CN108282730A - 微机械声换能器组件和相应的制造方法 - Google Patents

微机械声换能器组件和相应的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明建立一种微机械声换能器组件和一种相应的制造方法。微机械声换能器组件设有衬底(S)，该衬底具有正面(V)和背面(R)和带有空腔边缘区域(KR)的空腔(K)；在所述正面(V)上弹性悬挂的至少一个压电的振动梁(Z1‑Z6)，该振动梁在所述空腔(K)上延伸；和偏转限界装置(E1‑E3)，所述偏转限界装置设置在所述振动梁(Z1‑Z6)中的每个振动梁的端部边缘区域(ST1‑ST6)上并且如此构型，使得所述偏转限界装置使相应的所述端部边缘区域(ST1‑ST6)与所述空腔边缘区域(KR)或者另一振动梁(Z1‑Z6)的对置的端部边缘区域(ST1‑ST6)处于相互作用中，以便将相应的所述振动梁(Z1‑Z6)的偏转限制在极限偏转内。

Description

微机械声换能器组件和相应的制造方法
技术领域
本发明涉及一种微机械声换能器组件和一种相应的制造方法。
背景技术
虽然原则上可以使用任意的微机械声换能器组件、例如扬声器和麦克风，参照基于硅的微机械麦克风组件阐述本发明和本发明所基于的问题。
微机械麦克风组件通常具有集成在MEMS芯片上的、用于将声能转换为电能的声换能装置，其中，由于声能可偏转的第一电极和固定的穿孔的第二电极(背面电极)电容式地共同作用。第一电极的偏转由在第一电极之前和之后的声压差确定。如果所述偏转改变，则通过第一和第二电极形成的电容器的电容改变，这在测量技术方面可以感测到。这种微机械麦克风组件由US 2002/0067663A1已知。
通过固定的穿孔的第二电极(背面电极)限界膜片的运动，并且因此限界麦克风组件的动态区域，并且由于空气流动阻力还产生附加的噪音。
具有振动梁的压电麦克风组件由US 2014/0339657A1已知。这能够实现较大的动态区域并且能够防止附加的噪音，这提升了整体质量。压电麦克风组件的基本原理是使用压电材料、例如AlN(氮化铝)或PZT(锆钛酸铅)或其他合适的压电材料，所述压电材料在变形时产生电荷并且由此使得电压在测量技术方面可感测。
在声压水平特别高时或者在外部震动时，压电麦克风组件的振动梁非常强烈地弯曲。在最坏的情况下可能导致振动梁的不可修复的损坏。
由US 2013/0088123A1已知一种压电组件，在该压电组件中振动梁通过上止挡和下止挡限制在上或下极限偏转内。
发明内容
本发明建立一种微机械声换能器组件和一种相应的制造方法。所述微机械声换能器组件具有：衬底，该衬底具有正面和背面和带有空腔边缘区域的空腔；在正面上弹性悬挂的至少一个压电的振动梁，该振动梁在所述空腔上延伸；偏转限界装置，所述偏转限界装置设置在所述振动梁中的每个振动梁的端部边缘区域上并且如此构型，使得所述偏转限界装置使相应的端部边缘区域与所述空腔边缘区域或者另一振动梁的对置的端部边缘区域处于相互作用中，以便将相应的振动梁的偏转限制在极限偏转内。
由说明书和附图得出本发明的优选扩展方案。
本发明所基于的想法在于，形成偏转限界装置，该偏转限界装置要么使相对置的振动梁的端部边缘区域处于相互作用中，要么使对应的振动梁的端部边缘区域与空腔区域处于相互作用中，以便将各个振动梁的偏转限制在极限偏转内。
这样尤其能够在没有止挡的情况下实现成对的相对置的振动梁，这降低了制造复杂性。尤其只需要简单的附加结构，该附加结构将所述偏转限制在上极限偏转和下极限偏转内。
根据优选扩展方案，设置一对或多对相对置的振动梁，其中，偏转限界装置分别是弹性的带装置，所述带装置使对应的对置的端部边缘区域机械连接并且由此处于相互作用中。这能够实现具有多个相对置的振动梁的声换能器的偏转限界装置的简单制造。
