CN105050022B - 声音再现系统与用于操作及制造声换能器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种声音再现系统与用于操作及制造声换能器的方法，其中所述声音再现系统包括：静电声换能器，包括膜结构和电极结构；以及控制器，被配置为接收表示将被再现的声音的输入信号且产生用于所述静电声换能器的控制信号，所述控制器被配置为基于所述输入信号产生调制信号，以及对具有基本上在所述静电声换能器的谐振频率处的频率的载波信号进行振幅调制。

Description

声音再现系统与用于操作及制造声换能器的方法
技术领域
本文公开的涉及声换能器，更具体的讲，涉及具有交叉指型第一组梳齿和第二组梳齿的声换能器、声换能器阵列、能谐振激励的声换能器、声音再现系统、用于操作声换能器的方法以及用于制造声换能器的方法。
背景技术
微型扬声器为小型声换能器，并且一些微型扬声器可以使用半导体技术制造，使得微型扬声器各个部分为半导体材料或者适合于面向半导体制造工艺的材料。微型扬声器通常需要产生高空气容积排量，以获得显著声压级。
对于微型扬声器的膜致动，存在几个选择。一些微型扬声器器件利用压电致动器或者平行板式静电致动器。另一个方法是使用在两个平面中的静电梳状驱动结构(即，梳状驱动结构的第一部分设置于第一平面中，梳状驱动结构的第二部分设置于第二平面中)来垂直于平面致动膜。
合适数字微型扬声器的设计面临高频率致动和低功率致动之间的折衷。可能在器件(即膜和弹簧)的机械设计中寻求这种折衷。正在努力设计快速(高谐振频率)且同时足够弹性(低谐振频率)的致动器，以允许以低功率的高致动。
发明内容
本文公开的实施方式涉及声换能器，在一些实施方式中，涉及具有相互交叉的第一组梳齿和第二组梳齿的声换能器。本文公开的一些实施方式涉及声换能器阵列。本文公开的一些实施方式涉及能谐振激励的声换能器。本文公开的一些实施方式涉及声音再现系统。本文公开的一些实施方式涉及用于操作声换能器的方法。本文公开的一些实施方式涉及用于制造声换能器的方法。
根据本文公开的一个方面，声换能器包括基板、本体、第一组梳齿和第二组梳齿。基板具有第一表面和第二表面，第一表面界定第一平面。此外，基板具有腔，腔具有内周缘，腔从第一表面延伸。本体具有外周缘。本体平行于第一平面且至少部分覆盖腔。本体通过至少一个弹性铰链连接至基板。第一组梳齿安装至基板且连接至第一电连接件。第二组梳齿安装至本体且延伸超过本体外周缘。第二组梳齿连接至与第一电连接件隔离的第二电连接件。第一组梳齿和第二组梳齿相互交叉且被配置为在与第一平面垂直的方向上产生驱动本体的静电力。本体和所述至少一个弹性铰链被配置为用于通过静电力的谐振激励或者近谐振激励。
根据本文公开的另一个方面，声换能器阵列包括具有第一表面和第二表面的基板，第一表面界定第一平面。各声换能器包括具有外周缘的本体。本体平行于第一平面且至少部分阻断基板中多个腔之一。各腔具有内周缘，并且本体通过至少一个弹性铰链连接至基板。第一组梳齿安装至基板，第一组梳齿连接至第一电连接件。第二组梳齿安装至本体且延伸超过本体外周缘，第二组梳齿连接至与第一电连接件隔离的第二电连接件。第一组梳齿和第二组梳齿相互交叉，使得当本体运动时，第一组梳齿和第二组梳齿保持相对间距。第一组梳齿和第二组梳齿被配置为在与第一平面垂直的方向上产生静电驱动力。本体和所述至少一个弹性铰链被配置用于通过静电力的谐振激励或者近谐振激励。声换能器是数字方式单独或者逐组可控的，使得声换能器阵列的总声音信号由各单独声音信号组成，所述单独声音信号由单独或者逐组地控制的声换能器产生。
根据本文公开的另一个方面，能谐振激励的声换能器包括基板、机械谐振器结构和交叉指型梳状驱动器。基板具有第一表面和第二表面，第一表面界定第一平面。基板具有腔，腔具有内周缘。腔从第一表面和第二表面中的至少一个延伸。机械谐振器结构至少部分阻断腔。机械谐振器结构通过至少一个弹性铰链连接至基板且被配置为大体上在机械谐振器结构的谐振频率处引起腔内流体移位。交叉指型梳状驱动器设置在基板和机械谐振器结构之间的间隙处，且被配置为产生静电力以引起机械谐振器结构谐振激励或者近谐振激励。
根据本文公开的另一个方面，声音再现系统包括静电声换能器和控制器。静电声换能器包括膜结构和电极结构。控制器被配置为接收表示待再现声音的输入信号且产生针对静电声换能器的控制信号。控制器被配置为基于输入信号产生调制信号，并且对具有大体上在静电声换能器的谐振频率处频率的载波信号进行振幅调制。
根据本文公开的另一个方面，用于操作声换能器的方法包括：产生具有载波信号频率的载波信号；以及利用控制信号对载波信号进行振幅调制，所述控制信号是基于表示待由声换能器换能的声音信号的输入信号。振幅调制产生振幅调制载波信号。所述方法还包括：将振幅调制载波信号施加于声换能器的交叉指型梳状驱动器。交叉指型梳状驱动器被配置为用于引起声换能器的可移动本体的谐振或者近谐振激励，以从而根据振幅调制载波信号来移位与可移动本体相邻的流体。载波信号频率为大体上等于或者接近可移动本体的谐振频率。在声换能器操作期间，振幅调制载波信号具有非零最小振幅，使得可移动本体的谐振或者近谐振激励被保持。
