，应用场景更多集中于可穿戴柔性设备，不具备广泛的环境适应性。aln与z
3、随着mems技术的发展，mems麦克风的尺寸越来越小，可以在微小空间内集成。目前国内外对压电式mems麦克风元件设计领域的研究主要集中在对其结构设计及性能优化，其中最为关键的是灵敏度、信噪比这两个关键性能参数。从设计的角度来说，mems麦克风的灵敏度主要取决于其机械灵敏度和电学灵敏度。机械灵敏度主要与振膜结构有关，低残余应力与高顺应性薄膜是优化振膜机械灵敏度的主要方向。
4、综上，现有mems麦克风振膜存在残余应力和谐振频率问题，影响了麦克风灵敏度的进一步提高。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是解决麦克风振膜的残余应力和谐振频率问题，以提高压电式mems麦克风的灵敏度，实现在较宽频带领域的应用。
2、本专利技术的目的是采取下述技术方案来实现的：
3、一种压电式mems麦克风，所述麦克风包括：
4、基底，环形构造以围设成第一音腔；
5、第一压电振膜，为包括压电膜的三角形悬臂梁结构，底边固定于所述基底且三角形的尖端为自由端；
6、第二压电振膜，通过圆形沟槽结构在所述三角形悬臂梁结构的底边区域分隔而出的独立振膜区域；
7、封装壳体，容纳和固定所述基底、第一压电振膜和第二压电振膜，且与所述基底之间围设出第二音腔；
8、所述第一压电振膜包括knn压电薄膜、顶部电极和底部电极。
9、优选的，所述压电振膜的材料为knn无铅压电陶瓷材料，名义成分为(k0.5na0.5)nbo3。
10、优选的，所述圆形沟槽上方的所述压电膜片通过所述绝缘层局部连接支撑。
11、优选的，所述基底包括四边形腔体。
12、优选的，所述第一压电振膜的数量为四个且覆盖所述四边形腔体；所述第一压电振膜之间具有间隙。
13、优选的，所述基底包括底部衬底和固定于所述底部衬底顶部的中间层衬底；所述底部衬底和所述中间层衬底之间有绝缘层。
14、优选的，所述绝缘层与所述第一压电振膜、所述中间层衬底形成凹槽结构。
15、基于同一专利技术构思，本专利技术还提供了一种压电式mems麦克风的封装方法，用于封装如上文所述的一种压电式mems麦克风，所述方法包括如下步骤：
16、通过化学法刻蚀多层衬底层得所述基底以构成所述第一音腔；
17、在所述基底顶部加工所述第一压电振膜、第二压电振膜；
18、将所述第一压电振膜的顶部电极和底部电极分别连接基座电极后制得麦克风内部结构；
19、用封装壳体封闭所述麦克风内部结构形成所述第二音腔后获得所述压电式mems麦克风。
20、基于同一专利技术构思，本专利技术还提供了一种薄膜化knn无铅压电陶瓷材料的制备方法，所述薄膜化knn无铅压电陶瓷材料用于如上文所述的一种压电式mems麦克风，所述方法包括如下步骤：
21、向(k0.5na0.5)nbo3溶胶加入过量k、na碱金属元素得到中间溶胶；
22、对所述中间溶胶给予mn掺杂得到掺杂凝胶；
23、所述掺杂凝胶经过在衬底上旋涂、烘干、rtp热处理获得所述薄膜化knn无铅压电陶瓷材料。
24、优选的，所述mn掺杂所用材料包括mn(ch3coo)2。
25、优选的，所述衬底的材料包括srtio3(sto)单晶。
26、优选的，所述热处理分成热解和退火两个阶段。
27、优选的，所述热解温度范围为450-550℃。
28、优选的，所述退火温度为800℃±10％。
29、与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
30、本专利技术提供了一种新型压电式mems麦克风及其相关方法，所述麦克风包括：基底，环形构造以围设成第一音腔；第一压电振膜，为包括压电膜的三角形悬臂梁结构，底边固定于所述基底且三角形的尖端为自由端；第二压电振膜，通过圆形沟槽结构在所述三角形悬臂梁结构的底边区域分隔而出的独立振膜区域；封装壳体，容纳和固定所述基底、第一压电振膜和第二压电振膜，且与所述基底之间围设出第二音腔；所述第一压电振膜包括knn压电薄膜、顶部电极和底部电极。本专利技术通过基底构建出第一音腔，同时也实现对所述第一压电振膜的结构支撑；通过所述三角形悬臂梁结构降低振膜的残余应力；通过所述第二压电振膜提高了麦克风的灵敏度；通过采用两种不同面积的压电薄膜，实现所述压电麦克风的灵敏度曲线在谐振频率上有一个波动范围，从而产生一段平坦的宽带范围，提高谐振频率，进而提高所述压电麦克风的灵敏度。
