CN111885467A - Mems压电扬声器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种MEMS压电扬声器，该扬声器的负载盘与执行器叠置，使二者在横向不互相挤占位置，从而都可获得更大的设计空间，在微型扬声器有限的横向尺寸下，执行器和负载盘有较大的横向面积/尺寸和纵向振动位移，使扬声器能够具有更大的输出声压。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS压电扬声器。
背景技术
微型扬声器目前被广泛的应用于各类小型化微型化的声学器件、电子设备，用于多媒体及电子娱乐设备之中。而MEMS(微机电系统)执行器是上述扬声器的重要组成部分，其核心工作原理是利用压电材料实现声能(机械能)-电能的耦合和相互转化。如图1A所示，图1A是根据现有技术中的MEMS扬声器的能量转化结构的示意图，其中示出了框架11(通常采用硅材料制造)内设置的微机电系统MEMS执行器12的四个分支，以及连接于该四个分支一端的负载盘13。执行器12中包含上下电极和二者之间的压电材料，实现声能和电能的耦合。负载盘13用来将执行器的能量传导至扬声器的振动膜层。
目前，扬声器的小型/微型化是业内的关注点之一。由于尺寸小，扬声器的性能(如输出声压)提升受到一定的制约。如何在小尺寸/小空间下进行扬声器的内部结构优化设计是影响微型扬声器性能的关键要素。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种MEMS压电扬声器，其具有更好的性能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种MEMS压电扬声器，包括负载盘和执行器，负载盘与执行器叠置。
可选地，执行器上具有突起部，负载盘与执行器的接触处为该突起部的表面。
可选地，所述扬声器的基底具有突起的中心柱，中心柱一端连接至执行器的中心，执行器整体所在的平面与中心柱的轴向垂直；执行器包括自中心向外，沿所述平面放射状延伸的多个条形分支或者多个扇形分支。
可选地，所述条形分支的数量大于2。
可选地，所述突起部位于执行器的所述扇形分支的弧形边缘；或者，所述突起部位于执行器的所述条形分支的外侧端部。
可选地，所述执行器包括自中心向外，沿所述平面放射状延伸的多个条形分支；并且所述执行器为两层的结构，该两层沿着所述中心柱的轴向叠置。
可选地，执行器中的距离负载盘较远的一层的多个条形分支，向执行器的另一层的多个条形分支所在的平面倾斜。
可选地，执行器中的距离负载盘较远的一层的各条形分支的长度大于执行器的另一层的各条形分支的长度。
可选地，所述负载盘具有多个自周缘起沿负载盘径向延伸的狭缝，以及与该狭缝连接的、沿负载盘周向延伸的狭缝，从而形成多个沿负载盘周向延伸的多个弧形梁，负载盘与执行器的接触处位于所述弧形梁。
可选地，执行器包括自中心向外，沿所述平面放射状延伸的多个条形分支；条形分支的延伸末端附近为负载盘与执行器的接触处，负载盘上的所述弧形梁的数目与执行器的条形分支的数目相同。
可选地，所述狭缝自负载盘边缘起，包含首尾相连的第一至第四段，其中第一段自负载盘边缘起沿负载盘径向延伸，第二段沿负载盘周向延伸，第三段沿负载盘径向并且朝向负载盘边缘延伸，第四段沿负载盘周向延伸。
可选地，所述狭缝包含多条；所述狭缝的第一条包括首尾相连的第一段和第二段，其中第一段自负载盘边缘起沿负载盘径向延伸，第二段沿负载盘周向延伸，从而形成所述弧形梁；第一条的多个其他段均自第二段起沿负载盘径向并且朝向负载盘边缘延伸；所述狭缝的其他多条均自负载盘边缘起沿负载盘径向延伸并且不达到所述第一条的第二段；所述狭缝的第一条的所述其他段与所述狭缝的其他多条，在负载盘周向交替布置，使所述弧形梁的结构是沿弓字形延伸。
可选地，还包括框架，该框架包围执行器；所述执行器具有多个中心对称分布的分支，每个分支的第一端连接至框架，第二端具有所述突起部。
可选地，多个所述分支的第一端分布在正多边形的各条边上，或者分布在圆周上。
可选地，所述分支呈扇形，扇形的底边连接至框架，所述突起部靠近扇形的顶点；或者，所述分支呈条形，条形的一端连接至框架，所述突起部靠近该条形的另一端。
可选地，所述负载盘具有弓字形延伸的区域，在所述叠置的方向上，该区域对应于执行器的分支。
可选地，所述分支呈弧形，一端连接至框架，另一端经由连接部与负载盘连接；多个弧形的所述分支位于同一圆的圆周。
可选地，还包括自所述扬声器的基底向负载盘方向突起的中心柱，中心柱一端连接至执行器的中心，执行器整体所在的平面与中心柱的轴向垂直；执行器包括自中心向外，沿所述平面放射状延伸的多个条形分支或者多个扇形分支。
