CN111277935A - Mems声换能器 - Google Patents

Abstract

MEMS声换能器包括基板，形成在该基板内的膜以及施加在该膜上的弯曲致动器。该膜包括至少一个集成的永磁体并且是电动可控的。该弯曲致动器可以与膜分开进行压电控制。

Description

MEMS声换能器

技术领域

本发明的实施例涉及一种MEMS声换能器，并且涉及例如在移动设备中的耳机(例如，入耳式耳机)和自由场扬声器中应用该MEMS声换能器。其他实施例涉及一种对应的制造方法。

背景技术

声换能器用于产生可听范围内的空中声音，以与人类的听觉交互。微型扬声器的特征在于尺寸尽可能小，并且特别适用于娱乐和电信行业的便携式设备，例如智能电话、平板计算机和可穿戴设备。微型扬声器还用于医疗工程，例如用于为难以听清的人提供支持的助听器。

微型声换能器的技术挑战在于实现高声压级SPL。对于活塞式谐振器(活塞式换能器)，在自由场中在频率f下在距离r处实现的声压级为

其中A是有源表面(active surface)，

是有源表面的偏转(deflection)，ρ是空气的密度，而P_ref是参考压力(20μPa)。

在限定体积V₀内，发生所谓的压力腔效应，可以将实现的声压级计算为

其中p₀是限定体积内的压力。

因此，在自由场中以及在限定体积内(例如，对于入耳式应用)，所实现的声压级都与置换体积

成正比(在转换成对数标度之前)。因此，微型扬声器的技术挑战在于置换足够的体积量以产生高声压。当假定恒定的最大偏转时，置换的体积继而将与偏转的有源表面成正比，这受微型扬声器的外部尺寸限制。对于用于自由场应用的微型扬声器，所实现的声压级的频率依赖性具有显著效应。声压级将迅速降低至低频(每个频率减半为12dB)。在常规扬声器中，这种效应经由表面进行补偿，这对于微型扬声器而言是不可行的。因此，在自由场中，微型扬声器通常在低频下会严重降低SPL。

对微型扬声器的进一步要求直接归因于应用。例如，尽可能低的失真(总谐波失真THD)对于聆听体验至关重要。特别是在娱乐电子器件的应用中，例如经由耳机播放音乐，高保真是必不可少的。对于移动设备中的应用，高能效是必不可少的，以便确保尽可能长的电池运行时间。可替代地，可以减小电池尺寸，从而使得整个系统的进一步小型化成为可能(例如，对于可听戴设备而言)。

根据现有技术，已经有若干构思，下面将参考图1至图8进行说明。

随着常规扬声器的进一步发展，已经通过使建立的电动驱动器小型化而出现了微型扬声器。在分布最广泛的浸没式线圈布置中，线圈安装在膜的背面，其在固定永磁体的磁场中施加电流信号时，会移动，从而使膜偏转。

图1a所描绘的微型扬声器基于具有电动驱动器的设计。微型扬声器包括膜1m，该膜相对于框架1r可移动。该驱动器包括浸没线圈1s，该浸没线圈耦合到膜1m并浸入永磁体1p的磁场中。永磁体1p连接到框架1r。在图1b中，基于10mm×15mm×3.5mm的示例性尺寸示出了自由场中的传输特性(瞬态响应)。

助听器应用的一种发展是所谓的平衡电枢换能器(BA换能器)。在其上缠绕有线圈的杆1s位于环形永磁体1p的间隙内，并连接到膜1m(参见图2a)。施加到线圈上的电流信号使杆磁化，由于永磁体的磁场，杆上将有作用在其上的扭矩。旋转经由刚性连接传递到膜上。在其基本状况下，杆处于磁性吸引力不稳定均衡状态。由于这种不稳定的状态，可以以较低的耗费(驱动力、能量)实现相对大的偏转。因此，BA换能器的特征在于可以实现较高的声压级，并且由于其设计尺寸而优选地用于入耳式应用。图2b)通过示例的方式示出了在限定体积内测量的尺寸为8.6mm×4.3mm×3.0mm的BA换能器的所实现的声压级。

图3a示出了基于压电弯曲致动器1b的MEMS扬声器，该致动器使以混合方式安装的膜1m偏转[0004]、[006]。尺寸为5.4mm×3.4mm×1.6mm的扬声器模块在限定体积内在20Hz-20kHz的频率范围内实现至少106dB的声压级

(在1kHz时约为116dB)[5]。预计从2019年将入耳式应用的第一款产品推向市场。如图3b)所示，即使在自由场中辐射，也将实现显著的声压级。

这种方法的进一步发展是基于压电弯曲致动器的MEMS扬声器，其无需任何附加膜即可使用(参见图4a)。为此，致动器本身形成了声辐射膜。具有4mm×4mm的有源表面的扬声器芯片在限定房间内实现至少105dB的声压级

(如图4b中所示，在1kHz下约为110dB)[7]。

这些声换能器的特别之处在于膜1m被配置为由若干部分组成，所有的各个部分(在此为四分部)彼此分开对应的间隙1ms。在该变型中，用于膜部分的各个压电元件布置在膜本身上(参见附图标记1b)。间隙1ms的尺寸设计成可产生尽可能好的密封效果(从膜后面的区域封装膜前面的区域)。为此，将间隙选择为尽可能小，特别是相对于要发送的频率而言。