根据本文公开的另一个方面，用于制造声换能器的方法包括：提供具有第一表面和第二表面的基板。第一表面界定第一平面且界定针对至少一个隔离沟槽的沟槽蚀刻掩模。所述方法还包括：使用沟槽蚀刻掩模来蚀刻至少一个隔离沟槽；以及利用隔离材料重新填充所述至少一个隔离沟槽。此外，所述方法包括：界定针对本体、将本体连接至基板的至少一个弹性铰链、与基板相关联的第一组梳齿以及与本体相关联的第二组梳齿中的至少一个蚀刻掩模。第一组梳齿连接至第一电连接件，第二组梳齿连接至第二电连接件，第二电连接件通过至少一个隔离沟槽与第一电连接件隔离。所述方法也包括：使用所述至少一个蚀刻掩模同时蚀刻本体、弹性铰链、第一组梳齿和第二组梳齿，使得本体从基板释放。第一组梳齿和第二组梳齿相互交叉。本体和所述至少一个弹性铰链被配置为用于谐振或者近谐振激励。
附图说明
将使用附图更详细描述本文公开的实施方式，其中：
图1示出利用压电膜致动原理的声换能器的示意性截面；
图2示出利用平行板式静电膜致动原理的声换能器的示意性截面；
图3示出利用用于膜致动的静电梳状驱动器的声换能器的示意性截面；
图4示出根据本文公开的实施方式的声换能器的示意性截面；
图5示出根据本文公开的实施方式的声换能器的示意性俯视图；
图6示出根据本文公开的实施方式的声换能器细节的示意性俯视图；
图7A示出在静止位置的根据本文公开的实施方式的声换能器细节的示意性截面；
图7B示出在致动状态下的图7A中所示的细节；
图8A示出在静止位置的根据本文公开的实施方式的声换能器细节的示意性透视图；
图8B示出在致动状态下的图8A中所示的细节；
图9示意性图示电气隔离的第一选项(option，选择)；
图10示意性图示电气隔离的第二选项；
图11示出根据本文公开的实施方式的声换能器细节的示意性俯视图；
图12示出根据本文公开实施方式的用于操作声换能器的方法的示意性流程图；
图13示出根据本文公开的实施方式用于制造声换能器的方法的示意性流程图；
图14A示出以下图14B至图14H的图例；
图14B至图14H图示根据本文公开的用于制造声换能器的方法的各个阶段；
图15示出根据本文公开的实施方式的声换能器阵列的示意性截面和俯视图；
图16示出根据本文公开的实施方式的声音再现系统的示意性块图；
图17图示由图16声音再现系统处理用于模拟声音再现的两个信号；
图18图示由图16声音再现系统处理用于数字声音再现的两个信号；
图19图示可用在图16声音再现系统中的反扩展器(de-expander)的输入/输出特性；以及
图20A至图20C图示使用声换能器阵列进行数字声音重建的选项。
具体实施方式
在详细描述本发明实施方式之前，应当指出，相同或者功能等同元件具有相同参考数字，并且不再重复描述具有相同参考数字的元件。此外，一些功能等同元件也可具有最后两个数字相同的类似参考数字。因此，除非另有说明，针对具有相同参考数字或者具有相似参考数字的元件提供的描述可互换。
在下文描述中，阐述多个细节以更详尽说明本发明实施方式。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可在无需这些具体细节的情况下实行本发明实施方式。在其它情况下，众所周知的结构和器件以示意性截面图或者俯视图示出而不是详细地示出，以避免混淆本发明实施方式。此外，除非另有明确说明，下文中描述的不同实施方式的特征可与其它实施方式的其它特征相组合。
正如上文所述，对于微型扬声器的膜致动，存在几个选项，诸如压电致动、平行板式静电致动、以及使用梳状驱动器的静电致动，在梳状驱动器中膜侧梳设置于与基板侧梳齿不同的另一个平面中(面外梳状驱动器)。
第一类型微型扬声器设计利用致动的压电材料。图1示出使用压电膜致动原理的声换能器的示意性截面。图1所示声换能器包括基板110、基板110内的腔112以及膜结构120。膜结构120包括预极化压电膜(压电材料)124和另一个结构膜122。预极化压电膜124沉积于其它另一个结构膜122上。压电膜124连接至第一电极(未示出)。另一个结构膜122连接至第二电极(未示出)。当在电极之间提供电位差时，压电膜124收缩或者膨胀，从而引起双晶片膜120弯曲，因此产生沿所示运动方向发生的所需振动。
压电致动器需要特殊材料，诸如锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)、聚偏二氟乙烯(PVDF)，以产生变形应力。其中，PZT不兼容互补金属氧化物半导体(CMOS)。虽然PVDF为旋涂聚合物，但是膜124的压电性质受到旋涂步骤之后的后面工艺的影响。虽然AlN和ZnO可被溅射，但是它们的压电常数取决于膜内晶粒取向。在AlN情况下，虽然高温外延淀积产生最佳结果，但是同时限制设计和工艺整合自由度。
第二类型微型扬声器示意性示出于图2中且包括可移动膜220和一个背板电极240。这种构成通常称为平行板式静电致动器。膜220通过具有厚度d的间隔物230与背板240分离，当膜220处于静止位置处时，间隔物230也界定介于膜220和背板240之间的距离。当它们之间施加电位差时，膜220被吸引至电极240。交流(AC)驱动信号可诱导膜220来回振动。平行板式静电致动器的位移由两个电极(即，膜220和电极240)的距离限制。这使得利用表面微加工工艺很难实现大位移。此外，由电极产生的力与距离的平方成反比，从而增加按比例扩大位移振幅的难度。
不管使用哪种致动原理，微型扬声器配置可被用于数字声音重建。对于数字声音重建，通常以所需音频带宽至少两倍的高载波频率驱动单个扬声器元件阵列。各个元件只具有离散状态，以产生形成最终音频信号(在人耳中低通滤波)的声音小波。对于数字微型扬声器，期望具有相对坚硬的高频膜以及大面积，以振动大空气量。这对于平行板式器件很难实现，这是因为无应力膜本身作为挠性件，其谐振频率与r3成反比关系，其中r为膜直径。相同论点可适用于压电致动器件。
