压电扬声器及其形成方法
技术领域
本发明涉及声电转换领域,尤其涉及一种压电扬声器及其形成方法。
背景技术
扬声器作为可以将电能转化为声能的电声转换器件,在电子产品中得到了广泛使用。扬声器种类繁多,不同种类的扬声器能够通过电磁、静电或者压电效应,使得扬声器的振膜振动,并与周围的空气产生共振从而发出声音。
近年来,压电扬声器得到发展,其通过压电片的逆压电效应实现电声转换。当在压电片的两个电极上施加音频电能时,压电扬声器的振动组件就会产生相应的伸展或者收缩运动,从而推动空气,发出声音。压电扬声器与传统的动圈式扬声器相比具备体积小、电声转换效率高等优点。
但是,传统的压电扬声器大多采用微机电(MEMS)工艺形成,工艺复杂,成本高。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种压电扬声器及其形成方法,降低生产成本。
为解决上述问题,本发明实施例提供了一种压电扬声器的形成方法,包括:提供压电致动器,所述压电致动器包括压电材料层和位于所述压电材料层相对两侧的底电极和顶电极;提供扬声器盆架,所述扬声器盆架包括基底和位于所述基底上的凸起结构;在所述凸起结构的顶部形成焊料层;将所述压电致动器的底电极通过所述焊料层与所述扬声器盆架相结合。
可选地,所述提供压电致动器包括:提供压电材料衬底,在所述压电材料衬底上形成顶电极;提供支撑衬底,在所述支撑衬底上形成粘合剂层;翻转所述压电材料衬底,将所述顶电极通过所述粘合剂层与所述支撑衬底结合;减薄所述压电材料衬底形成压电材料层;在所述压电材料层上形成底电极。
可选地,所述方法还包括:在将所述压电致动器的底电极通过所述焊料层与所述扬声器盆架相结合后,去除所述支撑衬底和所述粘合剂层。
可选地,所述压电材料层为压电陶瓷,厚度为3~50微米。
可选地,所述底电极和所述顶电极的材料为Ti、Ag、Cr、Pt或者Au,厚度为0.01~0.5微米。
可选地,所述方法还包括:在所述顶电极上形成金属基层,所述金属基层通过所述粘合剂层与所述支撑衬底结合,所述金属基层的材料为Ni、Cu或者TiW,厚度为1~20微米。所述金属基层的材料为Ni、Cu或者TiW,厚度为1~20微米。
可选地,所述扬声器盆架的基底具有贯穿其中的底部通孔,所述凸起结构围绕所述底部通孔。
可选地,所述方法还包括:在所述基底与所述凸起结构相对的表面上设置第一电极,所述第一电极与所述凸起结构电学连接,从而通过所述凸起结构与所述压电致动器的底电极电学连接。
可选地,所述方法还包括:在所述基底与所述凸起结构相对的表面上设置第二电极,并形成包裹所述压电致动器和所述扬声器盆架的外壳,所述第二电极与所述外壳电学连接,从而通过所述外壳与所述压电致动器的顶电极电学连接。
可选地,所述压电致动器覆盖整个所述凸起结构围成的区域。
可选地,所述压电致动器覆盖部分所述凸起结构围成的区域。
可选地,所述凸起结构围成矩形区域,所述压电致动器的数量为两个,所述两个压电致动器覆盖所述矩形区域的两侧部分,暴露出中间部分。
可选地,所述方法还包括:在所述压电致动器上形成振膜层,所述振膜层和所述压电致动器共同覆盖整个所述凸起结构围成的区域。
对应地,本发明实施例还提供了一种压电扬声器,包括:压电致动器,所述压电致动器包括压电材料层和位于所述压电材料层相对两侧的底电极和顶电极;扬声器盆架,所述扬声器盆架包括基底和位于所述基底上的凸起结构;位于所述凸起结构的顶部的焊料层,其中,所述压电致动器的底电极通过所述焊料层与所述扬声器盆架相结合。
可选地,所述压电材料层为压电陶瓷,厚度为3~50微米。
可选地,所述底电极和所述顶电极的材料为Ti、Ag、Cr、Pt或者Au,厚度为0.01~0.5微米。
可选地,所述压电致动器还包括位于所述顶电极上的金属基层,所述金属基层的材料为Ni、Cu或者TiW,厚度为1~20微米。
可选地,所述扬声器盆架的基底具有贯穿其中的底部通孔,所述凸起结构围绕所述底部通孔。
可选地,所述压电扬声器还包括位于所述基底的与所述凸起结构相对的表面上的第一电极,所述第一电极与所述凸起结构电学连接,从而通过所述凸起结构与所述压电致动器的底电极电学连接。