电动致动MEMS扬声器的各种概念也是已知的[8]。图5a)示出了组件的示意设计[9]。由Si弹簧悬置的硬化Si膜形成活塞式谐振器。线圈作为平面线圈直接安装在Si膜上，并在以混合方式安装的永磁体的磁场内移动膜。图5b)中描绘了在自由场中实现的SPL[10]。如图3中所示，在低频范围内，显然会超过压电致动扬声器的性能。芯片的尺寸约为直径11mm×高4mm。

由若干组[11、12、13、14、15、16]调整的一种相关方法包括将平面线圈安装到软的聚合物膜上，而不是硬Si膜上，参见图6a)。在图6b)中，示出了直径约为4mm高度为2mm的样机所实现的声压。由于该测量是在限定体积内进行的，因此不能将所实现的声压级直接与图3和图5的声压级进行比较。

然而，与压电致动的MEMS扬声器相反，电动驱动的MEMS扬声器距离商业应用还有很长的路。由于所需磁体的混合式安装，与现有技术相比在成本上没有优势。集成平面线圈匝的小横截面以及经由薄膜的不良散热限制了线圈电流，因此无法实现常规微型扬声器的声压级。通过将平面线圈放置在基板上并将磁体放置在可移动膜上，可以减少电流限制的问题。由于硅的高导热性，因此线圈内的电流密度可能会高出几个数量级。图7示出了两个已发布的图示[17、18]。在图7a的组件中，微型磁体在基板级上被集成。为此，将NdFeB粉末引入蚀刻的微型模具中，然后借助于蜡凝固[18]。然而，由于蜡结合结构的耐久性不足，因此这一发展并没有超过样机。

缺乏可以在基板级集成的具有高耐久性的高性能微型磁体，这是迄今为止电动致动的致动器尚未能够在MEMS组件中被接受的主要原因之一。电动MEMS扫描仪是一个例外，其已经在商业产品中使用。一个已知的示例是MicroVision的MEMS扫描仪，参见图8[19]，该扫描仪在Sony的Pico投影仪中被采用[20]。与MEMS扬声器不同，MEMS扫描仪中驱动所需的力相对较小。另外，与现有技术相比，具有决定性的优点，例如在高频下准静态操作的可能性。如图8中所示，在丰田开发的设计示例中，就周边组件而言，这甚至可以证明是最大的耗费[21]。

因此，在每个现有技术解决方案中都反映了有限的频率范围、在期望的频率范围内有限的声压生成、进行小型化的能力和/或以简单且低成本的方式进行生产的有限能力的缺点。因此，需要一种改进的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种声换能器概念，其具有可实现的可传输频率范围、可实现的声压、进行小型化的能力以及以低成本进行生产的能力的改进的折衷。

该目的通过独立权利要求实现。

实施例提供了一种包括基板的MEMS声换能器。在基板内或基板上，例如在腔体内形成膜，该膜连接到至少一个集成的永磁体上并且可以例如在使用线圈的同时通过第一控制信号被电动控制。由于电磁驱动，膜可以用作例如活塞式驱动器。该膜具有安装在其上的弯曲致动器，该弯曲致动器可以与该膜分开控制(例如，经由第二信号)。

本发明的实施例基于以下发现：通过将压电MEMS声换能器集成到具有电动驱动器的MEMS声换能器中，可以在MEMS技术中提供双向微型扬声器。由于电动驱动器，因此与现有解决方案相比，双向微型扬声器的特征在于在低频下可实现更高的声压级。例如，当声音辐射到自由场中时，所实现的声压向低频的下降可以被补偿。另一方面，可以实现用于限定体积的扬声器(入耳式耳机应用)，该扬声器的声压级明显提高，尤其是在低音范围内。

特别是对于噪声消除应用，要求频率低于100Hz的很高声压。助听器还对实现的声压提出了特别高的要求，到目前为止，只有在声频范围的一部分上才能实现。实现为双向扬声器还允许针对相应频率范围优化各个组件。例如，用于低频的电动驱动器可以与用于高频的压电驱动器组合，以实现最佳的能量效率和最低的失真。MEMS技术的制造实现了最高精度的大批量生产。

根据另一实施例，膜(特别是经由弯曲致动器控制的膜的区域)可以被配置为若干部分。例如，膜可以由一个间隙分成两个半部，或者可以由若干间隙分成四个部分或更多部分。根据实施例，间隙被选择为非常薄，从而不需要额外的密封剂。在弯曲致动器的非偏转状态下，间隙可以例如小于5μm，小于25μm，小于50μm或小于100μm。作为具有由间隙分开的膜的弯曲致动器的替代方案，弯曲致动器还可以配置有经由弯曲致动器驱动的附加膜。包括间隙的变型易于制造，并且实现了高偏转性而不会出现任何变形。

根据实施例，电动驱动的膜连接到与膜一起受电动控制的框架。根据另外的实施例，一个或多个永磁体可以被集成到所述框架中。根据另外的实施例，所述永磁体与基板上或基板的区域中的线圈相互作用，以电动地驱动膜。

膜或膜的框架相对于基板是弹簧安装的。根据实施例，弹簧安装可以例如通过去耦槽、结构或阻挡件(baffle)结构或弹性连接件或其他装置来实现。当考虑使用去耦槽的优选变型时，在这一点上应注意，所述耦接槽被配置为尽可能薄，即例如小于5μm，小于25μm，小于50μm，或小于100μm。当考虑阻挡件结构形式的实施例时，在这一点上应注意，所述实施例可以可选地从基板平面突出，阻挡件结构的高度至少为电动驱动膜的最大偏转的0.5或0.75或1.0。