本文公开了例如在硅技术中，使用微加工梳状驱动致动器如何用50Hz至200Hz的频率振动量(volume)。几个这种扬声器可以阵列星座(array constellation)设置。
由面积A的平行板式致动器产生的力为：
板中心处位移为：
无阻尼振动频率为：
在以上等式中，
ε0 真空介电常数，
A 平行板式致动器的工作面积(active area)，
D 膜220和背板240之间的距离，
V 膜220和背板240之间施加的电压，
ν 膜的泊松比(Poisson’s ratio)，
E 膜的杨氏模量，
P 膜上的压力，
t 膜厚度，
r 膜半径，
k 包括膜的振荡系统的弹簧常数，以及
m 包括膜的振荡系统的等效质量。
可通过使用非常厚的膜以提供实现高频率所需的刚度来解决问题。然而，两个板之间具有大距离的厚膜将大幅增加工艺复杂度，且仍然不会提供大振幅致动所期望的大偏转，尤其在平行板式致动原理的情况下。
在处于高拉伸应力的膜的情况下，可看到类似的折衷。
上文已经提到使用静电梳状驱动结构的另一个方法。这种结构能在低于其机械自谐振的频率下工作。通常，梳状驱动器包括固定部分和运动部分，其中，运动部分平行于固定部分，但是相对于固定部分在面外(out-of-plane)。换言之，固定部分设置于第一平面中，运动部分设置于与第一平面平行的第二平面中。以此方式，可在固定部分和运动部分之间产生静电吸收力，从而引起运动部分接近固定部分。然而，这种面外式梳状驱动结构制造相当困难。
根据本文公开公开及图3所示的内容，交叉指型梳状驱动致动器被用于驱动活塞运动。活塞运动产生导致声波的压力。
图3所示声换能器包括基板110、梳状驱动结构360、膜320和多个弹簧352。腔112形成于基板中且从基板110的第一表面114延伸到第二表面115。梳状驱动器360可为面外式梳状驱动器，且包括安装至基板110的第一组梳齿362以及安装至膜320的第二组梳齿364。第一组梳齿362经由支撑结构368(例如，作为框架)安装至基板110，支撑结构368配置于第一表面114上。
腔112由支撑结构368的内周缘116限定(delimit)。膜320由具有外周缘326的本体形成。本体至少部分覆盖腔112且通过至少一个弹性铰链或者多个弹性铰链连接至基板，在图3所示配置中，弹性铰链由弹簧352形成。
第一组梳齿362连接至第一电连接件(未示出)。第二组梳齿364延伸超过本体外周缘且电气连接至与第一电连接件隔离的第二电连接件(未示出)。第一组梳齿362和第二组梳齿364相互交叉且被配置为在与第一平面114垂直的方向上产生驱动本体的静电力。图3示出处于第一组梳齿362和第二组梳齿364部分重叠的中间位置的梳状驱动器360。
本体320和弹性铰链352被配置为用于通过静电力进行的谐振激励或近谐振激励(near-resonant excitation)。本体320和弹性铰链352形成谐振系统。谐振系统的谐振频率由等效质量和弹簧常数界定。等效质量不仅由本体320的质量，而且由本体320周围且由本体驱动的空气量(或者，更概括地讲，流体)的质量来确定。由第一组梳齿362和第二组梳齿364产生的静电力随着频率变化，所述频率是谐振频率的函数，例如大约为谐振频率。在谐振情况下，谐振系统的位移通常相对于(多个)静电力具有90度相位差。
图4以示意性截面示出根据本文公开的声换能器的另一个实施方式。声换能器包括膜结构(或者本体)420，膜结构(或者本体)420包括膜材料422和薄膜424。膜结构420也包括周缘426。声换能器还包括面内梳状驱动器460，其位置示意性示出在图3中。图4中未明确示出第一组梳齿462和第二组梳齿464，参考图5，图5示出交叉指型梳状驱动器460以及第一和第二组梳齿462、464。
支撑结构468设置于隔离层456上，隔离层456将支撑结构468与基板110隔离。支撑结构468包括固定电极接触件(第一电连接件)465、膜接触件(第二电连接件)466、膜导体451和隔离沟槽453。膜接触件466连接至膜导体451，以将第二组梳齿464与由控制器(未示出)提供的电位连接，使得与施加于第一组梳齿462的另一个电位协作，可产生介于第一组梳齿和第二组梳齿之间的静电力。
根据本文公开内容，微型扬声器膜420通过梳状驱动器460的面内交叉指型电极来致动，以执行在谐振系统(包括膜420)的机械谐振频率附近的活塞运动。膜420的致动振幅不受电极间间隙的限制。电极462、464可利用单个光刻和蚀刻步骤来制造，且利用一种或多种CMOS兼容材料来构成。只要很小的不对称就足以开始致动。
当膜420处于静止位置时，第一组梳齿462和第二组梳齿464基本上上处于彼此最小距离处，或者至少接近这样的最小距离。因此，在第一组梳齿462和第二组梳齿464之间产生静电吸引力根本不会导致运动或者只是极小运动，这是因为第一组梳齿462和第二组梳齿464不能更接近(与往复式机器中死点类似)。如果当膜420处于静止位置处时第一组梳齿462和第二组梳齿464相对于彼此基本上对称定位，尤其如此，因为在静电力由此作用于与膜的运动方向基本上垂直的方向上。然而，真实声换能器通常呈现某种程度不对称性，使得静电力包括与运动方向平行的分量。不对称性可能由制造公差或者外部影响(例如作用于膜420上的重力)引起。