根据另一优选扩展方案，设置一个或多个振动梁，其中，偏转限界装置分别是弹性的带装置，所述带装置使相应的端部边缘区域与空腔边缘区域机械连接并且由此处于相互作用中。这能够实现具有多个单独的振动梁的声换能器的偏转限界装置的简单制造。
根据另一优选扩展方案，设置一对或多对相对置的振动梁，其中，偏转限界装置分别是在对置的端部边缘区域上的钩状的或梳状的成形部，所述成形部使相应的对置的端部边缘区域在极限偏转中彼此止挡并且由此处于相互作用中。由此在达到极限偏转时才产生相互作用。
根据另一优选扩展方案，各个弹性的带装置构造为非线性的弹簧装置。当偏转限界装置构型为非线性的弹簧装置时，该偏转限界装置对声换能器组件在运行期间的机械行为和性能的影响最小。
根据另一优选扩展方案，各个弹性的带装置由聚合物制成。所需要的聚合物的弹性能够容易地调节。
根据另一优选扩展方案，钩状的或梳状的成形部在振动梁未偏转的状态中位于振动梁的平面中。因此，偏转限界装置不需要沿垂直方向的附加位置。
附图说明
下面参照在附图的示意性图示中说明的实施例详细阐述本发明。
附图示出：
图1a)-d)示出根据本发明的第一实施方式的微机械声换能器组件的示意性示图，更确切地说，图1a)以俯视图并且图1b)-d)以沿着图1a)中的线A-A’的垂直横截面示出在不同偏转状态中的示意性示图。
图2以俯视图示出根据本发明的第二实施方式的微机械声换能器组件的示意性示图；
图3a)-c)示出第一和第二实施方式的弹性带装置的变型方案在不同偏转状态中的示意性部分横截面示图；和
图4a)-c)示出根据本发明的第三实施方式的微机械声换能器组件的示意性示图，更确切地说，图4a)以俯视图并且图4b)-c)以沿着图4a)中的线B-B’的垂直横截面示出在不同偏转状态中的示意性示图。
具体实施方式
在图中，相同的附图标记表明相同的或者说功能相同的元件。
图1a)-d)是根据本发明的第一实施方式的微机械声换能器组件的示意性示图，更确切地说，图1a)以俯视图并且图1b)-d)以沿着图1a)中的线A-A’的垂直横截面示出在不同偏转状态中的示意性示图。
在图1a)-d)中，附图标记S表明衬底，该衬底具有正面V和背面R和带有空腔边缘区域KR的空腔K。
在衬底S的正面V上弹性地悬挂有第一至第六压电振动梁Z1-Z6，这些压电振动梁在空腔K上延伸。振动梁Z1-Z6成对地相对置地布置，其中，这些对通过振动梁Z1和Z2、Z3和Z4以及Z5和Z6形成。朝着空腔边缘KR并且在各个端部边缘区域ST1-ST6处设有间隙SP，该间隙负责振动梁Z1-Z6的弹性可偏转性。
在成对的对置的端部边缘区域ST1和ST2、ST3和ST4、ST5和ST6之间设有偏转限界装置E1-E3，所述偏转限界装置这样构型，使得所述偏转限界装置使对置的端部边缘区域ST1和ST2、ST3和ST4、ST5和ST6处于相互作用中，以便将成对的振动梁Z1和Z2、Z3和Z4、Z5和Z6的偏转限制在上和下极限偏转h1内。所述上和下极限偏转h1可以、但不必是对称的，并且只需要这样来操控，使得能够实现声换能器组件的所期望的声谱。
在第一实施方式中，偏转限界装置E1-E3分别是弹性的带装置，所述带装置例如通过沉积和结构化工艺制造，并且使对置的端部边缘区域ST1和ST2、ST3和ST4、ST5和ST6机械连接并由此处于相互作用中。
弹性带装置E1-E3优选通过聚合物实现。
图1b)示出声换能器的振动梁Z5、Z6未偏转的位置。
图1c)示出声换能器的振动梁Z5、Z6在一位置中的上极限偏转，在该位置弹性的带装置E1-E3还没有或者几乎没有影响偏转行为。弹性的带装置E1-E3持续地拉伸并且优选不产生附加的复位力。上极限偏转h1限定声换能器组件、例如麦克风组件的运行区域。因此，要感测的最大声压水平应位于该运行区域内部。