根据实施例，压电弯曲致动器和电动驱动器负责不同的频率范围。MEMS声换能器被配置为通过电动可驱动膜来再现第一频率范围，并且通过弯曲致动器来再现第二频率范围。第二频率范围的中心频率高于第一频率范围的中心频率，或者总的来说，具有高于第一频率范围的频率的频率。根据其他实施例，例如，可以通过滤波器(信号处理)来确保这一点，例如，可以从电动驱动器中滤除高频。另外，通过信号处理细分两个频率范围也是可行的。

一个实施例涉及一种耳机，诸如尤其是入耳式耳机，其包括如上所述的MEMS声换能器。如上面已经提到的，这类应用的特征可能在于它们展现出具有高声压级的良好的要传输频率范围。

另一实施例涉及一种生产如上所述的MEMS声换能器的方法。该方法包括将粉末凝聚以产生磁体或产生永磁体(其耦合到膜)或在膜上产生至少一个永磁体的中心步骤。

附图说明

将在从属权利要求中定义进一步的发展。将通过附图说明本发明的实施例，在附图中：

图9示出了根据基本实施例的MEMS声换能器的示意图；

图10a、图10b示出了根据扩展实施例的MEMS声换能器的示意图，其中图10a示出了电动驱动的致动器系统的基本状态，而图10b示出了其偏转状态(低频范围)；

图10c至图10e示出了用于说明根据图10a/b的实施例的MEMS声换能器的变型的示意图；

图10f至图10m示出了用于说明根据另外的实施例的MEMS声换能器的变型的示意图。

图11a、图11b示出了根据上述实施例的在线圈的横截面中在z方向上的磁通密度(参见图11a)以及在z方向上对磁偶极子产生的合力效应(参见图11b)；

图11c至图11e示出了用于说明在线圈的磁场内对各个长方体磁体的力效应的示意图；

图11f示出了用于说明纵横比为L/D的圆柱形芯的放大系数1/N的示意图；

图1a至图2b和图5a至图8b示出了根据现有技术的实现方式的MEMS声换能器的示意图，部分连同对应的性能数据；以及

图3a、图3b示出了基于压电弯曲致动器的MEMS声换能器的设计的示意图以及对应的性能数据；以及

图4a、图4b示出了包括附加膜的压电MEMS声换能器的示意性设计以及对应的性能数据。

在下面将参考附图说明本发明的实施例之前，应当注意，已经用相同的附图标记提供作用相同的元件和结构，使得它们的描述应当可以相互适用或互换。

具体实施方式

图9示出了例如在基板12(Si基板，用于MEMS组件的常规半导体基板或其他基板)内形成的MEMS声换能器10。MEMS声换能器10包括膜14，该膜形成在基板内并且包括至少一个集成的永磁体14p，在本变型中，该集成的永磁体例如形成在膜14的框架区域内。借助于所述永磁体14p，膜14可以例如通过线圈(未示出)从外部被电动致动。

膜14具有施加在其上的弯曲致动器16，该弯曲致动器可以与膜分开地，特别是以压电方式被致动。

膜14以电动方式被致动，例如，基板12(特别是腔体12k)中设置有线圈，在该线圈中施加了第一控制信号。传统上，活塞式谐振器能够实现较大的行程，因此，特别是在低频下，也能够实现外部声压。这意味着膜14具有施加到其上的控制信号，该控制信号倾向于再现较低的频率(例如低于5,000Hz或低于3,000Hz或还低于1,000Hz)。可选地，该信号已经被低通滤波也是可行的。压电声换能器(参见压电弯曲致动器16)通常在其频率响应方面具有下限，因此它们擅长再现尤其相对较高的频率。压电致动器16在此具有施加到其上的第二音频信号，该第二音频信号主要包括高频部分(高于5,000Hz，高于3,000Hz，高于1，000Hz)。因此，取决于实现方式，过渡频率可以在1,000Hz与5,000Hz之间的范围内。根据另外的实施例，过渡频率也可以在不同的范围内，例如，介于100Hz和10,000Hz之间。

关于用不同的频带进行控制，应当注意，此处不必预先细分频带，从而可以用相同信号或预处理信号控制不同类型的两个声换能器14和16中的每一个。如果信号已经被预处理(例如，已经被细分为第一信号和第二信号)，则这通常将是从共享音频信号中导出的。

将在下面参考图10a和图10b说明双向MEMS声换能器10的扩展变型。

图10a表示电动驱动换能器的基本状态，而图10b表示电动驱动换能器的偏转状态。

图10a和图10b示出了包括膜(此处是Si膜14′)的MEMS声换能器10′。所述膜14′搁置在框架14r′上，该框架围绕或沿着膜14′的外轮廓延伸。在该实施例中，框架14r′包括一个或多个集成的永磁体14p′。另外，框架14r′与磁体14p′一起垂直于横向膜延伸并进入MEMS设备10′的内部。通过框架14r′和膜14′，在后侧(与膜14′的辐射表面相对的一侧)上形成腔体14h′。

