CN111264066A - 声学转换器和相关的制造及封装技术 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种声学转换器(acoustic transducer)，其包括具有顶表面和底表面的第一柔性结构。转换器连接到所述第一柔性结构的所述顶表面，其中当向所述转换器施加输入电信号时所述转换器引起所述第一柔性结构的变形。第二柔性结构具有凸起的顶表面和凹入的底表面。所述第二柔性结构的所述凸起的顶表面与所述第一柔性结构的所述底表面接触。所述第一柔性结构的变形引起所述第二柔性结构的变形。

Description

声学转换器和相关的制造及封装技术
相关专利申请的交叉援引
本申请要求了2019年9月4日提交的美国申请16/560,510的优先权，该美国申请主张了2018年9月4日提交的美国临时申请62/726,786的权益，该二者的全文内容通过引用以其整体结合到本说明书中。
技术领域
本发明大体上有关于一种用于声学转换器(acoustic transducer)的设计、制造和封装技术。特别地，本发明关于微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)声音发射器，其构造来推动制造高质量声音的一定量的空气。
背景技术
本说明书中提供的背景描述是为了大致呈现本发明的内容的目的。于此给出名字的发明人的工作，至所述工作在此背景部分所描述的程度，及本说明书的不构成在提交申请时的现有技术的各方面，都既没有明确也没有暗示地被承认是本发明的现在技术。
自从半导体技术伊始，即迅速地发生着各装置的最小化，而其中手持通讯装置是领跑者。当前半导体技术允许使用表面安装组件封装技术(surface mount assemblypackaging technology)。各种电子元件因而可通过自动装配工艺进行大规模组装。然而，在这些装置中仍会有相对较大的电子元件需要人工装配。这些人工装配的元件通常是采用传统技术制造的，而不是半导体技术。在这些元件中包括声学转换器，例如，扬声器或麦克风。
发明内容
移动通讯装置的一个关键价值在于其声音的质量。声音的质量受两个因素控制，用于“听(listening)”的声学转换器和用于“发射(transmitting)”的声学转换器。听声学转换器通常被称为麦克风，而发射声学转换器通常被称为扬声器。具体地，扬声器元件还是采用传统技术来制造的，故而在自动装配中会有固有的限制。这样人工装配的扬声器的可靠性会由于人为失误而打折扣。到目前为止，申请人并没有发现有商业化的半导体扬声器产品或微机电系统(MEMS)扬声器。
本说明书中提供半导体扬声器和/或微机电系统扬声器的设计、制造和封装技术，这里的半导体扬声器和/或微机电系统扬声器提供高质量的声音并且能以标准的半导体制造工艺进行制造。
迄今，本申请人并没有了解到任何商业化的半导体扬声器或微机电系统(MEMS)扬声器。扬声器的操作要求移动一定量的空气。能移动大量空气的能力会导致更高的声音质量。本说明书中的各实施例提供半导体扬声器和/或微机电系统扬声器的设计、制造和封装技术，这里的半导体扬声器和/或微机电系统扬声器提供高质量的声音并且能以标准的半导体制造工艺进行制造。
本发明的各方面提供一种声学转换器。所述声学转换器可用作扬声器。在一个实施例中，所述声学转换器包括连接到机电转换器的第一柔性结构和邻近所述第一柔性结构设置的第二柔性结构。所述第二柔性结构具有凸起的顶表面和凹入的底表面，所述第二柔性结构的所述凸起的顶表面与所述第一柔性结构的底表面接触。
所述第二柔性结构形成曲度(curvature)。在一个实施例中，所述曲度朝向所述第一柔性结构弯曲以形成所述第一柔性结构和所述第二柔性结构之间的连接的或非连接的接触(binding or non-binding contact)。当施加输入电信号时所述机电转换器会振动。所述机电转换器通过所述第一柔性结构将所述振动转移到所述第二柔性结构。
在一个实施例中，所述声学转换器可以包括锚接所述第一柔性结构的第一基板和锚接所述第二柔性结构的第二基板。所述第一基板连接到(bonded to)所述第二基板。
在各种示例中，所述第一柔性结构可以是全夹紧膜片(fully clampeddiaphragm)、部分夹紧膜片、或包括横梁/臂(beam)或悬臂梁(cantilever beam)的结构。
在一个实施例中，所述第二柔性结构包括多个层，例如，第一层和第二层。每一层可具有相应的热膨胀系数，两层或多层的所述热膨胀系数彼此不相同。所述第二柔性结构的所述多个层连接在一起。在一个示例中，所述第二柔性结构形成具有单凸起表面的曲度。在另一个示例中，所述第二柔性结构形成具有多个凸起表面的曲度，例如，波浪形或蛇形。
本说明书中公开的各实施例包括多种优势。在一个实施例中，所述第二柔性结构是弯曲的膜片/隔膜。所述弯曲的膜片允许扬声器最小化，并由于所述弯曲的膜片推动了足够量的空气来产生所述期望的质量声音而能获得高敏感度。
在一个实施例中，所述第一柔性结构和所述第二柔性结构之间的接触是非连接的。不将所述两个结构连接在一起避免了引入压力，并且能使得扬声器在温度变化情况下保持稳定的性能。所述结构和制造工艺基于现已成熟的半导体制造技术，并且因此本发明中的所述扬声器可以在半导体日圆制造工厂进行大批量生产。另外，对于不同的应用场景，所述扬声器可以相似的结构或制造工艺进行降级或升级(scaled down or up)以满足不同的敏感度要求。