可选地,所述压电扬声器还包括:位于所述基底的与所述凸起结构相对的表面上的第二电极,和包裹所述压电致动器和所述扬声器盆架的外壳,所述第二电极与所述外壳电学连接,从而通过所述外壳与所述压电制动器的顶电极电学连接。
可选地,所述压电致动器覆盖整个所述凸起结构围成的区域。
可选地,所述压电致动器覆盖部分所述凸起结构围成的区域。
可选地,所述凸起结构围成矩形区域,所述压电致动器的数量为两个,所述两个压电致动器覆盖所述矩形区域的两侧部分,暴露出中间部分。
可选地,还包括位于所述压电致动器上的振膜层,所述振膜层和压电致动器共同覆盖整个所述凸起结构围成的区域。
与现有技术相比,本发明的技术方案具有以下优点:
本发明实施例的压电扬声器的形成方法中,首先提供压电致动器和扬声器盆架,所述扬声器盆架包括基底和位于所述基体上的凸起结构,在所述凸起结构的顶部形成焊料层,再通过所述焊料层将所述压电致动器和所述扬声器盆架相结合。本发明实施例仅通过半导体制造的后道工艺就可以完成压电致动器和扬声器盆架的结合。进一步地,所述压电致动器包括压电材料层和位于所述压电材料层两侧的底电极和顶电极,形成所述压电致动器的工艺也仅包括金属层沉积和研磨等半导体制造的后道工艺。因此,本发明实施例简化了压电扬声器的形成方法,降低了制造成本。
对应地,本发明的压电扬声器也具有上述优点。
附图说明
图1是本发明一实施例的压电扬声器的形成方法的流程示意图;
图2-图9是本发明一实施例的压电扬声器的形成方法中所形成的中间结构的示意图;
图10是本发明一实施例的扬声器盆架的结构示意图;
图11是本发明另一实施例的扬声器盆架的结构示意图;
图12-图15是本发明另一实施例的压电扬声器的形成方法中的中间结构的示意图;
图16是本发明一实施例的压电致动器的工作原理示意图;
图17是本发明另一实施例的压电致动器的工作原理示意图。
具体实施方式
本发明的发明人研究了现有技术中的压电扬声器的形成方法,发现现有压电扬声器的形成过程中,通常采用了MEMS制造工艺,例如,包括了光刻、图形化和刻蚀等工艺,造成了压电扬声器的制造成本高。
基于以上研究,本发明的发明人提出了一种压电扬声器的形成方法,提供压电致动器和扬声器盆架,所述扬声器盆架包括基底和位于所述基体上的凸起结构,在所述凸起结构的顶部形成焊料层,再通过所述焊料层将所述压电致动器和所述扬声器盆架相结合,仅通过半导体制造的后道工艺(BEOL)就可以完成压电致动器和扬声器盆架的结合。此外,所述压电致动器包括压电材料层和位于所述压电材料层两侧的底电极和顶电极,形成所述压电致动器工艺也仅包括金属层沉积、研磨或切割等半导体制造的后道工艺。由于本发明的压电扬声器的形成方法不涉及光刻、图形化和刻蚀的高成本工艺,简化了工艺,降低了成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
需要说明的是,提供这些附图的目的是有助于理解本发明的实施例,而不应解释为对本发明的不当的限制。为了更清楚起见,图中所示尺寸并未按比例绘制,可能会做放大、缩小或其他改变。
参考图1,图1示出了本发明一实施例的压电扬声器的形成方法的流程示意图,所述方法包括步骤S101~S108。
首先,参考图1和2,执行步骤S101,提供压电材料衬底110,在所述压电材料衬底110上形成顶电极121,在所述顶电极121上形成金属基层130。
所述压电材料衬底110由压电材料构成,当对所述压电材料施加电压时,会在压电材料内部产生机械应力。本发明对所述压电材料的种类不作具体限定,可以根据实际应用环境进行选择。在一些实施例中,所述压电材料可以为压电陶瓷,例如锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN或改性钛酸铅PT等。在其他一些实施例中,所述压电材料还可以为压电晶体。
所述顶电极121为导电材料,例如,所述顶电极121的材料可以为金属。形成所述顶电极121的工艺可以为物理气相沉积、化学气相沉积或者电镀等,厚度根据具体应用环境确定,本发明对此不作限定。在一些实施例中,所述顶电极121的材料为Ti、Ag、Cr、Pt或者Au,厚度为0.01~0.5微米。