交叉指型梳状驱动结构460被制造为面内结构且可被致动为接近自谐振。可移动梳齿464相对于定子梳齿462只要有一点初始位移，就足以开始致动。这样的位移可由于梳状结构460的初始弯曲或者微加工导致的不对称性而产生。
由于面内梳状驱动结构，膜运动为活塞状运动，且允许大位移。运动范围不受电极间距离的限制，随着电极数目增加以及反电极间距离减少，可增加静电力。弹簧可被设计成不同刚度以适应不同频率要求，而不会影响膜大小和/或厚度。此外，不存在因为气流阻尼而限制运动的平行电极。
弹簧支撑的膜420由CMOS兼容材料构成，所述材料包括多晶硅(poly-Si)、非晶硅、氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、铝或者利用以上膜堆叠的任何组合的体硅(bulk Si)。膜420的厚度范围可为从1μm到100μm。挠性件(例如，弹性铰链452，参见图5)包括体硅或者其它薄膜材料，如上文提到的。特别是，薄膜424可具有与膜材料422的内应力不同的内应力。这种内应力差通常导致膜结构420在例如远离腔112或者面向腔112内的一个方向上弯曲或者鼓起。以此方式，对膜结构420的静止位置可有意引入不对称性，使得当从静止位置开始时，膜结构可以界定方式进入运动状态，与(几乎)对称静止位置相反，膜结构几乎不能从对称静止位置进入运动状态，这是因为在第一组梳齿和第二组梳齿之间的吸引力基本上不具有在膜结构420的运动方向(即，垂直于膜的主表面)上的分量。
根据本文公开的至少部分实施方式的致动器利用两组交叉指型电极462、464来构成，所述电极之间具有小的有意的垂直位移。正如上文提到，这可通过利用SiO2、Si3N4、铝、聚酰亚胺或者以上材料组合的薄膜对所述膜预加应力来实现。内应力失配引起膜具有曲率，从而在两个电极之间产生位移。具有与本体材料和铰链材料的内应力不同的内应力的材料的薄膜可位于本体和至少一个弹性铰链中的至少一个处或者位于本体和至少一个弹性铰链中的至少一个中，使得由于内应力差，第一组梳齿和第二组梳齿在与第一平面垂直的方向上相对彼此移位。例如，当处于静止位置处时，第一组梳齿和第二组梳齿在与第一平面垂直的方向上相对彼此偏移了小于或者等于在与第一平面垂直的方向上本体的有效位移(operative displacement)的最大振幅(maximum amplitude)的10％。偏移甚至可以小于本体的有效位移的最大振幅的10％，诸如8％、6％、5％、4％、3％、2％、1％和小于1％以及介于上述值之间的值。
当膜结构320、420处于静止位置处时，在第一组梳齿和第二组梳齿之间有意引入不对称性的另一个选项是，使第一组梳齿和第二组梳齿在与第一平面垂直的方向上具有不同的延伸(extension，延伸度)。
利用具有在其机械谐振频率处或者其机械谐振频率附近的频率的电位差来供应电极462、464。这产生静电力，以将电极拉拢在一起。如果力足够大且供应电压是在器件谐振频率附近或者在器件谐振频率处，那么膜运动被放大，直至通过阻尼达到平衡。这产生大位移，从而产生与膜相邻的空气量的强烈振动。
从致动器F产生的静电力与电极组数目N、电极重叠长度的平方l2成正比，且与一组电极间的距离的平方成反比。当位移小于电极厚度t时确实如此，其中边缘效应小。在本发明提出的设计中，电极厚度范围可为从5μm到70μm，电极间间隙g范围可为2μm到10μm，电极长度为10μm到150μm。利用这些量，由交叉指型梳状驱动致动器产生的力由以下等式给定：
本体320、420以及/或者至少一个弹性铰链352、452可与基板110单片集成。
例如，本体320、420可具有与第一平面平行为200μm至1000μm或者400μm至800μm的横向延伸。例如，本体320、420在与第一平面垂直的方向上可具有5μm至70μm或者10μm至50μm的厚度。
本体320、420和至少一个弹性铰链352、452可形成谐振结构。第一组梳齿362、462和第二组梳齿364、464可被配置为在声换能器操作期间在基本上永久的谐振或者近谐振激励中驱动谐振结构，且利用控制信号对在谐振结构的谐振频率处或者在谐振结构的谐振频率附近对本体320、420的所得振荡进行振幅调制，所述控制信号是基于待由声换能器换能的电输入信号。
基板110的一部分可借助pn结、隐埋氧化物隔离层或者电介质层中的至少一个来电气隔离。图4中的隔离层可以为隐埋氧化物隔离层或者电介质层。
当本体320、420移动时，第一组梳齿362、462和第二组梳齿364、464可保持最小相对间距。相对间距是指在与本体主运动方向垂直的方向上第一组梳齿和第二组梳齿之间的距离。保持最小相对间距的事实上是指，在本体运动期间，第一组梳齿和第二组梳齿彼此接近程度不会小于上述最小相对间距。
例如，本体320、420和至少一个弹性铰链352、452可形成具有40kHz至400kHz或者60kHz至300kHz或者80kHz至200kHz的谐振频率的谐振结构。
图3和图4所示的声换能器可以为微机电系统(MEMS)，且可使用MEMS制造技术来制造。不仅自谐振由MEMS结构的机械性质给定，而且周围封装491可被用于支持例如通过空气弹簧/质量系统(例如霍尔海姆茨共振器或者亥姆霍兹共振器490)的谐振。这些结构可在体硅材料内制造，且工艺完全兼容CMOS。