图1d)示出存在过高的声压或者外部震动的情况。借助于弹性带装置E1-E3避免振动梁Z5、Z6超过上极限偏转h1进一步偏转。在弹性带装置E1-E3具有确定应力的情况下产生复位力，该复位力防止进一步偏转。这在图1d)中可通过振动梁Z5、Z6的曲线拐点看出。
图2以俯视图示出根据本发明的第二实施方式的微机械声换能器组件的示意性示图。
在根据图2的第二实施方式中，第一至第四振动梁Z1’-Z4’悬挂在正面V上，这些振动梁在空腔K上延伸并且具有对应的端部边缘区域ST1’-ST4’。振动梁Z1’-Z4’又通过间隙SP与空腔边缘KR和相邻的振动梁间隔开，以便保证弹性可偏转性。
在该第二实施方式中，在各个端部边缘区域ST1’-ST4’和空腔边缘区域KR之间设有相应的弹性带装置E1’-E4’，以便将各个振动梁Z1’-Z4’的偏转限制在极限偏转内。
在第二实施方式中的呈弹性带装置形式的偏转限界装置类似于第一实施方式地构造。
功能同样与参照图1b)-1d)已述的功能类似。
图3a)-c)是第一和第二实施方式的弹性带装置的变型方案在不同偏转状态中的示意性部分横截面示图。
图3a)-3c)示出偏转限界装置E的可能构型，该偏转限界装置能够在第一和第二实施方式中使用。弹性的带装置E在这里构造为非线性的波状弹簧装置。图3a)示出未偏转的状态，图3b)示出直至极限偏转的偏转状态，并且图3c)示出存在不期望的震动或过高的声压水平的情况。在后一种情况中，通过非线性行为防止进一步偏转，其中，所述构型优选是这样的，使得弹簧装置的复位力尽可能突然地产生。
图4a)-c)示出根据本发明的第三实施方式的微机械声换能器组件的示意性示图，而图4a)以俯视图并且图4b)-c)以沿着图4a)中的线B-B’的垂直横截面示出在不同偏转状态中的示意性示图。
在第三实施方式中，成对的两个振动梁Z1”、Z2”相对置地弹性悬挂在正面V上，这些振动梁在空腔K上延伸。在第三实施方式中，对应的钩状的成形部H1、H2作为偏转限界装置H1、H2布置在对置的端部边缘区域ST1”、ST2”上，所述成形部使对置的端部边缘区域ST1”、ST2”在极限偏转h1’中被止挡并且由此处于相互作用中。
如由图4b)可看出的那样，钩状的成形部H1、H2在振动梁Z1、Z2”未偏转的状态中位于振动梁Z1”、Z2”的平面中并且彼此嵌合地布置。
如在图4c)中示出的那样，相对置的成形部H1、H2在上或下极限偏转中才相互卡住并且由此突变地限界所述上或下极限偏转H1’。
该第三实施方式具有以下优点：钩状的成形部H1、H2可以与振动梁Z1”、Z2”在同一制造过程中并且由相同的材料制造，例如由硅或多晶硅或压电材料、例如AlN或PZT或典型地作为电极(Mo、Pt、W)使用的金属。因此，相比于上面所阐述的第一和第二实施方式，第三实施方式在其制造方面还更简单地构型。
在第三实施方式中，在达到上或下极限偏转H1’之前，在两个振动梁Z1”、Z2”之间完全不存在相互作用。
虽然在前面参照优选实施例完整地描述了本发明，但本发明不局限于此，而是能够以多种方式修改。
所提到的几何结构和材料尤其也只是示例性的并且可以根据应用任意地改变。
虽然在上面所述的实施方式中彼此嵌合的钩状成形部被描述为偏转限界装置，但也可以使用梳状成形部。

Claims (8)

1.微机械声换能器组件，具有：
衬底(S)，该衬底具有正面(V)和背面(R)和带有空腔边缘区域(KR)的空腔(K)；
在所述正面(V)上弹性悬挂的至少一个压电的振动梁(Z1-Z6；Z1’-Z4’；Z1”、Z2”)，所述振动梁在所述空腔(K)上延伸；和