在一个实施例中，所述声学转换器包括机电转换器。所述机电转换器将所述电信号转换为机械振动，其可制造可听见的声音(audible sounds)。所述机电转换器包括压电材料，例如，氮化铝(aluminum nitride)、石英、陶瓷，等。所述机电转换器进一步包括电性接触，例如，电极、电线、或类似的，其中电信号可以通过所述电性接触施加到所述压电材料。在一个实施例中，所述电性接触可包括铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)，等。所述电信号可代表从电性形式转换为产生可听见的声音的机械振动形式的所述期望的声道(soundtrack)。
为了随后本发明的详细描述能被更好地理解，前述已经基本给出了本发明的各项特征和技术优点。本发明的额外的特征和优点将在形成本发明的权利要求的主题的下文进行描述。本领域熟知技艺人士应理解本说明书中所披露的概念和具体的实施例可被容易地用作修改或设置用于执行本发明的相关目的的其它结构的基础。本领域熟知技艺人士应理解这样的等同构造与在权利要求书中主张的本发明的精神和范围一致。被认为是本发明的特征的新颖特征，皆关于其组织和运行方法，与进一步的目的和优点一起当与各图示联系起来考虑时将从随后的描述中能被更好地理解。然而，更要明确理解的是，每一图示仅是出于阐述和描绘的目的被提供的，并且不应作为本发明的限制的界定。
附图说明
为了更充分地理解本发明系统和方法，现请参考与随附各图示相关联的以下描述。
图1A是根据本发明一个实施例的具有平膜片的示例声学转换器的示意图。
图1B是根据本发明一个实施例的具有折叠膜片的示例声学转换器的示意图。
图1C是根据本发明一个实施例的具有弯曲膜片的示例声学转换器的示意图。
图2A是根据本发明某些实施例的处于静止模式的声学转换器的截面示意图。
图2B是根据本发明某些实施例的处于变形模式的声学转换器的截面示意图。
图3是根据本发明一个实施例的声学转换器的示例性第一柔性结构的示意图。
图4A是根据本发明各实施例的处于升高的温度(高于室温)下的所述声学转换器的示例性第二柔性结构的示意图。
图4B是根据本发明各实施例的处于室温下的所述声学转换器的示例性第二柔性结构的示意图。
图5是根据本发明一个实施例阐述所述第一柔性结构和所述第二柔性结构如何彼此相互作用的示意图。
图6A是根据本发明一个实施例的流程图，显示用于制造声学转换器的示例制造工艺的部分。
图6B是根据本发明一个实施例的流程图，显示用于制造声学转换器的示例制造工艺的部分。
图6C是根据本发明一个实施例通过图6A-6B所示的制造流程制造的声学转换器的侧视图。
图7是使用根据本发明一个实施例的所述制造工艺的部分来制造的声学转换器的侧视图。
图8A是根据本发明一些实施例的形成单弧的膜片的侧截面示意图。
图8B是根据本发明一些实施例的形成多弧的膜片的侧截面示意图。
图9是显示根据本发明支撑压电材料的第一柔性结构的各种实施例的俯视示意图。
图10是根据本发明的一些实施例显示压电材料如何能被设置在具有中心垫的对角悬臂、具有中心垫的十字悬臂、十字悬臂、和全夹紧膜片上的示意图。
图11是显示根据本发明一个实施例的具有自组装单层膜(self-assembledmonolayers，SAM)镀层的示例声学转换器。
图12是显示根据本发明一个实施例的封装好的扬声器组件的侧视图。
具体实施方式
为了更完整地理解本发明系统及方法，现请结合所附各图示一同参考下述描述。本发明作为示例的各个实施例将参考这些图示进行详细描述，其中相似标号表示相似元件。
图1A显示了根据本发明一个实施例具有平膜片112的示例声学转换器110。所述平膜片112可以锚定在基板114中。平膜片112可以连接到机电转换器，例如压电转换器，当向其施加电信号时所述机电转换器振动。当所述平膜片112振动时，如在图1A所显示的它会推开空气。
图1B显示了根据本发明一个实施例具有折叠膜片122的示例声学转换器120。所述折叠膜片122可以锚定在基板124。所述折叠膜片122具有更低的转折点(turning point)126和更高的转折点128。在一个实施例中，介于基板124和所述更低的转折点126之间的所述膜片122的所述部分是平的或相对平的。介于所述更低的转折点126和所述更高的转折点128之间的所述膜片122的所述部分从侧视图中来看是上升的。位于两个更高转折点128之间的所述部分是平的或相对平的。所述折叠膜片122可以连接到压电转换器，当电信号施加到所述转换器时所述压电转换器振动。当所述折叠膜片122振动时，如图1B所显示的它会推开空气。
图1C显示了根据本发明一个实施例的具有弯曲膜片132的示例声学转换器130。所述弯曲膜片132可以锚定在基板134中。所述弯曲膜片132包括凸起的顶表面和凹入的底表面。所述凸起的顶表面具有向上指向的顶峰。所述弯曲膜片132可以连接到压电转换器，当电信号施加到所述转换器时所述压电转换器振动。当所述弯曲膜片132振动时，如图1C所显示的它会推开空气。
图2A是根据本发明某些实施例的处于静止模式的声学转换器200的截面示意图。在一个实施例中，所述声学转换器200可以是MEMS扬声器。所述声学转换器200包括第一柔性结构202。所述第一柔性结构202包括顶表面和底表面。压电材料216连接到所述第一柔性结构202的所述顶表面。所述第一柔性结构202的所述底表面与第二柔性结构206的顶表面接触。在一些实施例中，图1A中的所述膜片112、图1B中的所述膜片122和/或图1C中的所述膜片132可以是所述第二柔性结构206。
当电信号210施加到所述压电材料216时，压电材料216产生垂直振动214。所述压电材料216电性地接触电性接触212，例如电极，以接收所述输入电信号210。在一个实施例中，所述电性接触212可包括铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)，等。