如图10a中所示，在基本状态下，膜14′与基板12′的表面12o′精确地对齐。基板12′继而形成腔体12k′，该腔体具有框架14r′被布置在其中的膜14′。另外，腔体12k′具有位于其中的线圈18′，该线圈被配置为与永磁体14p′相互作用并且经由框架14r′电动驱动膜14′。替代地，线圈也可以布置在膜的侧面或下方。例如，线圈也可以位于单独的载体(基板)上。如图10b中可见的，由于电动驱动，导致了活塞式偏转。在该实施例中，线圈18′相对于膜14′和/或相对于框架14r′定位，使得所述膜在基本状态下布置在腔体14h′内，但不接触框架14r′或膜。根据实施例，线圈18′是芯片上集成的平面或多层线圈，(常规地)缠绕的线圈，集成在电路板上的多层线圈或基于陶瓷材料的线圈。根据可选实施例，线圈可以包括芯材料18k′。由此，可以增加线圈18′的效果。

如特别地从图10b的图示中可以看出，在膜14′和基板12′之间设置有密封剂19d′，该膜可以活塞的方式移动并且包括框架14r′，所述密封剂19d′密封了振荡元件14′加14r′与框架12′之间的间隙。这可以是弹性元件，或一种阻挡件等。

在几何形状方面，应注意，此处图10a和图10b描绘了截面图，因此关于元件14′、14r′、18′等的横向扩展，应注意，所述元件可以具有矩形、正方形、圆形或类似的形状。例如，当假设为圆形时，应注意，线圈18′、腔体14h′、框架14r′、膜14′和腔体12′同心地延伸，即，具有一个共同的对称轴。

膜14′具有施加到其上或集成在其上的压电层16′。在该实施例中，压电弯曲致动器16′被配置成两个部分，即包括间隙16s′。所述间隙将压电结构的第一部分16a′与压电结构的第二部分分开。在该实施例中，间隙16s′也连续穿过膜14′。在这一点上应注意，间隙16s′的所述设置或所述间隔表示可选特征，这是因为压电弯曲致动器也可以例如用作已施加的单个压电层，如将参考图9进行说明的。

就像上面说明了各个元件的结构以及单独的操作模式一样，将在其总功能中说明由MEMS组件10′提供的双向MEMS声换能器。低音扬声器经由电动驱动器18′与14p′组合进行电动驱动，而低音扬声器14′的有源表面还包含高音扬声器16′或16a′加16b′。因此，高音扬声器的功能在此通过压电弯曲致动器来实现，例如在[7]中所述。

整个高音扬声器16′与框架14r′弹簧安装在一起，使得框架14r′可以与高音扬声器16′和膜14′一起垂直地偏转。用于垂直偏转的驱动力是由线圈18′生成的磁场产生的。此处的线圈18′布置在高音扬声器16′的框架14r′下的中央。通过合适的芯材料，磁场以及因此作用在高音扬声器16′的框架14r′内的集成永磁体14p′上的力被放大。由线圈的可变信号引起的包括框架14r′的高音扬声器16′的垂直偏转实现了低音扬声器的功能。

在解决此处描述的MEMS结构10′的制造以及性能之前，将参考图10c、图10d和图10e稍微更详细地说明间隙16s′和密封件19d′的可选方面。

图10c示出了如何通过间隙(与间隙16s′可比)实现密封的可能性。此处在图10c中描绘的变型注定要用于图10a和图10b的高音扬声器内。图10d和图10e示出了用于在移动结构的边缘处提供密封的变型。所述变型也注定要使用该结构代替密封剂19d′。

图10c示出了包括第一弯曲致动器100和第二弯曲致动器120的声换能器16x。如通过装夹件100e和120e所看到的，两者都被布置或装夹在平面E1内。在这一点上应注意，此处所示的弯曲致动器100和120可能会偏置，例如，使得该图片表示空闲状态(idle state)或示出了偏转快照(在这种情况下，用虚线描绘空闲状态)。可以看出，两个致动器100和120水平地彼此相邻布置，使得致动器100和120或至少装夹件100e和120e位于共同平面E1内。该陈述优选地是指空闲状态；在偏置的情况下，平面E1首先涉及共享的装夹区域100e和120e。

两个致动器100和120布置成彼此相对，使得它们之间具有例如5μm、25μm或50μm的间隙140(通常在1μm至90μm的范围内，优选地小于50μm或小于20μm)。将悬臂式弯曲致动器100和120分开的所述间隙140可以被称为去耦间隙。在致动器100和120的整个偏转范围内，去耦间隙140仅变化最小程度，即小于间隙宽度的75％或小于间隙宽度的50％，从而可以省去额外的密封，如将在下面说明。

致动器100和120优选地以压电方式被驱动。所述致动器100和120中的每一个可以包括分层设计，并且除了压电有源层之外还可以具有一个或多个无源功能层。替代地，静电、热或磁驱动原理也是可能的。如果将电压施加到致动器100、120，则所述致动器，或者在压电情况下，致动器100和120的压电材料将变形并导致致动器100和120弯曲，使得它们将从平面突出。所述弯曲导致空气被置换。利用循环控制信号，于是激励相应致动器100和120以振动，从而发出声音信号。致动器100和120或对应的控制信号被配置为使得致动器100和120的分别相邻的致动器边缘或自由端将经历几乎相同的偏转而离开平面E1。自由端由附图标记100f和120f表示。由于致动器100和120或自由端100f和120f彼此平行移动，因此它们是同相的。因此，致动器100和120的偏转被称为相位相同。