可选地，对于所述执行器的各个条形分支的多个延伸终点，其外接圆的直径占所述扬声器的直径的90％以上；或者，所述执行器的各个扇形分支的面积之和占所述扬声器的平行于所述执行器方向的面积的80％以上。
可选地，负载盘和执行器的叠置是采用键合工艺实现。
根据本发明的技术方案，负载盘与执行器叠置，使二者在横向不互相挤占位置，从而可获得更大的设计空间。
附图说明
为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：
图1A是根据现有技术中的MEMS扬声器的能量转化结构的示意图；
图1B是根据本发明实施方式的一种扬声器结构的截面图；
图1C是图1B结构的爆炸展开图；
图2A是根据本发明实施方式的一种执行器的结构的示意图；
图2B是沿图2A中的沿截面α1、α2的剖视图；
图3A至图4A是根据本发明实施方式的几种执行器的结构的示意图；
图4B是沿图2A中的沿截面α1的剖视图；
图4C是根据本发明实施方式的一种执行器的结构的示意图；
图5A是根据本发明实施方式的另一种执行器的结构的示意图；
图5B是沿图5A中的沿截面α1、α2的剖视图；
图5C是根据本发明实施方式的一种执行器的结构的示意图；
图6A至图6C是根据本发明实施方式的几种负载盘的结构的示意图；
图7A、图7C、图7D、图7E是根据本发明实施方式的几种扬声器的俯视图的局部示意图；
图7B是图7A的A1-A2剖视图；
图7F是图7E的A1-A2剖视图；
图7G是图7E中的负载盘的结构的示意图；
图8A、图8C是根据本发明实施方式的两种扬声器的俯视图的局部示意图；
图8B是图8A的A1-A2剖视图；
图9是根据本发明实施方式的一种执行器的内部层结构的示意图。
具体实施方式
发明人在实现本发明的过程中提出，若执行器12和负载盘13横向并列设置，在扬声器整体横向尺寸的限制下，执行器12的设计自由度(如面积和长度)也受到限制，从而制约了纵向振动位移，进而影响到输出声压。因此根据本发明的实施方式，将负载盘与执行器叠置，以提升执行器和负载盘在横向上可以利用的空间，提升其设计自由度，因此能够使得执行器和负载盘输出更大的声学振动能量(如更大的纵向振动位移，或输出更大的力以推动空气等)，最终扬声器的输出声压。
图1B是根据本发明实施方式的一种扬声器结构的截面图，而图1C是图1B结构的爆炸展开图。
现将图1C中展示的结构细节描述如下：
10：扬声器的能量转换结构层，其中具体包含了如下的部件11至15。
11：框架，该部分对执行器起到支撑并实现执行器的电学互连的作用。
12：执行器，扬声器中的电能-声能的耦合及相互转化发生在该部分中，具体的，执行器可将输入到其中的电能转化成机械振动(声能)。
13：负载盘：该结构本身不进行电能-声能的耦合及相互转化，只被动的接受由执行器产生的振动能量，将执行器能量传导至振动膜层。
14：第一连接部：该部分用于连接负载盘13和执行器12。
15：第二连接部：该部分用于连接框架11和执行器12。
扬声器的其他部件包括如下的20至70。
20：扬声器的能量传导块：该结构用于传导振动能量，根据具体结构设计，该部分有时可以省略。
30：下限位层，包含下外围部分31和向内侧的环形突出部32。
40：能量交换界面层，具体包含：
41：具有环形拱起结构的外围，具体包含：与下外围部分31的环状搭接部分44，以及具有环状拱起的弹性部43。
42：振动膜层，该层充当扬声器与外界声媒质(通常是空气)交换声能的界面，具体的，膜层通过振动将声波能量传入空气。
50：上限位层：包含上外围部分51和向内侧的环形突出部52
60：PCB板：包含PCB主体和分布于其中的电学链接部或芯片如ASIC等。
70：防护层结构。
上述的扬声器，基本工作过程如下：首先控制信号由外界传导至扬声器PCB板60，并由其中的信号转换/处理芯片62接收并处理，经处理转换放大等流程后生成的的电信号经由PCB板60与框架11之间的电学触点进入执行器12，并在执行器12中被转化为机械振动。执行器12的振动能量会经由第一连接部14传导至负载盘13，再通过能量传导块20或直接由负载盘13传输至振动膜层42，振动膜层42的振动能量最终进入扬声器外部媒质，如空气。
对于执行器的扬声器的能量转换结构层10的具体结构方面，一类是具有中心柱的结构，另一类是无中心柱的结构(例如图1C所示)，二者也可以相结合。以下结合附图分别加以说明。本文的描述中，诸如“上”、“下”、“横向”、“纵向”均以图中视角为准。
以下先对具有中心柱的结构加以说明。