可替代地，图3和图4所示的声换能器可被描述为具有基板110，基板110具有第一表面114和第二表面115。第一表面界定第一平面。基板110具有腔112，腔112具有内周缘116。腔112从第一表面114和第二表面115中的至少一个延伸。声换能器还包括机械谐振器结构，机械谐振器结构至少部分阻断腔112，机械谐振器结构通过至少一个弹性铰链352、452连接至基板110且被配置为大体上以机械谐振器结构的谐振频率引起腔112内流体移位。交叉指型梳状驱动器360、460设置于基板110和机械谐振器结构之间的间隙，且被配置为产生静电力以引起机械谐振器结构的谐振或近谐振激励。
图5示出根据本发明实施方式的声换能器的示意俯视图。腔112和本体420都具有大体上正方形形状且彼此一致(congruent)和同中心。声换能器包括梳状驱动器460，梳状驱动器460具有四个部分，正方形本体420的每一边处一个部分。图5中可用看到第一组梳齿462和第二组梳齿464。
图5所示的声换能器还包括弹性铰链或者弹簧452。弹性铰链452设置于正方形本体420的角落处。各弹性铰链452将本体420的一个角落连接至固定器(anchor)558，固定器558设置于腔112的相应角落中。各铰链452包括枢轴454和支柱455。当本体420在与图5所示平面垂直的方向上运动时，枢轴454执行扭转弹性运动，所述扭转弹性运动偏转支柱455。此外，支柱455可执行平移偏转(translational deflection)。弹性铰链452的设计能保持本体420相对于基板110的定心(alignment)，使得在本体420运动期间，基本上保持梳状驱动器460的第一组梳齿和第二组梳齿的相对间距。
固定器558为L形，且可被用作导电元件，以施加电位于本体420，因此施加于梳状驱动器460的第二组梳齿464。在该情况下，固定器558可与周围基板110电气隔离。
图6示出根据本文公开的实施方式的声换能器细节的示意性俯视图。特别是，相对于图5所示设计，图6中示出另一种固定器设计。各弹性铰链452连接至两个固定器部分658，固定器部分658分别通过隔离沟槽653与周围基板隔离。
图6也图示在第一组梳齿462的一个齿662与第二组梳齿464的一个齿664之间的间隙g。间隙g也被称为第一组梳齿和第二组梳齿之间的相对间距。
图7A示出在静止位置的根据本文公开实施方式的声换能器细节的示意性截面。特别是，可以看到第一组梳齿462的第一齿662以及第二组梳齿464的第二齿664。第一齿662和第二齿664重叠了长度l。第一齿662和第二齿664在本体420的运动方向上都具有厚度t。第二齿664相对于第一齿662向顶部略微偏移(即，远离腔112)。这样，在第一齿662和第二齿664之间的静电力使第二齿664向下运动，使得膜420在此方向上由于静电力而被加速。由于吸引力，膜在偏移附近移位，并且由于谐振，位移振幅被放大。
图7B示出在致动状态下图7A中所示的细节，其中第二齿664在远离腔112的方向上移位。
图8A示出在静止位置处根据本发明实施方式的声换能器细节的示意性透视图，图8B示出在致动状态下的相同细节。电位V1施加于基板110，电位V2施加于膜420。当声换能器处于静止位置时，如图8A所示，第一电位和第二电位V1和V2为相反符号。因此，介于第一组梳齿和第二组梳齿462、464之间产生静电吸引力，所述静电吸引力将膜420拉拢至静止位置。在替代性实施方式中，第一组梳齿和第二组梳齿基本上无电荷，使得没有产生显著静电力。图8B示出当向上致动时的声换能器。
图9示意性图示用于固定器558与基板110的电气隔离以及其它隔离任务的第一选项。体硅容积110的一部分经由p-n结和深隔离沟槽953电气隔离。基板110为n型掺杂，而设置于基板表面上的外延层“P+EPI”为p型掺杂。p-n结形成于界面处，当n型基板处于比p型层更高的电位时，p-n结阻断。图9也示出第一电连接件957和固定器558。第一电连接件957用于将第一组梳齿362、462与梳状驱动器360、460的控制信号发生器电气连接。固定器558用作第二组梳齿364、464的第二电连接件。第一电连接件957借助沟槽953与固定器558电气隔离。沟槽953不必一直向下延伸至基板第二表面115，这是因为第一电连接件957也借助具有相反方向的两个p-n结与固定器558分离。因此，两个p-n结中至少一个通常处于阻断状态。
图10示意性图示电气隔离的第二选项，其中使用隐埋氧化物隔离层456。在此配置中，隔离沟槽453延伸至隐埋氧化物隔离层456，使得第一电连接件957与固定器558电气隔离。
在替代性工艺中，静止梳齿362、462相对于可移动梳齿364、464的隔离可由绝缘电介质层456提供，绝缘电介质层456同时用作致动器的支撑挠性件。在此情况下，致动器高度并不限制支撑挠性件的设计。它可以诸如蜿蜒式的横向方式或者具有折皱的垂直地设计。
图11示出根据本文公开实施方式的声换能器细节的示意俯视图。第一组梳齿462包括防粘连结构1162。在替代性实施方式中，防粘连结构可配置于第二组梳齿464或者第一组梳齿和第二组梳齿462、464两者。防粘连结构1162被配置用于防止相互交叉的梳齿462、464粘连。相互交叉的梳齿粘连在生产和使用中可能是个严重问题。防止这样的事件发生的简单布局技巧是沿着梳齿设计尖锐结构，当粘连至对置梳齿的相应侧时，尖锐结构减少接触力。