随后，在驱动状态下，所有致动器100和120的整体结构中将形成稳定的偏转轮廓，该偏转轮廓仅被狭窄的去耦槽140中断。由于去耦槽的间隙宽度在微米范围内，因此在间隙侧壁100w和120w上将发生高的粘度损失，从而大大减少了通过此处的气流。因此，致动器100和120的前侧和后侧之间的动态压力补偿不能足够快地发生，从而避免了与致动器频率无关的声短路。这意味着具有窄槽的致动器结构在流方面将表现为像所考虑的声频范围内的闭合膜一样。

图10d示出了微型机械声换能器的致动器如何可以在没有密封的情况下实现高声压性能的另一变型。图10d的实施例示出了包括致动器100的声换能器16x′，该致动器被固定地装夹在点100e处。自由端100f可以被激励以在区域B上振荡。在自由端100f的对面设置垂直布置的阻挡件元件220。所述阻挡件元件的尺寸优选地至少等于或大于自由端100f的移动区域B。阻挡件元件220优选地在致动器的前侧和/或后侧上延伸，即，当从平面E1观察时，延伸到位于更下方的平面和位于更上方的平面中。在阻挡件元件220和自由端100f之间设置有与图1a的间隙140相当的间隙140f。

阻挡件元件220甚至在偏转状态下也允许使所提供的去耦间隙140′的宽度或多或少保持恒定(参见B)。因此，在具有相邻边缘的这种配置下，例如如图10e中所示，不会由于偏转而产生明显的开口。

图10e示出了也被装夹在点100e处的致动器100。相反地，提供了可以邻接在期望的任何位置并且没有垂直延伸并且不会移动的结构230。由于致动器100的偏转，在致动器的自由端100f的区域中将出现开口。该开口设有附图标记“o”。取决于偏转，这些开口横截面140o可以明显大于去耦槽(参见图10c和图10d)和/或大于处于空闲状态下的耦合槽。由于该开口，在前侧和后侧之间可能会出现气流，这会导致声短路。

根据实施例，阻挡件元件220的侧面或阻挡件元件220本身可以以调整到致动器100的移动的方式处于偏转范围B内。具体地，凹形将是可行的。

现在将参考图10f至图10m说明线圈18′和线圈芯18k′的布置的变型；其余设计基本上对应于图10a的实施例。

在图10f的实施例中，线圈18′布置在基板和膜14′之间，即相对于磁体14p′(在可选的密封下)横向布置(同心外侧)。与图10a相比，芯18k″保持不变地处于中心位置。

通过这种变型，可以扩大位于中心位置的芯18k″，并且可以最大程度地利用其中提供布置18″和18k″的空间。由于(至少在空转位置)在线圈18″和芯18k″之间设置了磁体14p′的事实，所以当控制线圈18″时传递最大磁力。如果假定是圆形的膜，则在基板和磁体14p′之间的布置应理解为在此处意味着元件18″、14p′和18k″同心地相互嵌套。例如，如果假定是不同的形状，诸如正方形，则所述嵌套当然也是可能的。

图10g的实施例对应于图10a的实施例，但是没有设置芯。图10h的实施例对应于图10f的实施例，但是没有设置芯。

这两个实施例基本上实现与图10a和图10f的对应基本实施例相同的功能；由于省去了芯，所以显著降低了声换能器组件的总重量；然而，也可能是较低的合力作用在膜上。

图10i的实施例对应于图10f的实施例，但是线圈18″′设置在基板的区域中而不是在腔体14h′内，如图10f中的情况。在图10f至图10i的所有实现中，线圈18′/18″和芯18k′/18k″位于基板内和/或膜平面的下方(即，在横向区域内)。因此，关于永磁体，线圈18′/18″和芯18k′/18k″布置在它们之间或至少直接相邻。

然而，在图10i的实施例中，线圈18′″布置在腔体的外部，即在基板区域内。这是有利的，因为以这种方式，出于与制造有关的原因，线圈可以直接形成在基板内。通过使用中心铁芯18k′，尽管线圈18′是外部布置的，仍可以很好地传递力。

当比较图10f和图10i的实施例时，显著的是铁芯的尺寸可以相对于直径变化。所述变型基本上取决于设想的应用。将在下面参考图10j说明铁芯18k′和线圈18′的尺寸的另一个变型。

图10j的实施例对应于图10i的实施例，但是芯18k″″和线圈18″″设计得更扁平：线圈18″″与基板表面对齐。

这种扁平的设计减小了可以传递到膜14′上的力，但是构成了关于结构尺寸的优化。

图10k的实施例对应于图10i的实施例，但是没有设置芯。图101的实施例对应于图10j的实施例，但是没有设置芯。

在图10k的该实施例中，尤其是在腔体14h′的区域内的整体尺寸也可以被优化。然而，由于线圈18″′在基板的深度平面内延伸，因此可以传递高的力。

图101的实施例基本上对应于图10k的实施例；线圈18″″没有延伸到那么远而形成深度，而是精确地从腔体14h′的表面延伸到腔体14h′的底面(如在图10j中已经做的那样)，因此实现了优化的结构设计。通过这种布置，例如，在偏转状态下实现最大的力的效应。

