A Sc0.096Al0.904N-Based Bimorph Piezoelectric MEMS Microphone Using 3 × 3 Circular Diaphragms

双晶片 微电子机械系统 压电 话筒 声学 材料科学 物理 光电子学 扬声器
作者
Bohao Hu,Wenjuan Liu,Yan Liu,Chaoxiang Yang,Zekai Wang,Liangyu Lu,Yao Cai,Shishang Guo,Chengliang Sun
出处
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:71 (5): 3162-3168 被引量:2
标识
DOI:10.1109/ted.2024.3376320
摘要

This work presents a bimorph piezoelectric microelectromechanical system microphone (b-PMM) with high receiving sensitivity and signal-to-noise ratio (SNR) based on an array of circular diaphragms in a size of 0.375 $\times$ 3 $\times$ 3 mm $^{\text{3}}$ . The b-PMM is fabricated using Sc $_{\text{0.096}}$ Al $_{\text{0.904}}$ N with thicknesses of 486.56 and 478.45 nm, respectively. The lumped element model and mechanical analysis of the diaphragm array are established, and the bimorph structure shows increased sensitivity and decreased noise. Electro-acoustic measurements are presented in an anechoic test box (B&K 4232). Compared with the AlN-based b-PMM, the sensitivity and SNR of the ScAlN-based one are $-$ 69 dB (re: 1 V/Pa) and 58.4 dB at 1 kHz, increased by 16.4% and 3.4 dB, respectively. Besides, the measured minimum detectable pressure (MDP), resolution, and total harmonic distortion (THD) are 35.6 dB SPL, 34 dB SPL, and 0.087% at 1 kHz, respectively. The ScAlN-based b-PMM with high noise resolution will have a bright prospect in application scenarios such as intelligent voice acquisition and control scenarios.
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