图12示出根据本文公开实施方式的用于操作声换能器的方法的示意性流程图。在步骤1202，产生具有载波信号频率的载波信号。载波信号频率大体上等于或者至少接近声换能器的可移动本体的谐振频率。可移动本体的谐振频率通过振荡或谐振系统的性质来确定，所述振荡或谐振系统包括本体以及将可移动本体连接至基板的一个以上的弹性铰链。在步骤1204，利用控制信号对载波信号进行振幅调制，所述控制信号是基于表示待由声换能器再现的声音信号的输入信号。所述振幅调制产生振幅调制(AM)载波信号。在声换能器的操作期间，振幅调制载波信号具有非零最小振幅(除了通常的零交叉)，使得可移动本体的谐振或近谐振激励被保持。非零最小振幅是指即使控制信号降为零，振幅调制信号继续以非零最小振幅(即，振荡峰值具有非零最小振幅)振荡。这可通过使用调制指数h<100％来实现。保持可移动本体的谐振或近谐振激励防止可移动本体困住在可移动本体不易加速的静止位置(死点)，因为在静止位置静电力分量主要作用于与运动方向垂直的方向上。
在步骤1206，振幅调制载波信号施加于声换能器的交叉指型梳状驱动器。交叉指型梳状驱动器被配置用于引起声换能器的可移动本体谐振或者近谐振激励，从而根据振幅调制载波信号来移位与可移动本体相邻的流体。这产生被传送给听众的声音信号。听众耳朵通常跟不上归因于载波信号的快速振荡。在听众耳朵中发生自然低通滤波，使得听众能提取和听见输入信号(或者与输入信号类似的信号)。
振幅调制载波信号可以被DC偏置。以此方式，对于几乎所有的控制信号的波形(罕见例外的是，控制信号为这样的DC信号：具有为DC偏置加性逆元的振幅)，对保持非零最小振幅的期望得以实现。DC偏置AC电压可施加于连接至膜的电极464，而另一组电极462以及大块基板110被接地。
控制信号可为至少具有低信号值和高信号值的数字控制信号，使得振幅调制载波信号当用低信号值进行振幅调制时具有小的、非零振幅，当用高信号值进行振幅调制时具有高振幅。
所述方法还可包括：比较输入信号与阈值；以及如果输入信号大于阈值，那么将控制信号设定为高信号值，如果输入信号小于阈值，那么将控制信号设定为低的、非零信号值。在声换能器阵列中，不同声换能器可具有不同阈值，使得对于特定输入信号值，特定数目的声换能器通过低的、非零振幅调制载波信号来驱动，余下数目的声换能器通过高振幅调制载波信号来驱动。随着输入信号振幅的增加，越来越多的声换能器可通过高振幅调制载波信号来驱动。
图13示出根据本文公开实施方式的用于制造声换能器的方法的示意性流程图。在步骤1302，提供基板，基板具有第一表面和第二表面。第一表面界定第一平面。在步骤1304，界定针对至少一个隔离沟槽的沟槽蚀刻掩模。在步骤1306，使用沟槽蚀刻掩模来蚀刻所述至少一个隔离沟槽。在步骤1308，利用隔离材料重新填充所述至少一个隔离沟槽。
在步骤1310，界定用于本体、弹性铰链、第一组梳齿和第二组梳齿的至少一个蚀刻掩模。在成品/制成品声换能器中，弹性铰链最终将本体连接至基板。第一组梳齿与基板相关联且在成品声换能器中最终将连接至第一电连接件。第二组梳齿与本体相关联且最终将连接至第二电连接件，第二电连接件通过所述至少一个隔离沟槽与第一电连接件隔离。第一组梳齿和第二组梳齿相互交叉。在制成品声换能器中，本体和弹性铰链被配置用于谐振或近谐振激励。
在步骤1312，使用所述至少一个蚀刻掩模同时蚀刻本体、弹性铰链、第一组梳齿和第二组梳齿，使得本体从基板基本上释放且经由铰链只连接至基板。
所述至少一个隔离沟槽可限定基板110的铰链连接区(例如固定器558)，所述至少一个弹性铰链452中的至少一个连接于铰链连接区。因此，隔离沟槽将铰链连接区与基板110电气隔离。
在用于制造声换能器的方法过程期间，提供基板的步骤可包括：在与第一表面114平行的基板内形成隔离层456。隔离层456可用作针对通过至少一个隔离沟槽453、653横向隔离的基板区的底部隔离。
所述方法还可包括在同时蚀刻本体、至少一个弹性铰链、第一组梳齿和第二组梳齿的步骤之前或者之后的背面蚀刻步骤。背面蚀刻产生针对本体、第一组梳齿362、462和第二组梳齿364、464的腔112。
图14A至图14H图示根据本文公开的用于制造声换能器的方法的实施方式。
图14A示出以下图14B至图14H用于指示各种材料的图例。图14B至图14H示出用于图示根据本文公开的用于制造声换能器的方法的各个阶段的示意性截面。
在图14B中，提供硅基板110。此外，二氧化硅层1456设置于基板110的第一主表面上。另一个硅层1457设置于氧化硅层1456上。以此方式，形成绝缘体上硅(SOI)结构。另一个氧化硅层1458设置于硅层1457上。例如，体硅基板110可为400μm厚。应当注意，术语“基板”和参考数字110可以不仅是指体硅，而且也指图14B所示的多层结构。
在图14C中，前掩模已经被用于界定(define)将来的声换能器的隔离结构，特别是横向隔离结构。因此，使用前掩模来形成一个以上隔离沟槽1453。随后，移除光阻(PR)掩模，执行氧化，并且重新填充一个以上沟槽。图14B示出利用二氧化硅重新填充的隔离沟槽。
图14D示出在已经沉积另一氧化物层且另一前掩模已经被用于界定将来的接触区的一个以上初级腔1467之后的声换能器。此外，氧化物被干蚀刻。
图14E示出已使用金属溅射工艺形成接触区1468的制造工艺阶段。接触区1468填充初级腔1467。另一个前掩模被用于构成接触区(或者“垫”)1468。然后使用前掩模来干蚀刻垫1468。接触区1468可能最终用作第一电连接件和/或第二电连接件。