图2A至图6C涉及具有中心柱的结构，其中的11a为中心柱。中心柱在基底材料上形成，从而形成基底的一个突起部。中心柱上端作为连接部15a，横向连接执行器，执行器有多个分支，例如图中所示的3个，各分支等分整个圆周。分支可以呈条形，例如图3A、图4A至图5C等示出的12a、12b。分支也可以呈扇形，例如图3B、图3C中的12a。因为各分支通常是同步振动，所以这里将所有分支的集合作为一个整体，该整体称作执行器，而不是将每个分支称作执行器。
图2A是根据本发明实施方式的一种执行器的结构的示意图。图2B是沿图2A中的沿截面α1、α2的剖视图。从图2B可以看出，负载盘13a和执行器12a上下叠置。
在条形的执行器分支的端部具有突起部14a，如图2A、图3A、图4A等所示。在扇形的执行器分支的弧形边缘也可以设置突起部14a，此时突起部14a可以是如图3B所示的充斥该弧形边缘的全部，也可以是如图3C所示的只占据弧形边缘的一部分。
负载盘与执行器是经由突起部14a连接，也就是说负载盘与执行器的接触面限制在突起部的表面这样一个范围，如图6A至图6C所示，上述接触面为图中阴影部分C1、C2、C3。这种接触面的面积限制有助于降低执行器受到的制约，从而提高其振动幅度，即提高了其能量转换功率。
图4A是根据本发明实施方式的另一种执行器的结构的示意图。图4B是沿图2A中的沿截面α1的剖视图。从图4A和图4B可以看出，执行器为两层的结构，沿中心柱的轴向，即图中视角的上下方向叠置。这样执行器的各条状分支与中心柱有两个连接部，分别为15a和15b。并且，位于下方的执行器的分支的端部的突起结构14b的高度要大于上方执行器的分支的端部的突起结构14a的高度。这样使得14a和14b的上表面高度相同，即处于同一平面。另外，也可以如图4C所示，12b向着三条分支12a所在的平面倾斜，以图中视角即为向上倾斜，这样即使分支12b的端部的突起结构14b的高度与突起结构14a的高度差不多，也可以使14a和14b的上表面高度相同。
图5A是根据本发明实施方式的另一种执行器的结构的示意图。图5B是沿图5A中的沿截面α1、α2的剖视图。从图5A和图5B可以看出，执行器同样分上下层，而上层的分支可以较短。连接部15a和两个突起结构14a、14b可以在一条线上，也可以如图5C所示，不在一条线上。上述结构为执行器的设计提供了更多的灵活性。
具有上下两层的执行器，能够使执行器的更多分支参与对于负载盘的驱动，从而有助于增加执行器的机械能量，最终增大扬声器的输出声压。
图6A至图6C是根据本发明实施方式的几种负载盘的结构的示意图。如图6A所示，负载盘上具有3条狭缝H1、H2、H3，各狭缝自负载盘边缘起，先沿径向后沿周向延伸，从而形成位于负载盘边缘的弧形的梁。按图2B的视角，因为在负载盘在竖直方向振动时，会产生水平方向的张力，所以上述狭缝的存在使负载盘能够产生水平方向的微小形变，即弧形梁在一定程度上离开负载盘中心，这样有助于增加负载盘的运动自由度，使其纵向振动幅度尽可能少受制约，增大负载盘的纵向振动幅度，最终提高扬声器的输出声压。
图6B中的弧形梁的根部起的相当长的一段较之于接触面C1、C2、C3所在的端部附近的一段为细，这有助于降低弧形梁的结构刚度，从而为负载盘的运动提供更大自由度。
图6C中的弧形梁的两侧具有相向延伸的短狭缝，例如图中的H1a至H3c。这使得弧形梁的结构是沿弓字形延伸。这样允许弧形梁在离开负载盘中心时内侧的短狭缝变宽，外侧的短狭缝变窄，即允许改变弧形梁的弧度，从而提高了弧形梁的形变自由度，也即增大了负载盘的运动自由度。
对于上述具有中心柱的结构，负载盘在自身的周缘被驱动从而随执行器振动。另外如前所述，也可以没有中心柱，以下对此加以说明。
图7A是根据本发明实施方式的一种扬声器的俯视图的局部示意图；图7B是图7A的A1-A2剖视图。如图7A所示，对于没有中心柱的情形，则在基底形成框架11c，框架11c是一个包围结构，执行器的各个分支12c以及负载盘13a在俯视的视角下被框架11c包围。框架11c包围出一个圆形空间，相应地执行器的各个分支呈扇形，扇形底边连接在框架内侧，扇形顶点附近的突起部14c的表面为执行器与负载盘13a的接触面。框架11c也可以包围出一个方形空间，如图7D所示，相应地执行器的分支为三角形。当然框架11c也可以包围出其他形状，如矩形或正多边形，以使执行器的驱动力输出平衡化。对于框架11c包围出的上述各种形状的空间，执行器的分支还可以是条形，例如图7C所示。
对于没有中心柱的情形，负载盘也可以采用降低刚性的结构。图7E是根据本发明实施方式的另一种扬声器的俯视图的局部示意图；图7F是图7E的A1-A2剖视图；图7G是图7E中的负载盘的结构的示意图。如图7E至图7G所示，负载盘13a中，具有3处外轮廓为扇形、内部为弓字形迂回的区域，该区域在负载盘与执行器的叠置方向，即图7F视角的竖直方向上，与执行器对齐。这样当执行器振动时，该区域能够具有横向(图7F视角)的微小位移，从而有助于增加负载盘的运动自由度。