在一个实施例中，所述输入电信号210代表由所述声学转换器200转换为声波的声道(sound track)。
在一个实施例中，所述声学转换器200包括机电转换器。参阅图3中的机电转换器315。所述机电转换器包括所述压电材料216，例如氮化铝、石英、陶瓷，等。所述机电转换器还包括电性接触212，例如电极、电线、或类似的，其中电信号210通过所述电性接触212施加到所述压电材料216。所述电信号210可代表将从电信号形式转换为机械振动形式从而产生声音的所述声道。
所述第一柔性结构202可以是一个或更多的横梁/臂、一个或更多的悬臂梁、一个或更多的薄膜、以及一个或更多的膜片(diaphragms，隔膜)。在一个实施例中，所述第一柔性结构202锚定和/或安装在基板204中。所述基板204可以是任何合适的半导体基板，例如硅、氧化硅(silicon oxide)，等。
所述第二柔性结构206具有凸起的顶表面220和凹入的底表面222。所述凸起的顶表面220与所述第一柔性结构202的所述底表面接触。所述第一柔性结构202和所述第二柔性结构206之间的接触可以是连接的(bonded)或不连接的(not bonded)。
在一个实施例中，所述第一柔性结构202和所述第二柔性结构206之间的接触是不连接的。不连接的接触允许所述第一柔性结构202和所述第二柔性结构206产生相对运动，此将减少在振动过程中可能损害所述结构的机械压力。在另一个实施例中，所述第一柔性结构202和所述第二柔性结构206之间的所述接触是连接的。连接的接触允许振动从所述第一柔性结构202向所述第二柔性结构206的更为敏感的传递。
如在图2A中所显示的，所述第二柔性结构206包括两个不同的层，所述第一层221和所述第二层223。在一个实施例中，所述第一层221和所述第二层223可被连接一起。在另一实施例中，所述第一层221和所述第二层223彼此相互接触，但不连接。
所述第一层221可以由第一材料制成。所述第二层223可由第二材料制成。所述第一材料和所述第二材料具有不同的热膨胀系数。在制造所述弯曲的第二柔性结构206的制程/工艺中，所述第一层221在高于室温的温度下沉积在所述第二层223的顶上。当所述温度冷却降低至所述室温时，所述第一层221和所述第二层223自然地弯曲，形成曲度。所述第二柔性结构206的所述自然弯曲发生在冷却时。所述第二柔性结构206的所述自然弯曲之所以会发生是因为在冷却时所述不同的热膨胀系数的不同收缩率引发弯曲所述第二柔性结构206的机械压力。在一个实施例中，所述第二柔性结构206的曲度形成单弧。也请参阅图8A。在另一实施例中，具有不同热膨胀系数的不同材料可以沉积为各种图案，以使得所述第二柔性结构206的所述曲度形成多弧。也请参阅图8B。
所述第二柔性结构206可以是一个或更多的横梁/臂、一个或更多的悬臂梁、一个或更多的薄膜、以及一个或更多的隔膜/膜片。
图2B是根据本发明某些实施例的处于变形模式的声学转换器200的截面示意图。当所述压电材料216通过所述电性接触212接收电信号210时，所述压电材料216振动引起垂直振荡214。所述垂直振荡214引起所述第一柔性结构202的变形。所述第一柔性结构202的变形进一步引起所述第二柔性结构206的变形。当所述第二柔性结构206发生变形时，在所述底部凹入表面222所在侧的空气被推离开所述第二柔性结构206。
由所述压电材料216产生的振动通过所述第一柔性结构202被传递给所述第二柔性结构206。这也意味着由所述压电材料216产生的所述振动的机械能被转移给所述第一柔性结构202，并被转移给所述第二柔性结构206。
图3显示了根据本发明一个实施例的声学转换器300的示例第一柔性结构302。所述声学转换器300包括第一柔性结构302。所述第一柔性结构302包括顶表面322和底表面324。所述第一柔性结构302可以是横梁/臂、悬臂梁、薄膜、和/或隔膜(膜片)。
机电转换器315连接到所述第一柔性结构302的所述顶表面322。所述机电转换器315包括所述压电材料和所述电性接触312。在一个实施例中，所述第一柔性结构302的所述底表面324可以与第二柔性结构接触。在一个实施例中，所述电性接触312可包括铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)，等。
当输入电信号310通过所述电性接触312施加到所述压电材料316时，所述机电转换器315的所述压电材料316产生垂直振动314。所述机电转换器315包括电性接触312，例如电极，来接收所述输入电信号310。所述压电材料316将所述电信号转换为机械振动，机械振动于是产生声波。在一个实施例中，所述输入电信号310代表将由所述声学转换器300从电信号转换为声波的声道。所述第一柔性结构302可以是一个或更多的横梁/臂、一个或更多的悬臂梁、一个或更多的薄膜、以及一个或更多的隔膜/膜片。在一个实施例中，所述第一柔性结构302锚定和/或安装在所述基板304中。所述基板304可以是任意合适的半导体基板，例如硅、氧化硅，等。
图4A显示了根据本发明各实施例的处于升高的温度(高于室温)下的声学转换器的第二柔性结构400的各示例。如图4A中所示，所述第二柔性结构400包括第一材料402和第二材料404。所述第一材料402具有第一热膨胀系数(TEC-1)403。所述第二材料404具有第二热膨胀系数(TEC-2)405。所述TEC-1 403不同于所述TEC-2 405。
所述第一材料402形成所述声学转换器的所述第二柔性结构400的第一层408。所述第一层408具有顶表面406和底表面410。所述第二柔性结构404形成所述声学转换器的所述第二柔性结构400的第二层414。所述第二层414具有顶表面412和底表面416。