在图14F中，另一二氧化硅层1471已经沉积于垫和已经存在的二氧化物层1458上。借助前掩模以及氧化物干蚀刻，交叉指型梳状驱动器的齿在硅层1457中构成。
在图14G中，背面掩模1473和干蚀刻步骤已经被用于构成背面沟槽112。
图14H示出在已经执行前面的干蚀刻步骤以及作用于氧化物的选定部分上的湿蚀刻步骤之后的结果。
图15示出根据本文公开的实施方式的声换能器阵列的示意性截面和示意性俯视图。例如，图15所示的阵列可为具有交叉指型静电致动器(即，声换能器)的近谐振活塞型微型扬声器阵列。基板1510可具有另一腔1512，另一腔1512具有另一内周缘1516，另一腔1512在第一表面和第二表面之间延伸。声换能器阵列还包括另一本体1520，另一本体1520具有另一外周缘1526，另一本体1520平行于第一平面且至少部分阻断另一腔1512。另一本体1520通过另外的弹性铰链1552连接至基板110。腔112和本体420形成第一声换能器件，另一腔1512和另一本体1520形成第二声换能器件。在图15的配置中，图示十一个另一声换能器件。第一和第二声换能器件可利用多晶硅配线、金属配线、由另一个导电材料制成的配线(routing)或者这些配线的组合来互连。特别是，两个以上声换能器件的膜可被互连。此外或者在替代性方案中，两个以上的声换能器件的基板侧多组梳齿可被互连。第一和第二声换能器件可通过基板110中的深沟槽(图15中未示出)电气隔离。换言之，多个器件可利用多晶硅或者金属配线来互连，和/或用深硅沟槽隔离，所述深硅沟槽利用电介质材料(例如SiO2、Si3N4、聚合物或者以上材料的组合)来重新填充。
因此，各声换能器包括本体420、1520，本体420、1520具有外周缘426、1526。本体420、1520平行于第一平面且至少部分阻断基板110中多个腔112、1512中的一个。腔112、1512具有内周缘116、1516，并且本体420、1520通过至少一个弹性铰链452、1552连接至基板110。在图15所示配置中，各本体420、1520通过四个弹性铰链452、1552连接至基板110。面内梳状驱动器460、1560包括：第一组梳齿，安装至基板；以及第二组梳齿。第一组梳齿连接至第一电连接件(未示出)。第二组梳齿安装至本体420、1520且延伸超过本体的外周缘426、1526。第二组梳齿连接至与第一电连接件隔离的第二电连接件。梳状驱动器460、1560的第一组梳齿和第二组梳齿相互交叉，使得当本体420、1520运动时，第一组梳齿和第二组梳齿保持相对间距(在与运动方向基本上垂直的方向上)。第一组梳齿和第二组梳齿被配置为在与第一平面垂直的方向上产生静电驱动力。本体420、1520和至少一个弹性铰链452、1552被配置用于通过静电力进行谐振或近谐振激励。声换能器是以数字方式单独或者逐组(group-wise)可控的，使得声换能器阵列的总声音信号由由单独控制的声换能器产生的各单独声音信号组成。
利用图15所示的阵列，器件可经由互连接线成组地或者单独访问且产生高频声波，所述高频声波然后可利用不同振幅的人类听力范围内的其它频率来调制。或者，一个以上数字控制信号可被用于调制由不同的声换能元件产生的高频声波。
图16示出根据本文公开的实施方式的声音再现系统的示意性块图。声音再现系统包括控制器1670和静电声换能器1680。控制器1670接收输入信号，所述输入信号表示待由声音再现系统再现的声音信号的波形。控制器1670被配置为处理输入信号且产生用于静电声换能器1680的控制信号。控制信号为通过利用输入信号对具有相对高载波信号频率的载波信号进行振幅调制来获得的振幅调制信号。载波信号频率为等于静电声换能器1680的谐振频率，或者至少相对接近谐振频率。因此，静电声换能器良好地响应控制信号的激励。静电声换能器1680的膜因此能执行相对宽的振荡，就像对于谐振情况可以预料的那样。因此，静电声换能器1680可迅速跟上控制信号的振荡的峰值振幅的变化，使得控制信号的包络(envelope)为输入信号的函数。请注意，倍频发生于输入信号与控制信号的包络之间。由于人耳的自然低通滤波特性，由静电换能器1680输出的再现声音被听众“解码”。
图17示意性图示由图16声音再现系统处理用于模拟声音再现的两个信号。输入信号为在例如大约从40Hz到16kHz的听力频率范围内的音频信号。控制信号为通过利用输入信号对载波信号进行调制来获得的振幅调制信号。请注意，即使输入信号在某个时间间隔内为零，控制信号仍然以最小振幅Amin执行振荡(峰峰振幅为2Amin)。这个最小振幅振荡使静电声换能器的膜处于运动，使得膜不会困住在振荡死点。无论如何，由最小振幅振荡产生的声音通常不能被察觉，这是因为它对应的声压级非常低且频率超出人耳的听力范围。
图18图示由图16声音再现系统处理用于数字声音再现的两个信号。输入信号可用于声换能器阵列的单个声换能器件或者用于声换能器阵列的一组声换能器件。输入信号为数字并且可假设两个值。第一值为逻辑“0”，第二值为逻辑“1”。当输入信号具有值“0”时，控制信号执行最小振幅振荡。当输入信号具有值“1”时，控制信号以静电声换能器的谐振系统的谐振频率执行相对大的振荡。当声换能器在谐振频率操作时，在控制信号已经从大振幅振荡转移到最小振幅振荡之后，声换能器可能执行后脉冲振荡或者“振铃”。通过调整(增加)静电声换能器的谐振系统的阻尼，这种振铃可显著降低。或者，当产生数字输入信号时，膜的振铃可被考虑且甚至被有利使用。特别是，数字控制信号内的下降沿可超前(“预期”)了特定时间间隔，使得在与高振幅时间间隔的最后相位一致期间发生振铃。