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1.一种压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述麦克风包括：
2.如权利要求1所述的一种压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述第二压电振膜的形状为圆形。
3.如权利要求1所述的一种压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述沟槽结构的压电膜片通过绝缘层局部连接支撑。
4.如权利要求1所述的一种压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述基底包括四边形腔体。
5.如权利要求4所述的一种压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述第一压电振膜的数量为四个且尖端相对拼合为四边形，所述第一压电振膜的面积之和小于所述四边形腔体的顶部面积。
6.如权利要求1所述的一种压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述基底包括底部衬底和固定于所述底部衬底顶部的中间层衬底；所述底部衬底和所述中间层衬底之间有绝缘层。
7.如权利要求6所述的一种压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述绝缘层与所述第一压电振膜、所述中间层衬底形成凹槽结构。
8.一种压电式MEMS麦克风的封装方法，其特征在于，用于封装如权利要求1-7任一所述的一种压电式MEMS麦克风，
9.一种薄膜化KNN无铅压电陶瓷的制备方法，所述薄膜化KNN无铅压电陶瓷材料用于如权利要求1-7任一所述的一种压电式MEMS麦克风，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
10.如权利要求9所述的一种薄膜化KNN无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述Mn掺杂所用材料包括Mn(CH3COO)2。
11.如权利要求9所述的一种薄膜化KNN无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述衬底的材料包括SrTiO3(STO)单晶。
12.如权利要求9所述的一种薄膜化KNN无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述热处理分成热解和退火两个阶段。
13.如权利要求12所述的一种薄膜化KNN无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述热解温度范围为450-550℃。
14.如权利要求12所述的一种薄膜化KNN无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述退火温度为800℃±10％。
...【技术特征摘要】
1.一种压电式mems麦克风，其特征在于，所述麦克风包括：
2.如权利要求1所述的一种压电式mems麦克风，其特征在于，所述第二压电振膜的形状为圆形。
3.如权利要求1所述的一种压电式mems麦克风，其特征在于，所述沟槽结构的压电膜片通过绝缘层局部连接支撑。
4.如权利要求1所述的一种压电式mems麦克风，其特征在于，所述基底包括四边形腔体。
5.如权利要求4所述的一种压电式mems麦克风，其特征在于，所述第一压电振膜的数量为四个且尖端相对拼合为四边形，所述第一压电振膜的面积之和小于所述四边形腔体的顶部面积。
6.如权利要求1所述的一种压电式mems麦克风，其特征在于，所述基底包括底部衬底和固定于所述底部衬底顶部的中间层衬底；所述底部衬底和所述中间层衬底之间有绝缘层。
7.如权利要求6所述的一种压电式mems麦克风，其特征在于，所述绝缘层与所述第一压电振膜、所述中间层衬底形成凹槽结构。
8.一种压电式mems麦克风的封装方法，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：何强，聂京凯，韩钰，祝志祥，陈新，尹航，田辰，郑博峰，兰逢涛，
申请(专利权)人：国网智能电网研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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