图10m的实施例对应于图101的实施例，但是芯18k*设置在线圈18″″附近，即与基板表面对齐。

图10m的实施例是图10k的实施例的进一步发展；在此，芯18k*(此处为同心芯)设置在腔体14h′的外部，即靠近线圈18″″。总而言之，这意味着元件18k*和18″″作为同心元件围绕腔体14h′延伸，即，因此可以被嵌入基板内。一方面，该实施例就制造而言是有利的，并且能够产生大的力的效应。为了完整起见，应注意，此处描绘的是具有减小的高度以优化安装高度的变型，其中芯18k*和线圈18″″从MEMS组件的表面延伸到约为腔体14h′的深度那么远。根据另外的实施例，元件18k*和18″″可以关于它们的尺寸(特别是它们的高度，但是也可以是它们的直径)而变化，使得由于延伸到较大的深度而进一步增加了可传递的力。

图10f至图10m是截面图，因此显然在一个维度中描述的说明也可以转移到不同维度中。

既然根据实现细节说明了MEMS设备10′的可选实施例，将讨论制造和其他可选特征。

包含在框架14r′内的永磁结构14p′可以通过使用新颖技术来制造，该新颖技术基于通过原子层沉积进行的松散粉末的凝聚[22]。后者使得能够以可再现的方式并且与半导体和MEMS生产的标准工艺兼容的方式在Si基板上集成具有在50μm至2,000μm之间的边缘长度的三维微型结构。对于由NdFeB粉末制成的集成微型磁体，已经标识了具有高再现性的出色磁性能[23]。NdFeB微型磁体的长期稳定性非常高。

所提出的方法相对于现有技术的当前状态具有许多优点。将声换能器细分为多向系统是常规声换能器中的常用方法。以这种方式，可以将各个组件调谐到相应的频率范围以生成声音。在这种情况下，两种不同的驱动模式的组合由此变得可能是特别有利的，因为所述模式不会相互影响。

如问题描述中所说明的，在自由场中实现的声压级基本上取决于频率(参见等式1)。除了入耳式应用之外，这导致微型扬声器的声压级将在低频下经历严重的下降，如现有技术中的情况那样，并且可以在图1、图3、图5中看到。只能通过增加置换体积来补偿该效果。在所描述的方法中，由于若干方面，使得低音扬声器所置换的体积最大。低音扬声器将组件的整个表面区域用作有源表面，将高音扬声器集成到低音扬声器的有源表面中可以节省额外的表面区域，否则这将是双向系统所必需的。由于实现为活塞式谐振器，所以有源表面的平均偏转等于最大偏转；对于弯曲谐振器，平均偏转仅是最大偏转的一小部分。由于电动驱动，有效功率可以在较大的距离上传递，因此可以实现较高的最大偏转。

单独的高音扬声器可以在高频下利用不同的驱动器概念。在此，压电驱动概念特别合适，因为与电动驱动相比，压电驱动在高频下具有更高的能量效率和更低的失真。低音扬声器的有源表面内的集成不会存在问题，因为由于其被配置用于更高的频率，所以原则上声换能器结构变得更小。由于频率依赖性(参见等式1)，可以在使用较小的有源表面和较小的平均偏转的同时实现相当的声压级。

尽管对于高音扬声器，人们可能会依赖现有的微型声换能器技术[4、7]，但低音扬声器的电动驱动的配置具有特别的意义。已开发的粉末MEMS技术使得能够在MEMS组件制造期间集成大体积永磁体。特别地，这也与压电MEMS技术兼容，因此可以集成到压电驱动的高音扬声器的框架中。磁力效应与体积成比例，因此要集成到高音扬声器中的粉末磁铁应尽可能大。为了不影响高音扬声器的功能，可以适当地使用框架。

将永磁体集成到框架中还可以使磁力效应最大化。图11a示出了沿z轴取向的线圈的z方向上的磁通密度B_z，该线圈由直径为4mm和线圈总长度为2mm的25匝组成。所使用的坐标系的原点延伸穿过线圈的中心；所示出的是xz平面中的截面，黑线表示线圈的分界。

磁通密度B_z在线圈的中心处相对均匀，并且在线圈18的外部剧烈减小(参见非阴影区域)。施加在磁偶极矩(例如，永磁体的磁偶极矩)上的磁力效应与磁通密度和偶极矩的标量积的梯度成比例。对于沿z方向磁化的永磁体，z方向上的力效应与图11a中所示的磁通密度B_z的梯度成正比。图11b示出了在z方向上以500mT磁化的永磁体的每个体积在z方向上的力效应。从图11a中也可以看出，最大力效应不是在最大磁通密度下发生，而是在最大下降处发生。就实现最大力效应而言，代替永磁体沿着线圈轴线的居中位置，如图7中所示，例如，尽可能靠近线圈绕组的位置是有利的。线圈中心处的永磁体的任何附加体积对力效应贡献很小，并且由于考虑高音扬声器功能集成和减轻高音扬声器平台重量的几何原因，在所提出的方法中已将其省略。

图11c和图11d例示了这种连接。绘制的是在各个x位置(图11b的垂直截面)沿z轴的每个体积z方向上的力效应曲线(

和/或2,200-4,000μm)。随着位置越来越接近线圈绕组，可实现的力效应明显增加。该连接不限于线圈的内部。如图11a和图11b中可以看出，类似的变化发生在线圈外部，带有相反的符号。对于这种情况，也以示例的方式在图11d中示出了每个体积的力效应的曲线。