所述金属基层130也可以采用物理气相沉积、化学气相沉积或者电镀工艺来形成。在一些实施例中,所述金属基层130为硬质金属,可以为顶电极121和压电材料提供物理支撑,或者作为振膜。在一些实施例中,所述金属基层130的材料为Ni、Cu或者TiW,厚度为1~20微米。
需要说明的是,在其他一些实施例中,也可以仅在所述压电材料衬底110上形成顶电极121,而无需形成金属基层。
接着,参考图1和图3,执行步骤S102,提供支撑衬底140,在所述支撑衬底140上形成粘合剂层150。
所述支撑衬底140表面平整,用于为后续的工艺提供机械支撑和保护。在一些实施例中,所述支撑衬底140可以为玻璃、陶瓷片或者半导体晶圆等。
所述粘合剂层150的材料为聚合物,可以采用半导体或机械工艺中常见的用于粘合的聚合物,本发明对所述聚合物的种类不作具体限定。在一些实施例中,形成所述粘合剂层150工艺为沉积或者涂覆,厚度为1~20微米。
参考图1和图4,执行步骤S103,翻转所述压电材料衬底110,将所述金属基层130通过所述粘合剂层150与所述支撑衬底140结合。
具体地,将所述金属基层130与所述粘合剂层150结合或层压,再采用紫外光固化构成所述粘合剂层150的聚合物,使得所述压电材料衬底110与所述支撑衬底140通过所述粘合剂层150相结合。
需要说明的是,本发明中,所述金属基层130或所述顶电极121与所述支撑衬底140的结合方式不一定要通过所述粘合剂层150,本领域技术人员能够提出其他的方式进行上述结合。
参考图1和图5,执行步骤S104,减薄所述压电材料衬底110(同时参考图4)形成压电材料层111,在所述压电材料层111上形成底电极122。
具体地,采用研磨工艺对所述压电材料衬底110进行减薄。在研磨工艺后,剩余压电材料衬底110构成压电材料层111。在一些实施例中,所述压电材料层111的厚度为3~50微米,优选地,所述压电材料层111的厚度为5~10微米。采用研磨工艺,可以控制所述压电材料层111的总厚度波动在1微米范围以内。在其他一些实施例中,为了获取更平坦的压电材料层111表面或者精确控制所述压电材料层111的厚度,还可以在研磨减薄后,继续采用抛光工艺对所述压电材料层111进行处理。
由于在对所述压电材料衬底110进行减薄前,已经通过粘合剂层150将所述压电材料衬底110结合到了所述支撑衬底140上,在研磨减薄过程中,所述支撑衬底140可以为压电材料衬底110提供机械支撑和保护,避免破坏所述压电材料衬底110。
在所述压电材料层111上形成底电极122的工艺可以为物理气相沉积、化学气相沉积或者电镀等。所述底电极122为导电材料,所述底电极122和所述顶电极121的材料可以相同或者不同。在一些实施例中,所述底电极122的材料为Ti、Ag、Cr、Pt或者Au,厚度为0.01~0.5微米。
在一些实施例中,所述底电极122、压电材料层111、顶电极121和金属基层130共同构成压电致动器100。当在所述底电极122和顶电极121上施加音频电压,压电材料层111就可以产生相应的伸展或者收缩,从而推动金属基层130以及空气,发出声音。在其他一些实施例中,所述压电致动器100也可以不包括所述金属基层130。
在具体的制造过程中,可以采用上述形成方法在一个支撑衬底上形成大面积的压电致动器结构,再按照待形成压电扬声器的尺寸要求对所述支撑衬底和压电致动器结构进行切割,形成多个具有较小尺寸的压电致动器,提高了制造效率。
参考图1和图6,执行步骤S105,提供扬声器盆架200,所述扬声器盆架200包括基底210和位于所述基底210上的凸起结构220,在所述凸起结构230的顶部形成焊料层230。
具体地,所述基底210可以为印刷电路板(PCB),半导体材料或者绝缘材料。所述基底210上具有凸起结构220,所述凸起结构220为导电材料,例如导电金属。所述基底210还具有贯穿其中的底部通孔240,所述凸起结构220围绕所述底部通孔240,例如,所述凸起结构220围绕所述底部通孔240形成矩形环、圆环或者其他形状的封闭环。所述基底210的与所述凸起结构220相对的表面上具有第一电极261和第二电极262,所述第一电极261与所述凸起结构220电学连接。