图19图示可用在图16声音再现系统中的反扩展器的输入/输出特性。反扩展器为非线性滤波器，其将最小振幅Amin与输入信号的幅值相加。反扩展器可在振幅调制之前处理图17或者图18的输入信号。由于最小振幅，即使输入信号基本上为零，振幅调制信号也至少保持小振荡，以使膜保持谐振运动。在静电换能器的初始启动，小的不对称性通常足以对谐振模式激励建立一定数目振荡内(诸如在10个、20个振荡或者100个振荡内)的永久振荡(permanent oscillation)。
图20A至图20C图示使用声换能器阵列的数字声音重建的一个可行方案。图20A图示对于给定比特(bit)哪些声换能器被致动。因此，当比特1为活动(active)时，单个声换能器被致动。当比特2为活动时，两个(不同)声换能器被致动，当比特3为活动时，四个声换能器被致动。
图20B图示如何通过三个比特1至3来数字表示输入信号(由其瞬时功率表示)。为此，输入信号利用例如40kHz的采样率(sample rate)来采样。采样率由时钟(CLK)提供。随时间变化的活动声换能器数目以图形方式示出于图20B的下部。通过叠加由单个声换能器产生的声音信号，产生阵列的总声音信号，所述总声音信号再现输入信号。
图20C图示针对分配给比特2的声换能器的控制信号。声换能器利用具有例如200kHz载波频率的信号来驱动。当比特2为低时，控制信号仅具有小振幅(例如，以上在图17和图19背景下提到的Amin)。当比特2为高时，控制信号具有相对高的振幅。
虽然在装置背景下已经描述一些方面，但是很显然，这些方面也表示相应方法的描述，其中模块或者器件与方法步骤或者方法步骤的特征相对应。类似地，在方法步骤背景下描述的方面也表示相应装置的相应模块或者零件或者特征的描述。一些或者全部方法步骤可通过(或者使用)硬件装置来执行，例如，诸如微处理器、可编程计算机或者电子电路。在一些实施方式中，最重要方法步骤中一个或多个可通过这种装置来执行。
上述实施方式仅仅说明本发明原理。应当理解，本文中描述的设置和细节的修改和变化对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此，本发明仅受限于权利要求书而不是以描述和说明本文中实施方式的方式呈现的具体细节。

Claims (7)

1.一种声音再现系统，包括：
静电声换能器，包括可移动膜结构和部分安装至所述可移动膜结构的交叉指型梳状驱动器；以及
控制器，被配置为接收表示将被再现的声音的输入信号且产生用于所述静电声换能器的控制信号，所述控制器被配置为基于所述输入信号产生调制信号，以及对具有在所述静电声换能器的谐振频率处的频率的载波信号进行振幅调制以产生振幅调制载波信号，其中，所述控制器被进一步配置为将所述振幅调制载波信号施加于所述静电声换能器的所述交叉指型梳状驱动器，所述交叉指型梳状驱动器被配置为用于使所述静电声换能器的可移动膜结构的谐振或近谐振激励，从而根据所述振幅调制载波信号来移位与所述可移动膜结构相邻的流体。
2.根据权利要求1所述的声音再现系统，其中，所述输入信号中低振幅部分被转换为所述调制信号中具有最小振幅的部分，使得振幅调制载波信号至少以所述最小振幅振荡。
3.根据权利要求1所述的声音再现系统，其中，所述控制器包括用于基于所述输入信号产生所述调制信号的反扩展器。
4.一种用于操作声换能器的方法，所述方法包括：
产生具有载波信号频率的载波信号；
利用控制信号对所述载波信号进行振幅调制，所述控制信号是基于表示将由所述声换能器换能的声音信号的输入信号，所述振幅调制产生振幅调制载波信号；以及
将所述振幅调制载波信号施加于所述声换能器的交叉指型梳状驱动器，所述交叉指型梳状驱动器被配置为用于使所述声换能器的可移动本体的谐振或近谐振激励，从而根据所述振幅调制载波信号来移位与所述可移动本体相邻的流体；
其中，所述载波信号频率为等于所述可移动本体的谐振频率，其中，在所述声换能器的操作期间，所述振幅调制载波信号具有非零最小振幅，使得所述可移动本体的谐振或近谐振激励被保持。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述振幅调制载波信号被DC偏置。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述控制信号为至少具有低信号值和高信号值的数字控制信号，使得所述振幅调制载波信号当以所述低信号值进行振幅调制时具有小的、非零振幅，当以所述高信号值进行振幅调制时具有高振幅。
7.根据权利要求4所述的方法，还包括：
将所述输入信号与阈值比较；以及
如果所述输入信号大于所述阈值，那么将所述控制信号设定为高信号值，如果所述输入信号小于所述阈值，那么将所述控制信号设定为低的、非零信号值；
其中，在声换能器阵列中，不同的声换能器具有不同的阈值，使得对于特定输入信号值，特定数目的声换能器通过低的、非零振幅调制载波信号来驱动，余下数目的声换能器通过高振幅调制载波信号来驱动。
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