在一个实施例中，在半导体制造过程中，所述声学转换器加热到高于室温的升高的温度。所述第一材料402和所述第二材料404在所述升高的温度下沉积作为所述声学转换器的部分。在所述升高的温度下，所述第一层408和所述第二层414保持直的，如图4A侧视图所示。所述声学转换器的所述第二柔性结构400当温度冷却到室温时自然弯曲，如图4B所示，因为所述第一材料402的TEC-1 403不同于所述第二材料404的TEC-2 405。
图4B显示了根据本发明各实施例的处于室温下的声学转换器的第二柔性结构400的各示例。为本发明的目的，热膨胀系数(TEC)在数值上更大意味着当加热时线性膨胀率更大、或者当材料冷却时收缩率更大。反之亦然，TEC在数值上更小意味着当加热时线性膨胀率更小、或当材料冷却时收缩率更小。
图4B显示了根据本发明各实施例声学转换器的第二柔性结构400，其具有凸起的顶表面406和凹入的底表面416。由所述声学转换器的所述第二柔性结构400形成的弧的顶峰指向顶部方向(向上)。图4B还显示了所述声学转换器的不同的第二柔性结构400’，其具有凹入的顶表面406’和凸起的底表面416’。由所述声学转换器400’的所述第二柔性结构形成的弧的顶峰指向底部方向(向下)。
所述声学转换器400的所述第二柔性结构形成具有凸起的顶表面406和凹入的底表面416的弧。所述凸起的顶表面406是所述第一层408的顶部表面。所述第一层408具有底表面410。所述凹入的底表面416是所述第二层414的底部表面。所述第二层414具有顶表面412。所述第一层408的所述底表面410与所述第二层414的所述顶表面412接触。所述接触可以是连接的或不连接的。
所述声学转换器400’的所述第二柔性结构形成具有凹入的顶表面406’和凸起的底表面416’的弧。所述凹入的顶表面406’是所述第一层408’的顶部表面。所述第一层408’具有底表面410’。所述凸起的底表面416’是所述第二层414’的底部表面。所述第二层414’具有顶表面412’。所述第一层408’的所述底表面410’与所述第二层414’的所述顶表面412’相接触。所述接触可以是连接的或不连接的。
在所述声学转换器400的所述第二柔性结构中，所述第一材料402的所述TEC-1小于所述第二材料404的所述TEC-2。当所述声学转换器从升高的温度冷却时，所述第二材料404比所述第一材料402收缩得更多，形成向上拱起的弧。
在所述声学转换器400’的所述第二柔性结构中，所述第一材料402’的所述TEC-1大于所述第二材料404’的所述TEC-2。当所述声学转换器从升高的温度冷却时，所述第二材料404’比所述第一材料402’收缩得更少，形成向下凹入的弧。
图5显示了根据本发明一个实施例所述第一柔性结构和所述第二柔性结构如何彼此相互作用的示例。所述第一柔性结构202包括顶表面201和底表面203。所述第二柔性结构206包括凸起的顶表面220和凹入的底表面222。
接触250形成在所述第一柔性结构202的所述底表面203和所述第二柔性结构206的所述凸起的顶表面220之间。所述接触250可以是连接或不连接的。
在一个实施例中，所述接触250是不连接的。不连接的接触允许所述第一柔性结构202和所述第二柔性结构206有相对运动，这将降低在振动过程中可能损害所述装置200的所述结构的机械压力(mechanical stress)。在另一个实施例中，所述第一柔性结构202和所述第二柔性结构206之间的所述接触250是连接的。连接的接触允许从所述第一柔性结构202到所述第二柔性结构206的振动的更敏感的传递。
图6A-6B显示了根据本发明一个实施例用于制造声学转换器650的示例制造工艺/流程600。图6C显示了根据本发明一个实施例通过图6A-6B所示的制造流程600制造的声学转换器650。应注意，制造流程600仅是用于制造声学转换器650的一个示例。在不同的实例中，可使用各种制造工艺/流程来获得具有与图6C所显示的相似结构的声学转换器。在一些实例中，对应于图6A-6B的工艺流程，可采用不同的材料和/或工艺技术来制造具有与如图6C所示的相似结构的扬声器。在一些其它的实例中，所述采用的制造流程可包括不同于图6A-6B的例子的行动/步骤，或者可包括图6A-6B中的动作/步骤但以不同顺序执行。
所述制造流程600包括601在所述第一基板上沉积第一层和在所述第一层顶部沉积第二层。所述第一基板可以是任意合适的半导体基板，例如硅(Si)、锗(Ge)、或类似的。所述第一基板可以掺杂任意合适的原子，例如磷(P)、砷(As)、硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、或类似的。
如图6A所示的，所述第一层可以是绝缘层(dielectric layer)，例如氧化硅(SiO2)层。所述第二层可以是任意合适的半导体材料，例如硅(Si)、锗(Ge)、或类似的。所述第二层可以掺杂任意合适的原子，例如磷(P)、砷(As)、硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、或类似的。
制造流程600包括602在所述第二层的顶部上沉积第三层。所述第三层可以是绝缘层，例如氧化硅(SiO2)层。在一个实施例中，所述第二层和所述第三层可以是如图2A所示的所述第二柔性结构206。
所述制造流程600包括604在所述第二基板上蚀刻第一空腔。所述第二基板可以是任何合适的半导体基板，例如硅(Si)、锗(Ge)、或者类似的。所述第二基板可以掺杂任意合适的原子，例如磷(P)、砷(As)、硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、或类似的。