基于上述框架包围出的空间，该空间内部同样可以设置中心柱，这样可以容纳执行器的另一组分支，该组分支的结构与前文所述的具有中心柱的结构类似。图8A是根据本发明实施方式的另一种扬声器的俯视图的局部示意图；图8B是图8A的A1-A2剖视图。如图8A所示，中心柱11a位于框架11c包围出的圆形空间之内，其顶部的连接部15a处连接执行器的3个分支12a。执行器的分支12c呈弧形，形状适应于框架内表面形状，靠近框架内侧，沿圆形空间的周向设置，弧形一端经由连接部15c与框架11a连接，另一端的连接部16c沿圆形空间的径向延伸至负载盘13a下方(参考图8B)，连接部16c上设置有突起部14c。
连接部15c可以采用框架11c的材料例如硅，也可采用压电层材料，以沉积的方式制作。连接部16c可以是执行器的分支12c的端部，即二者材料相同。
框架11c同样可以包围出多边形的空间，例如图8C所示，图8C是根据本发明实施方式的另一种扬声器的俯视图的局部示意图。在图8C中，框架11c包围出正方形空间，其内设置有四周分布的执行器分支12c以及从中心柱的连接部15a延伸的执行器分支12a。执行器分支的端部和负载盘13a经由突起部14c连接。
相比于前文所述的结构，图8A、图8C中的执行器具有更多的分支，从而提高了机械振动能量，增大了执行器的驱动力，最终有助于增大扬声器的输出声压。
以下对于本发明实施方式中的执行器的内部材料分布加以说明。图9是根据本发明实施方式的一种执行器的内部层结构的示意图。图9示出了执行器分支的断面的放大图，可以看出，执行器12a中包含四层结构，分别为偏置层12-1、下电极12-2、压电层12-3、上电极12-4。
偏置层用于偏置整体执行器的纵向中性轴，使得压电层的面内应力产生执行器的纵向位移，同时起到对执行器薄膜结构的支撑作用。材料可选用单晶硅，二氧化硅，氮化铝以及钼，铝，金等金属。
执行器的下电极的材料可选钼，铝，金，钨，钌等。执行器的上电极材料可选钼，铝，金，钨，钌等。
压电层可采用氮化铝、氧化锌，以及上述材料的稀土元素参杂材料(如一定原子比的钪掺杂)，也可采用锆钛酸铅、掺杂锆钛酸铅、铌酸锂、钽酸锂、聚偏氟乙烯(pvdf)等。需要指出的是，执行器在厚度方向为薄膜结构，即纵向厚度一般不超过100微米。由于执行器为薄膜结构，其纵向的弯曲模量较小，因此能够输出较大的声压。电极和压电层一般采用薄膜制作工艺得到。
在本发明的实施方式中，负载盘与执行器叠置，使二者在横向不互相挤占位置，从而可获得更大的设计空间。二者在叠置时可以采用键合工艺实现。对于条形的执行器分支，其端点(可参考图3A)的外接圆直径可以占到扬声器横向直径的90％以上。对于执行器是扇形的情况(可参考图3B)，各扇形的面积之和可以占到扬声器横向直径水平面积的80％以上。根据本发明实施方式的技术方案，在微型扬声器有限的横向尺寸下，执行器和负载盘有较大的横向面积/尺寸和纵向振动位移，使扬声器能够具有更大的输出声压。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (20)
1.一种MEMS压电扬声器，包括负载盘和执行器，其特征在于，负载盘与执行器叠置。
2.根据权利要求1所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，
执行器上具有突起部，负载盘与执行器的接触处为该突起部的表面。
3.根据权利要求2所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，
所述扬声器的基底具有突起的中心柱，中心柱一端连接至执行器的中心，执行器整体所在的平面与中心柱的轴向垂直；
执行器包括自中心向外，沿所述平面放射状延伸的多个条形分支或者多个扇形分支。
4.根据权利要求3所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，所述条形分支的数量大于2。
5.根据权利要求3所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，
所述突起部位于执行器的所述扇形分支的弧形边缘；
或者，所述突起部位于执行器的所述条形分支的外侧端部。
6.根据权利要求3所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，
所述执行器包括自中心向外，沿所述平面放射状延伸的多个条形分支；
并且所述执行器为两层的结构，该两层沿着所述中心柱的轴向叠置。