除了永磁体和线圈的横向相对定位之外，还可以根据最佳垂直相对定位得出结论。从图11c和图11d中可以看出，最大力效应出现在线圈的垂直端。因此，该位置应出现在低音扬声器的完全偏转点，以便实现相对于低音扬声器弹簧安装的最大偏转。然而，永磁体和线圈的垂直定心也可能是有利的。在这种情况下，即使可获得较低的力效应，所述力效应也将以与垂直位移(在这种情况下，与低音扬声器的偏转)成线性关系的方式延伸。线性力进展有利于使失真最小化。

因此，为了将永磁体定位在高音扬声器和线圈(其可能包括芯材料)的框架内，因此产生了在图10f至图10m中示出的可能性等，以便在线圈绕组附近利用上述增加的力效应。附加变型受到高音扬声器框架内永磁体的形状和定位的影响。线圈可以以不同的方式实现。尤其可行的是基于MEMS技术的线圈，常规缠绕的线圈，由多层电路板组成的线圈以及基于陶瓷材料的线圈。芯材料可以是主体，或者可以优选地由具有高纵横比的若干主体组成。

对于图10a所示的优选实施例，通过数值模拟来估计驱动低音扬声器的可实现的力。计算出的是对尺寸为200μm×200μm×500μm且磁化强度为500mT的单个立方体磁体的力效应。至少50个这样的磁体可以容纳在高音扬声器的框架内，该高音扬声器的有源表面的直径为4mm。在所计算的示例中，所述磁体位于半径为2.2mm的圆上。线圈的最大外径为3.9mm，长度为4mm。线圈由AWG40导线制成的每层50个绕组制成。在图11e中示出了以14mA的电流通过线圈时作用在各个磁体上的力，其是层数n(n1-n5)的函数。绘制了沿z轴磁体中心和线圈中心之间的相对距离上的力。另外，该图解指示在固定情况下由于线圈导线的电阻而发生的功率损耗。

如在图11e中以示例的方式可以看到，可以用线圈的5个绕组层实现每个磁体约为2μN的力。当乘以磁体的数量时，会产生100μN的力，该力会被施加在高音扬声器的框架上。

通过使用合适的芯材可以进一步增强力效应。此处应注意，芯材料的退磁场与线圈的磁化冲突。作为芯的长度/直径的纵横比L/D的函数，如图11f所示的理想软磁性材料的圆柱形芯得到放大系数1/N。在纵横比为1∶1的情况下，预计放大系数约为3，并且在纵横比为3∶1的情况下，预计放大系数约为10。为了即使在有限的安装高度下仍能实现芯的高纵横比，希望将芯细分为具有高纵横比的若干单独的部分。因此，在计算示例中，可以在mN范围内实现微型声换能器所需的力。

将两个声换能器组合在一个组件中，对机械实现提出了要求。高音扬声器的致动器要被生产为具有足够的刚度，以防止低音扬声器致动时发生移动。通过将高音扬声器配置为高于低音扬声器的频率范围，可以将其付诸实践。通过具有有源或无源分频网络的合适的电子器件来实现这两种方式的控制。

实施例示出了图4所示的技术中的高音扬声器的优选实现方式[7]。然而，所描述的方法也可以通过将其他技术用于高音扬声器来实现。这些包括，例如，图3中所示的技术[4]，其中压电致动器使以混合方式安装的附加膜偏转。根据所述两种技术，还产生了两种可能性来密封低音扬声器的有源表面的弹簧悬置。可以通过选择狭窄的槽和通过阻挡件结构将弹簧充分密封；替代地，可以使用优选地由软材料组成的附加膜来分离前后体积。

在这一点上应注意，可以特别地在微型声换能器的领域内采用上述技术。后者用于消费电子器件、电信技术和医学工程。可能的应用包括耳机(入耳式耳机或耳挂式耳机)、便携式设备(智能电话、平板计算机、可听戴设备)和助听器。

下面将说明另外的实施例：根据一个方面的实施例提供了MEMS技术中的双向微型声换能器系统，其包括低音扬声器和高音扬声器。在对应的实施例中，低音扬声器被电动驱动。根据另外的实施例，低音扬声器被电动驱动，而高音扬声器被压电驱动。

根据实施例，高音扬声器形成低音扬声器的有源表面的一部分。

根据实施例，微型声换能器的尺寸约为50mm×50mm×10mm，或最大尺寸为50mm×50mm×10mm。根据优选实施例，尺寸将不超过10mm×10mm×5mm。因此，微型换能器将小于10mm×10mm×5mm。

根据实施例，低音扬声器的电动驱动器包括在高音扬声器的框架内实现的至少一个、优选地若干个永磁体。

根据实施例，此处利用存在于线圈绕组附近的较高的力效应。

根据另外的实施例，集成在高音扬声器的框架内并位于平面内的永磁体的边缘长度或直径在20μm至2,000μm之间，优选地在50μm至1,000μm之间，特别优选在50μm和500μm之间。

根据实施例，低音扬声器的有源表面是弹簧悬置的，例如通过选择狭窄的槽、阻挡件结构或附加的密封膜。

关于基板应注意，根据实施例，所述基板可以由硅或不同的材料制成。

如上所述，一个实施例涉及一种制造方法。在此应注意，所述制造方法尤其可以包括通过原子层沉积凝聚松散的粉末，从而产生永磁结构。另外的制造步骤是使用常规MEMS制造技术的步骤。在这一点上应注意，关于上述设备的说明也给出了对应制造步骤的说明，因此此处不再给出额外指示。