所述制造流程600包括606连接所述流程中的第一基板和所述第二基板，以使得所述第一空腔由所述第二基板和所述第三层围绕或界定。所述第一空腔具有部分地由所述第二基板和部分地由所述第三层界定的边界。
所述制造流程600包括608研磨所述第二基板以将在所述第一空腔上方的部分制成薄层。在一个实施例中，这个在所述第一空腔上方的薄层可以是图2A所示的所述第一柔性结构202。
所述制造流程600包括610(在图6B继续)在所述第二基板的顶部上沉积薄的绝缘层，例如氧化硅(SiO2)层。
所述制造流程600包括612沉积金属层。在步骤612，所述金属层覆盖在所述空腔部分上方。在一个实施例中，在步骤612的这个金属层是机电转换器的一个电性接触。在一个实施例中，所述金属层可以是铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)，等。
所述制造流程600包括614在所述金属层612顶部上沉积压电材料。在步骤614，所述压电材料沉积在所述腔室上方。在一个实施例中，所述压电材料是将所述电信号转换为机械振动的材料。
所述制造流程600包括616沉积部分覆盖所述压电材料的顶表面的绝缘层。在步骤616，所述绝缘层没有覆盖所述压电材料的整个所述顶表面。所述绝缘层在所述压电材料的所述顶表面上方留了空隙。如果沉积另一金属层的话，这个空隙允许与所述压电材料的电性接触的形成。
所述制造流程600包括618沉积金属层，部分沉积在所述绝缘层616顶上并且部分沉积在所述压电材料614的顶上。在步骤618，这个金属层填充在所述绝缘层616在所述压电材料614上方的所述空隙里，形成与所述压电材料的第二电接触。在一个实施例中，所述金属层可以是铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)，等。
所述制造流程600包括620蚀刻所述第一基板以创建第二空腔。在步骤620创建的所述第二空腔位于步骤604和606的所述第一空腔的下方。
所述制造流程600包括622在所述第一空腔下方蚀刻掉所述第一层601。所述第一层的所蚀刻掉的部分成为所述第二空腔的部分。在步骤622，所述制造流程600还包括从升高的温度到室温冷却所述声学转换器。因为所述第二层和所述第三层各具有不同的热膨胀系数，所述第二层和所述第三层位于所述第一空腔和所述第二空腔之间自然地弯曲形成曲度(curvature)。如图6B的步骤622所示，设于所述第一和第二空腔内-之间的所述第二层和所述第三层可以是如图2A所示的所述第二柔性结构206。
在所述制造流程600中，在步骤622蚀刻位于所述第一基板的所述第二空腔内的所述第一层(氧化硅)之后，由所述第二和第三层形成的所述膜片由于被所述第二和第三层之间的热膨胀系数不匹配而引起的压力向上拱起。所述膜片(层2和层3)向上拱起并推动所述第二基板的所述薄膜部分，形成非连接的接触。因而，如图6A-6B所示，存在在所述膜片(例如所述第二柔性结构206)和所述第二基板的所述薄膜部分(例如所述第一柔性结构206)之间的非永久性连接，其中它们自然地彼此接触。这个非连接的接触减少由振动引起的潜在的机械压力。相反地，当所述膜片和所述第二基板彼此连接时，可能诱导机械压力引起所述扬声器性能的降级。
然而，在替换性的示例中，当所述膜片(位于所述第一和第二空腔之间的第二和第三层)和所述第二基板接触时，所述膜片和所述第二基板可以通过生成氧化硅薄层来永久地连接。例如，步骤/行动610、612、614、616、618可在步骤620和622后面执行，由此形成所述膜片(位于所述第一和第二空腔之间的第二和第三层)和所述第二基板之间的接触。在步骤/行动601、602、604、606、608、620、622后制造的装置如图7中所示。
图6C显示了由所述制造流程600制造的最终声学转换器650。所述转换器650从底部到顶部方向包括：第一基板652、第一层654、第二层656、第三层658、第二基板660、第四层662、第五层664、第六层668、第七层670、第八层672。
所述第一基板652可以是任意合适的掺杂或不掺杂的半导体基板。所述第一层654可以是绝缘层，例如SiO2。所述第二层656可以是任意合适的掺杂或不掺杂的半导体基板。所述第三层658可以是绝缘层，例如SiO2。所述第二基板660可以是任意合适的掺杂或不掺杂的半导体基板。所述第四层658可以是绝缘层，例如SiO2。所述第五层664可以是金属层，例如铝(Al)。所述第六层668可以是绝缘层，例如SiO2。所述第七层670可以压电材料，例如氮化铝(AlN)、水晶、石英、陶瓷、或类似的。所述第八层672可以是金属层，例如铝(Al)。
所述膜片的构造和硬度(位于所述第一和第二空腔之间的第二和第三层)可以调整以为了提高或降低在所述膜片振荡过程中的移动距离。例如，所述膜片可以成形来实现这样的调整。
图7显示了由使用了制造流程600的部分步骤/行动制造的声学转换器700，所采用的步骤的顺序是：601、602、604、606、608、620和622。如之前所讨论的，使用所述声学转换器700进一步应用步骤/行动610(用于形成第四层)、612(用于形成第五层)、614(用于形成第六层)、616(用于形成第七层)和618(用于形成第八层)，所述膜片(位于所述第一和第二空腔之间的第二和第三层)和所述第二基板之间的所述接触形成连接的接触。这样连接的接触可提供通过所述第一柔性结构从所述压电材料到所述第二柔性结构的所述机械振动的更好的传递。