7.根据权利要求6所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，
执行器中的距离负载盘较远的一层的多个条形分支，向执行器的另一层的多个条形分支所在的平面倾斜。
8.根据权利要求3所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，
执行器中的距离负载盘较远的一层的各条形分支的长度大于执行器的另一层的各条形分支的长度。
9.根据权利要求3所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，
所述负载盘具有多个自周缘起沿负载盘径向延伸的狭缝，以及与该狭缝连接的、沿负载盘周向延伸的狭缝，从而形成多个沿负载盘周向延伸的多个弧形梁，负载盘与执行器的接触处位于所述弧形梁。
10.根据权利要求9所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，
执行器包括自中心向外，沿所述平面放射状延伸的多个条形分支；
条形分支的延伸末端附近为负载盘与执行器的接触处，负载盘上的所述弧形梁的数目与执行器的条形分支的数目相同。
11.根据权利要求10所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，
所述狭缝自负载盘边缘起，包含首尾相连的第一至第四段，其中第一段自负载盘边缘起沿负载盘径向延伸，第二段沿负载盘周向延伸，第三段沿负载盘径向并且朝向负载盘边缘延伸，第四段沿负载盘周向延伸。
12.根据权利要求10所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，
所述狭缝包含多条；
所述狭缝的第一条包括首尾相连的第一段和第二段，其中第一段自负载盘边缘起沿负载盘径向延伸，第二段沿负载盘周向延伸，从而形成所述弧形梁；第一条的多个其他段均自第二段起沿负载盘径向并且朝向负载盘边缘延伸；
所述狭缝的其他多条均自负载盘边缘起沿负载盘径向延伸并且不达到所述第一条的第二段；
所述狭缝的第一条的所述其他段与所述狭缝的其他多条，在负载盘周向交替布置，使所述弧形梁的结构是沿弓字形延伸。
13.根据权利要求2所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，
还包括框架，该框架包围执行器；
所述执行器具有多个中心对称分布的分支，每个分支的第一端连接至框架，第二端具有所述突起部。
14.根据权利要求13所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，多个所述分支的第一端分布在正多边形的各条边上，或者分布在圆周上。
15.根据权利要求13所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，
所述分支呈扇形，扇形的底边连接至框架，所述突起部靠近扇形的顶点；
或者，所述分支呈条形，条形的一端连接至框架，所述突起部靠近该条形的另一端。
16.根据权利要求15所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，所述负载盘具有弓字形延伸的区域，在所述叠置的方向上，该区域对应于执行器的分支。
17.根据权利要求13所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，
所述分支呈弧形，一端连接至框架，另一端经由连接部与负载盘连接；
多个弧形的所述分支位于同一圆的圆周。
18.根据权利要求17所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，
还包括自所述扬声器的基底向负载盘方向突起的中心柱，中心柱一端连接至执行器的中心，执行器整体所在的平面与中心柱的轴向垂直；
执行器包括自中心向外，沿所述平面放射状延伸的多个条形分支或者多个扇形分支。
19.根据权利要求3所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，
对于所述执行器的各个条形分支的多个延伸终点，其外接圆的直径占所述扬声器的直径的90％以上；
或者，所述执行器的各个扇形分支的面积之和占所述扬声器的平行于所述执行器方向的面积的80％以上。
20.根据权利要求1所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，负载盘和执行器的叠置是采用键合工艺实现。
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