偏转限界装置(E1-E3；E1’-E4’；E；H1、H2)，所述偏转限界装置设置在所述振动梁(Z1-Z6；Z1’-Z4’；Z1”、Z2”)中的每个振动梁的端部边缘区域(ST1-ST6；ST1’-ST4’；ST1”、ST2”)上并且如此构型，使得所述偏转限界装置使相应的所述端部边缘区域(ST1-ST6；ST1’-ST4’；ST1”、ST2”)与所述空腔边缘区域(KR)或者另一振动梁(Z1-Z6；Z1’-Z4’；Z1”、Z2”)的对置的端部边缘区域(ST1-ST6；ST1’-ST4”；ST1”、ST2”)处于相互作用中，以便将相应的所述振动梁(Z1-Z6；Z1’-Z4’；Z1”、Z2”)的偏转限制在极限偏转内。
2.根据权利要求1所述的微机械声换能器组件，其中，设置一对或多对相对置的振动梁(Z1、Z2；Z3、Z4；Z5、Z6)，并且其中，所述偏转限界装置(E1-E3；E)分别是弹性的带装置(E1-E3；E)，所述带装置使相应的相对置的所述端部边缘区域(ST1、ST2；ST3、ST4；ST5、ST6)机械连接并且由此处于相互作用中。
3.根据权利要求1所述的微机械声换能器组件，其中，设置一个或多个振动梁(Z1’-Z4’)，并且其中，所述偏转限界装置(E1-E3；E)分别是弹性的带装置(E1-E3；E)，所述带装置使相应的所述端部边缘区域(ST1’-ST4’)与所述空腔边缘区域(KR)机械连接并且由此处于相互作用中。
4.根据权利要求1、2或3所述的微机械声换能器组件，其中，设置一对或多对相对置的振动梁(Z1”、Z2”)，并且其中，所述偏转限界装置(H1、H2)分别是在对置的端部边缘区域(ST1”、ST2”)上的钩状的或梳状的成形部(H1、H2)，所述成形部使相应的对置的端部边缘区域(ST1”、ST2”)在极限偏转中彼此止挡并且由此处于相互作用中。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的微机械声换能器组件，其中，各个弹性的带装置(E)构造为非线性的弹簧装置。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的微机械声换能器组件，其中，各个弹性的带装置(E)由聚合物和/或AlN和/或金属制成。
7.根据权利要求4所述的微机械声换能器组件，其中，所述钩状的或梳状的成形部(H1、H2)在所述振动梁(Z1”、Z2”)未偏转的状态中位于所述振动梁(Z1”、Z2”)的平面中。
8.用于微机械声换能器组件的制造方法，所述制造方法具有以下步骤：
提供衬底(S)，该衬底具有正面(V)和背面(R)和带有空腔边缘区域(KR)的空腔(K)；
构造在所述正面(V)上弹性悬挂的至少一个压电的振动梁(Z1-Z6；Z1’-Z4’；Z1”、Z2”)，所述振动梁在所述空腔(K)上延伸，并且
构造偏转限界装置(E1-E3；E1’-E4’；E；H1、H2)，所述偏转限界装置设置在所述振动梁(Z1-Z6；Z1’-Z4’；Z1”、Z2”)中的每个振动梁的端部边缘区域(ST1-ST6；ST1’-ST4’；ST1”、ST2”)上并且如此构型，使得所述偏转限界装置使相应的所述端部边缘区域(ST1-ST6；ST1’-ST4’；ST1”、ST2”)与所述空腔边缘区域(KR)或者另一振动梁(Z1-Z6；Z1’-Z4’；Z1”、Z2”)的对置的端部边缘区域(ST1-ST6；ST1’-ST4”；ST1”、ST2”)处于相互作用中，以便将相应的所述振动梁(Z1-Z6；Z1’-Z4’；Z1”、Z2”)的偏转限制在极限偏转内。
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