图8A和8B分别显示了根据本发明一些实施例膜片800、850的两个替换性的实施例。膜片800、850可以应用为如图2A和2B所示的所述第二柔性结构206。如图8A所示，膜片800包括具有向上指向的单峰804的单弧802。所述膜片膜800包括凸起的顶表面806和凹入的底表面808。如之前在图6A和6B所示，所述单弧膜片800可包括单晶硅层(single-siliconlayer)，所述第二层656。
如图8B中所示，所述多弧膜片850包括多晶硅层(polysilicon layer)，取代单晶硅层，用于所述第二层656。一旦所述多晶硅层由于不均匀的热膨胀系数从升高的温度冷却的话，这样的多晶硅层会导致波纹膜片。如图8B所示，所述多弧膜片850从截面视图来看是多弧曲度852。所述多弧曲度852包括多个波峰854。所述多弧膜片850包括顶表面856和底表面858。在一个实施例中，所述顶表面856的至少一部分与进一步连接到压电材料216的第一柔性结构接触。由所述压电材料216产生的所述机械振动214可以被传递给所述多弧膜片850。这个多弧膜片使得所述膜片在施加更小的力的情况下移动更长的距离。这意味着使用所述多弧膜片850的所述声学转换器能将更多空气推开并产生更高质量的声音。
图9显示了从顶视图角度看本发明第一柔性结构202的各个实施例，所述第一柔性结构202支撑压电材料。如图2A和2B所示的所述第一柔性结构202可以有多种方式来形成。
在一个实施例中，所述第一柔性结构202可以是具有中心垫900的对角悬臂。900的这个结构包括彼此对角线交叉的第一臂904和第二臂906。所述结构900进一步包括设于所述第一和第二臂904、906的所述交叉部分的支撑垫908，其中所述支持垫908的所述对角平行于所述第一和第二臂904、906。在一个实施例中，所述支撑垫908支撑所述机电转换器。
在一个实施例中，所述第一柔性结构202可以是具有中心垫的十字悬臂920。所述结构920包括彼此垂直交叉的第一臂922和第二臂924。所述结构920包括设置在所述第一臂922和所述第二臂924的交叉部分的支撑垫926。在一个实施例中，所述支撑垫926支撑所述压电材料。
在一个实施例中，所述第一柔性结构202可以是十字悬臂940。所述结构940包括彼此垂直交叉的第一臂942和第二臂944。
在一个实施例中，所述第一柔性结构202可以是全夹紧膜片960。在一个实施例中，所述全夹紧膜片960的周边整个连接到一个或多个支持基板。
图10显示了根据本发明的一些实施例一个或多个机电转换器如何被设置在所述具有中心垫的对角悬臂900、具有中心垫的十字悬臂920、十字悬臂940和全夹紧膜片960上。
如图10所示，对于所述具有中心垫的对角悬臂900，第一机电转换器1002可被设置在所述支撑垫908上。第二机电转换器1004可被设置在所述第二臂906上。在另一实施例中，一个或多个机电转换器可被设置在所述支撑垫908、所述第一臂904和所述第二臂906上。
如图10所示，对于具有中心垫的所述十字悬臂920，第一机电转换器1022可设置在所述支撑垫926上。第二机电转换器1024可被设置在所述第一臂924上。在另一实施例中，一个或多个机电器可被设置在所述支撑垫926、所述第一臂922和所述第二臂924上。
如图10所示，对于所述十字悬臂940，第一机电转换器1044可设置在所述第一臂944上，靠近所述交叉部分。在另一实施例中，一个或多个机电转换器可设置在所述第一臂942和所述第二臂944上。
如图10所示，对于所述全夹紧膜片960，机电转换器1062可设置邻近所述膜片960的中心。可以有一个或多个机电转换器设置在所述膜片960上。
图11显示了根据本发明一个实施例的具有自组装单层膜(self-assembledmonolayers，SAM)镀层1116的示例声学转换器1100。所述声学转换器1100包括(从底部到顶部)：第一基板1102、第一层1104、第二层1106、第三层1108和所述第二基板1110。
从剖面图来看第一空腔1112由所述第二基板1110和所述第三层1108界定。所述第二空腔1114设置在所述第一基板1102中。所述第二空腔1114包括顶侧壁1118、左侧壁1120、和右侧壁1122。所述第二空腔1114流体连通地连接到底部侧的环境。当所述第二柔性结构1132振动时，空气从所述第二空腔1114的底部侧被推出去。
所述自组装单层(SAM)镀层1116可被施加到所述第二空腔1114的所述顶侧壁1118、所述左侧壁1120、和/或所述右侧壁1122。所述SAM镀层1116也可被施加到所述第一基板1102的底表面1124。在一个实施例中，所述SAM镀层1116是排斥水的疏水性，使得所述声学转换器1100具有防水性能。
图12显示了根据本发明一个实施例的封装好的声学转换器组件1200的侧视图。所述声学转换器组件1200包括壳体1201。所述壳体1201包括盖体1202和封装的基板1203。所述盖体1202和所述基板1203界定用于容纳所述单个驱动器1252和所述声学转换器1230的内部空腔1203。所述基板1203包括开孔1208。在一个实施例中，所述内部空腔1203通过所述开孔1208流体连通地连接到周围环境。在另一个实施例中，所述内部空腔1203被密封隔开所述周围环境，除了所述内部空腔1203与第二空腔1238重叠的部分，所述第二空腔1238流体连通地连接到周围环境。
所述驱动装置/器1252通过模具连接机构(die attachment means)1206，例如胶，固定在所述封装的基板1203上。所述声学转换器1230通过模具连接机构1206固定在所述封装的基板1203上。
所述驱动装置1252是电信号发生器，其发射代表要产生的声音的所述电信号。所述驱动装置1252通过所述电连接1254将所述电信号发射给所述声学转换器1230。