在一些实施例中,在所述基底210表面还形成有衬垫250,所述凸起结构220形成于所述衬垫250之上,在所述基底210内还形成有互连插塞270,所述第一电极261通过所述互连插塞270和衬垫250与所述凸起结构220电学互连。后续将所述压电致动器100和扬声器盆架200结合后,所述第一电极261通过所述凸起结构220与所述压电致动器100的底电极122电学连接。
在其他一些实施例中,如图10所示,所述扬声器盆架200的基底210上具有侧壁结构280,且围成凹槽,所述焊料层230形成于所述侧壁结构280上,互连插塞270贯穿所述侧壁结构280和所述基底210,连接所述焊料层230与所述第一电极261。
在其他一些实施例中,如图11所示,所述扬声器盆架的基底210上具有侧壁结构280,且围成凹槽,沿所述侧壁结构280的表面和所述基底210的表面形成有互连金属层290,所述焊料层230形成于所述互连金属层290上,互连插塞270贯穿所述基底210,连接所述互连金属层290与所述第一电极261。
需要说明的是,在图10和图11中,第一电极261的数量为两个,且图中未示出后续用于与顶电极连接的第二电极。
参考图1和图7,执行步骤S106,将所述压电致动器100的底电极122通过所述焊料层230与所述扬声器盆架相结合。
具体地,在所述凸起结构230的顶部形成焊料层230后,翻转所述压电致动器,使所述压电致动器100的底电极122与所述焊料层230接触,进行高温回流,与所述扬声器盆架相结合。
在一些实施例中,所述压电致动器100覆盖整个所述凸起结构220围成的区域。如图7所示,所述压电致动器100覆盖了整个所述凸起结构220围成的区域。此时,所述压电致动器100、所述凸起结构220与所述基底210共同围成了压电扬声器的后腔室,在压电材料层111振动过程中,推动后腔室的空气振动,产生声音并从所述基底210上的底部通孔240中辐射出去。
在另外一些实施例中,所述压电致动器覆盖部分所述凸起结构220围成的区域。参考图12和13,图12为图13沿AA1方向的剖视图,为了简单明了起见,图13中对部分器件结构进行了简化,所述压电致动器100仅覆盖了部分所述凸起结构220围成的区域。例如,所述压电致动器100的数量为两个,所述凸起结构220围成矩形区域,所述两个压电致动器100覆盖所述矩形区域的两侧部分,暴露出了中间部分。在其他实施例中,也可以为其他数量的压电致动器覆盖部分所述凸起结构220围成的区域,本发明对此不作限定。
需要说明的是,当所述压电致动器仅覆盖部分所述凸起结构220围成的区域时,如图14所示,还需要在所述压电致动器100上形成振膜层160,所述振膜层160和压电致动器100共同覆盖整个所述凸起结构220围成的区域。此时,所述压电致动器100、所述振膜层160、所述凸起结构220和所述基底210共同围成了压电扬声器的后腔室,在压电材料层111振动过程中,推动振膜层160以及后腔室的空气振动,并将声音从所述基底210上的底部通孔240中辐射出去。
接着,参考图1和图8,执行步骤S107,去除所述支撑衬底140和所述粘合剂层150。
具体地,可以对所述支撑衬底140进行红外激光照射,使得构成所述粘合剂层150的聚合物发生变性,通过机械方式可以将所述支撑衬底140从所述金属基层130上剥离。接着,继续采用剥离的方式去除残留在所述金属基层130上的粘合剂层150,在一些实施例中,还可以采用等离子体灰化的工艺去除残留的粘合剂层150。
接着,参考图1和图9,执行步骤S108,形成包裹所述压电致动器100和所述扬声器盆架200的外壳310,所述外壳310靠近所述压电致动器100的一侧具有顶部通孔311,所述第二电极262通过所述外壳310与所述顶电极121电学连接。
如图9所示,在一些实施例,在形成所述外壳310前,还在所述压电致动器100上形成了支撑结构320。所述支撑结构320支撑所述外壳310,所述顶部通孔311形成于所述外壳310靠近所述压电致动器100的一侧。此时,所述压电致动器100、所述支撑结构320和所述外壳311构成压电扬声器的前腔室,在压电材料层111振动过程中,可以推动前腔室的空气振动,并将声音从所述外壳310上的顶部通孔311中辐射出去。