即使在以上实施例中，(MEMS)声换能器作为(MEMS)扬声器进行说明，但是应注意，其也可以被实现为无源声换能器，即，作为用于声音记录的传感器(例如，麦克风)。根据实施例，声换能器应被理解为空气声换能器。此外，应注意，空气声换能器应理解为可以记录和输出空气中的声波甚至超声(示例性频率范围1Hz-400kHz)的声换能器。

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Claims (17)

1.一种声换能器(10、10′)，包括：

基板(12、12′)；

形成在所述基板(12、12′)内的膜(14、14′)，所述膜(14、14′)连接到至少一个集成的永磁体(14p、14p′)，并且是电动可控的；以及

弯曲致动器(16、16′、16a′、16b′)，被施加在所述膜(14、14′)上，并且能够与所述膜(14、14′)分开进行压电控制。

2.根据权利要求1所述的声换能器(10、10′)，其中，所述弯曲致动器(16、16′、16a′、16b′)包括由间隙分开的膜(14、14′)。

3.根据权利要求2所述的声换能器(10、10′)，其中，由所述间隙分开的所述膜(14、14′)包括两个半部；或者

其中，由所述间隙分开的所述膜(14、14′)包括四个四分部或多个元素。

4.根据权利要求2所述的声换能器(10、10′)，其中，在所述弯曲致动器(16、16′、16a′、16b′)的非偏转状态下，所述间隙小于5μm，小于25μm，小于50μm或小于100μm。

5.根据权利要求1所述的声换能器(10、10′)，其中，所述弯曲致动器(16、16′、16a′、16b′)包括由所述弯曲致动器(16、16′，16a′、16b′)驱动的附加膜；或者

其中，所述弯曲致动器(16、16′、16a′、16b′)包括由所述弯曲致动器(16、16′、16a′、16b′)驱动的附加膜，并经由所述附加膜的柔性区域连接到所述基板。

6.根据权利要求1所述的声换能器(10、10′)，其中，所述膜(14、14′)连接到与所述膜(14、14′)一起受电动控制的框架(14r′)；并且

其中，所述膜(14、14′)连接到框架(14r′)，所述框架(14r′)具有集成在所述框架(14r′)中的至少一个永磁体(14p、14p′)，所述框架(14r′)与所述膜(14、14′)一起受电动控制。

7.根据权利要求1所述的声换能器(10、10′)，其中，所述膜(14、14′)或所述膜(14、14′)的框架相对于所述基板是弹簧安装的。

8.根据权利要求7所述的声换能器(10、10′)，其中，所述弹簧安装通过去耦槽、阻挡件结构或弹性连接件实现；和/或

其中，所述弹簧安装通过阻挡件结构实现，所述阻挡件结构从所述基板平面突出，和/或所述阻挡件结构的高度为电动驱动膜(14、14′)最大偏转的至少0.5或0.75或1.0。

9.根据权利要求1所述的声换能器(10、10′)，其中，所述膜(14、14′)用作活塞式换能器。

10.根据权利要求1所述的声换能器(10、10′)，其中，所述声换能器(10、10′)包括线圈(18′、18″、18″′、18″″)，所述线圈(118′、18″、18″′、18″″)与所述至少一个集成的永磁体(14p、14p′)相互作用，以便电动驱动所述膜(14、14′)。

11.根据权利要求10所述的声换能器，其中，所述线圈(18′、18”、18″′、18″″)布置在所述膜(14、14′)下方的中央或沿着所述膜(14、14′)的外轮廓布置或围绕所述膜(14、14′)同心布置。

12.根据权利要求10所述的声换能器，其中，所述线圈(18′、18″、18″′、18″″)耦合到芯(18k′、18″、18k″′、18″″、18k*)，所述芯(18k′、18″、18k′″、18″″、18k*)布置在所述膜(14、14′)下方的中央，围绕所述膜(14、14′)的边缘区域布置或围绕所述膜(14、14′)同心布置。

13.根据权利要求1所述的声换能器(10、10′)，其中，所述膜(14、14′)是硅膜和/或半导体膜。

14.根据权利要求1所述的声换能器(10、10′)，其中，所述声换能器被配置为通过电动可驱动膜(14、14′)来映射第一频率范围，并且通过所述弯曲致动器(16、16′、16a′、16b′)来映射第二频率范围，所述第二频率范围的中心频率高于所述第一频率范围的中心频率，或者所述第二频率范围包括高于所述第一频率范围的频率的频率。

15.根据权利要求1所述的声换能器(10、10′)，还包括信号处理，所述信号处理被配置为将要传输的频率范围分为第一频率范围和第二频率范围，其中，属于所述第一频率范围的信号通过所述声换能器被电动再现，并且属于所述第二频率范围的信号通过所述弯曲致动器(16、16′、16a′、16b′)再现，

所述第二频率范围的中心频率高于所述第一频率范围的中心频率，或者所述第二频率范围包括高于所述第一频率范围的频率的频率。

16.一种微型扬声器、耳机或入耳式耳机，包括根据权利要求1所述的至少一个MEMS声换能器(10、10′)。

17.一种产生根据权利要求1所述的声换能器(10、10′)的方法，所述方法包括以下步骤：将粉末凝聚，以产生至少一个永磁体(14p、14p′)或在所述膜(14、14′)上产生至少一个永磁体(14p、14p′)。

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