所述声学转换器1230包括机电转换器1236。所述电机转换器1236连接到所述第一柔性结构1234的顶部表面。所述第二柔性结构1232包括接触所述第一柔性结构1234的底部表面的向上的弯曲弧。当所述电信号施加到所述机电转换器1236时，所述机电器1236产生垂直振动。
所述机电转换器1236的所述垂直振动传递到所述第一柔性结构1234，然后传递给所述第二柔性结构1232。所述第二柔性结构1232的所述振动将空气从其推开。所述第二柔性结构1232的所述振动将空气从所述第二空腔1238朝向流体连通地连接到所述周围环境的底部方向推动。所述开孔1208在垂直方向与所述第二空腔1232重叠。所述第二柔性结构1232推开的所述空气可以通过所述开孔1208排出到所述周围环境。
SAM 1205镀在所述封装的基板1204的外部表面上。SAM 1209镀在所述开孔1208的内部表面上。SAM 1240镀在所述第二空腔1238的内部表面上，包括所述第二空腔1238的顶侧壁。
在一个实施例中，所述模具连接机构1206可以围绕所述第二空腔1238及所述开孔1208进行密封，以形成空气通道。所述空气通道引导所述被推出的空气从所述第二空腔1238穿过1208，而不允许声波消散(dissipate)到所述内部空腔1203中去。在这样的配置中，所述内部空腔1203被与所述第二空腔1203和所述周围环境密封隔开，除了所述内部空腔1203与所述第二空腔1238重叠的那部分，所述第二空腔1238流体连通地连接到周围环境。这将产生更好质量的声音。
所述声学转换器组件1200提供多种优点。所述第二柔性结构1232的所述弯曲膜片结构允许所述转换器(例如，MEMS扬声器)最小化，并且由于所述弯曲膜片结构推动大量的空气而获得高敏感度。与半导体工艺一起制造允许所述扬声器1230在表面安装装置(SMD)中进行组装，这将对终端用户非常有利。如在一个实施例中，用户的耳朵与所述封装的基板1204的所述外部表面接触，该外部表面底有SAM 1205。
另外，对于不同的应用场景，本说明书所公开的所述声学转换器1230可升级或降级以满足具有相似结构或制造工艺的不同敏感度要求。在一些应用中，多个扬声器1230可布置成阵列形式。所述声学转换器1230的阵列能产生更大量的声音。本说明书所公开的所述声学转换器1230可以具有防水性能的，并可使用在户外环境中。
将两膜片(所述第一柔性结构1234和所述第二柔性结构1232)进行连接(coupling)而不将这两部分粘接(bonding)在一起，避免了引入压力，并且能在各种温度变化条件下保持稳定的性能。可将多晶硅膜(polysilicon film)850用作所述第二柔性结构1232来产生以更小推力获得更长运动距离的波浪形状的膜片。
所述结构的所述制造和制造工艺是基于现有的半导体制造技术，并且因此本发明的所述扬声器在常规半导体晶圆制造工厂即可以进行量产。
本发明的各实施例包括以下方面。
方面1.声学转换器，包括：第一柔性结构，其具有顶表面和底表面；转换器，其连接到所述第一柔性结构的所述顶表面，其中当向所述转换器施加输入电信号时所述转换器引起所述第一柔性结构的变形；和第二柔性结构，其具有凸起的顶表面和凹入的底表面，所述第二柔性结构的所述凸起的顶表面与所述第一柔性结构的所述底表面接触；其中，所述第一柔性结构的变形引起所述第二柔性结构的变形。
方面2.如方面1所述的声学转换器，其中，所述第二柔性结构的所述凹入的底表面流体连通地连接到周围环境。
方面3.如方面1-2所述的声学转换器，其中，所述第二柔性结构的所述凹入的底表面在所述第二柔性结构变形过程中将空气推开。
方面4.如方面1-3所述的声学转换器，其中，所述第二柔性结构包括：第一层，所述第一层包括第一材料，所述第一材料具有第一热膨胀系数；第二层，所述第二层包括第二材料，所述第二材料具有第二热膨胀系数；其中，所述第一热膨胀系数和所述第二热膨胀系数不相同。
方面5.如方面1-4所述的声学转换器，其中，所述第一层和所述第二层直接或间接地连接到彼此。
方面6.如权利要方面求1-5所述的声学转换器，其中，所述第一柔性结构是横梁、薄膜或膜片。
方面7.如方面1-6所述的声学转换器，其中，所述第二柔性结构是横梁、薄膜或膜片。
方面8.如方面1-7所述的声学转换器，进一步包括：锚定所述第一柔性结构的第一基板；和锚定所述第二柔性结构的第二基板；其中所述第一基板直接或间接地连接到所述第二基板。
方面9.如方面1-8所述的声学转换器，其中，所述转换器由压电材料制成。
方面10.如方面1-9所述的声学转换器，其中，当接收到引起所述第一柔性结构变形的所述输入电信号时所述压电材料振动。
方面11.根据方面1-10的声学转换器，其中所述第二柔性结构的所述凸起的顶表面包括多个凸弧，并且所述第二柔性结构的所述凹入的底表面包括多个凹弧。
方面12.一种制造声学转换器的方法，包括：在第一半导体基板上沉积第一层，所述第一层包括绝缘材料；在所述第一层的顶部上沉积第二层，所述第二层包括半导体材料；在所述第二层的顶部上沉积第三层，所述第三层包括绝缘材料；从第二半导体基板蚀刻出第一空腔；并且将所述第二基板与所述第三层连接，其中执行所述连接使得所述第一空腔的边缘由所述第二基板和所述第三层界定。
方面13.如方面12所述的制造声学转换器的方法，包括研磨所述第二基板以在所述第一空腔上方沿垂直方向形成第一柔性结构。
方面14.如方面12-13所述的制造声学转换器的方法，包括在所述第二基板顶部上沉积第四层，所述第四层包括绝缘材料。
方面15.如方面12-14所述的制造声学转换器的方法，包括在所述第四层顶部上沉积第五层，所述第五层包括金属材料，所述第五层在垂直方向覆盖所述第一空腔。