在一些实施例中,所述外壳310和所述支撑结构320均为导电材料,例如导电金属。所述第二电极262与所述外壳310接触,通过所述外壳310、支撑结构320和金属基层130与所述压电致动器100的顶电极121电学连接。
后续可以将压电扬声器通过所述第一电极261和所述第二电极262安装到电子产品中,从所述第一电极261和所述第二电极262接入音频电学信号,传输至所述压电致动器100的底电极122和顶电极121后,引起压电材料层111的振动,发出声音。
在其他实施例中,参考图15,图15是在图14的基础上形成包裹所述压电致动器100和所述扬声器盆架的外壳310后形成的压电扬声器。所述压电致动器100、所述振膜层160、所述支撑结构320和所述外壳310构成压电扬声器的前腔室,在压电材料111的振动过程中,推动振膜层160以及前腔室的空气振动,并将声音从所述外壳310的顶部通孔311中辐射出去。
参考图16和图17,其分别是图9和图15的压电扬声器中压电致动器100的工作模式。如图16所示,当压电致动器100覆盖整个所述凸起结构220围成的区域时,对压电致动器100施加音频电能,压电致动器100的压电材料层会产生相应的伸展或者收缩,使得压电致动器100从原位置100A向上运动到新的位置100B(当然,所述压电致动器100也可以从原位置100A向下运动,图中未示出),带动周围空气振动,发出声音。
如图17所示,当所述压电致动器100覆盖部分所述凸起结构220围成的区域时,例如,当采用两个压电致动器100覆盖所述凸起结构220围成的矩形区域的两侧部分,暴露出中间部分时,对所述两个压电致动器100施加音频电能,也可以使得所述两个压电致动器100从原位置100A运动到新的位置100B,带动周围空气振动,发出声音。此外,如图17所示,在所述两个压电致动器100振动过程中,还会带动其上的振膜层160从原位置160A运动到新的位置160B。
对应地,本发明实施例还提供了一种压电扬声器,参考图9,所述压电扬声器包括:压电致动器100,所述压电致动器100包括压电材料层111和位于所述压电材料层111两侧的底电极122和顶电极121;扬声器盆架200,所述扬声器盆架200包括基底210和位于所述基底210上的凸起结构220;和位于所述凸起结构220的顶部的焊料层230,其中,所述压电致动器100的底电极122通过所述焊料层230与所述扬声器盆架相结合。
在一些实施例中,所述压电材料层111为压电陶瓷,厚度为3~50微米;所述底电极122和所述顶电极121的材料为Ti、Ag、Cr、Pt或者Au,厚度为0.01~0.5微米。在一些实施例中,所述压电致动器100还包括位于所述顶电极121上的金属基层130,所述金属基层130的材料为Ni、Cu或者TiW,厚度为1~20微米。
在一些实施例中,所述扬声器盆架的基底210具有贯穿其中的底部通孔240,所述凸起结构围绕所述底部通孔240;所述基底210的与所述凸起结构220相对的表面上具有第一电极261和第二电极262,所述第一电极261与压电致动器100的底电极122电学连接。在一些实施例中,所述压电扬声器还包括:包裹所述压电致动器100和所述扬声器盆架的外壳310,所述外壳310靠近所述压电致动器100的一侧具有顶部通孔311,所述第二电极262通过所述外壳310与所述顶电极121电学连接。
在一些实施例中,如图9所示,所述压电致动器100覆盖整个所述凸起结构220围成的区域。
在一些实施例中,如图15所示,所述压电致动器100覆盖部分所述凸起结构220围成的区域。例如,所述压电致动器100的数量为两个,所述凸起结构220围成矩形区域,所述两个压电致动器100覆盖所述矩形区域的两侧部分,暴露出中间部分。在一些实施例中,所述压电扬声器还包括位于所述压电致动器100上的振膜层160,所述振膜层160和压电致动器100共同覆盖整个所述凸起结构220围成的区域。
关于所述压电扬声器的具体描述,可以参考上述对压电扬声器的形成方法描述,在此不再赘述。
虽然本发明披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。