方面16.如方面12-15所述的制造声学转换器的方法，包括在所述第五层顶部上沉积第六层，所述第六层包括压电材料，所述第六层沿垂直方向沉积在所述第一空腔上方。
方面17.如方面12-16所述的制造声学转换器的方法，包括在所述第六层顶部上沉积第七层，所述第七层包括压电材料，所述第七层具有开孔，所述开孔构造为至少部分地暴露至所述第六层的顶表面。
方面18.如方面12-18所述的制造声学转换器的方法，包括在所述第七层的顶部上沉积第八层，所述第八层包括金属材料，所述第八层通过所述第七层的所述开孔与所述第六层形成电性接触。
方面19.如方面12-18所述的制造声学转换器的方法，包括从第一基板蚀刻出第二空腔，其中所述第二空腔具有顶端，所述顶端与所述第一绝缘层的底表面接触，所述第二空腔流体连通地连接到周围环境。
方面20.如方面12-19所述的制造声学转换器的方法，包括蚀刻掉所述第一层的部分，其中被蚀刻的所述第一层的所述部分与所述第二空腔接触。
本发明的各方面已由本说明书中的所述具体实施例加以描述，这些具体实施例建议作为给出的例子的示例、替代选择、修改和变化。因此，本说明书中给出的实施例是描述性的并且是非限制性的。可以作出不背离权利要求书的范围的改变。
虽然本发明及其各项优点在本说明书中已经有具体描述，但应理解的是，可进行各种改变、替换和更改而不背离由权利要求书所界定的本发明的精神和范围。而且，本专利申请的范围不限于本说明书中的相关过程、机器、制造、组成成分、装置、方法和动作的特定实施例。如本领域的普通技术人员从本发明能容易理解到的，根据本说明书可以使用现已存在或未来会开发出来的能够执行与本说明书中所描述的相应实施例的实质相同的功能或获得实质相同的结果的公开、机器、制造、组合物(composition of matter)、机构、方法或行动。因此，本说明书所附的各权利要求意图包括落入其范围的这样的过程、机器、制造、组合物、机构、方法或行动。

Claims (20)

1.一种声学转换器，包括：
第一柔性结构，其具有顶表面和底表面；
转换器，其连接到所述第一柔性结构的所述顶表面，其中当向所述转换器施加输入电信号时所述转换器引起所述第一柔性结构的变形；和
第二柔性结构，其具有凸起的顶表面和凹入的底表面，所述第二柔性结构的所述凸起的顶表面与所述第一柔性结构的所述底表面接触；
其中，所述第一柔性结构的变形引起所述第二柔性结构的变形。
2.如权利要求1所述的声学转换器，其中，所述第二柔性结构的所述凹入的底表面流动连通地连接到周围环境。
3.如权利要求1所述的声学转换器，其中，所述第二柔性结构的所述凹入的底表面在所述第二柔性结构变形过程中将空气推开。
4.如权利要求1所述的声学转换器，其中，所述第二柔性结构包括：
第一层，所述第一层包括第一材料，所述第一材料具有第一热膨胀系数；
第二层，所述第二层包括第二材料，所述第二材料具有第二热膨胀系数；
其中，所述第一热膨胀系数和所述第二热膨胀系数不相同。
5.如权利要求4所述的声学转换器，其中，所述第一层和所述第二层直接或间接地连接到彼此。
6.如权利要求1所述的声学转换器，其中，所述第一柔性结构是横梁、薄膜或膜片。
7.如权利要求1所述的声学转换器，其中，所述第二柔性结构是横梁、薄膜或膜片。
8.如权利要求1所述的声学转换器，进一步包括：
锚定所述第一柔性结构的第一基板；和
锚定所述第二柔性结构的第二基板；
其中所述第一基板直接或间接地连接到所述第二基板。
9.如权利要求1所述的声学转换器，其中，所述转换器由压电材料制成。
10.如权利要求9所述的声学转换器，其中，当接收到引起所述第一柔性结构变形的所述输入电信号时所述压电材料振动。
11.如权利要求1所述的声学转换器，其中，所述第二柔性结构的所述凸起的顶表面包括多个凸弧，并且所述第二柔性结构的所述凹入的底表面包括多个凹弧。
12.一种制造声学转换器的方法，包括：
在第一半导体基板上沉积第一层，所述第一层包括绝缘材料；
在所述第一层的顶部上沉积第二层，所述第二层包括半导体材料；
在所述第二层的顶部上沉积第三层，所述第三层包括绝缘材料；
从第二半导体基板蚀刻出第一空腔；并且
将所述第二基板与所述第三层连接，其中执行所述连接使得所述第一空腔的边缘由所述第二基板和所述第三层界定。
13.如权利要求12所述的制造声学转换器的方法，包括研磨所述第二基板以在所述第一空腔上方沿垂直方向形成第一柔性结构。
14.如权利要求13所述的制造声学转换器的方法，包括在所述第二基板顶部上沉积第四层，所述第四层包括绝缘材料。
15.如权利要求14所述的制造声学转换器的方法，包括在所述第四层顶部上沉积第五层，所述第五层包括金属材料，所述第五层在垂直方向覆盖所述第一空腔。
16.如权利要求15所述的制造声学转换器的方法，包括在所述第五层顶部上沉积第六层，所述第六层包括压电材料，所述第六层沿垂直方向沉积在所述第一空腔上方。
17.如权利要求16所述的制造声学转换器的方法，包括在所述第六层顶部上沉积第七层，所述第七层包括压电材料，所述第七层具有开孔，所述开孔构造为至少部分地暴露至所述第六层的顶部表面。
18.如权利要求17所述的制造声学转换器的方法，包括在所述第七层的顶部上沉积第八层，所述第八层包括金属材料，所述第八层通过所述第七层的所述开孔与所述第六层形成电性接触。
19.如权利要求12所述的制造声学转换器的方法，包括从第一基板蚀刻出第二空腔，其中所述第二空腔具有顶端，所述顶端与所述第一绝缘层的底表面接触，所述第二空腔流体地连通到周围环境。
20.如权利要求19所述的制造声学转换器的方法，包括蚀刻掉所述第一层的部分，其中被蚀刻的所述第一层的所述部分与所述第二空腔接触。
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