CN113365196B - Mems扬声器及mems扬声器制造方法 - Google Patents

Mems扬声器及mems扬声器制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种MEMS扬声器，包括围成空腔的基底侧壁，基底侧壁包括相对设置的第一表面和第二表面，设置于所述基底侧壁的第一表面并且密闭所述空腔在所述第一表面的开口的发声组件以及设置于所述空腔内的支架，发声组件包括第一发声组件和第二发声组件，每个发声组件包括驱动部和柔性振膜，驱动部的固定端固定于支架，柔性振膜密闭相邻的驱动部的自由端之间形成的以及驱动部的自由端与基底侧壁之间形成的缝隙。本发明还提供了一种MEMS扬声器的制造方法。本发明提供的MEMS扬声器具有优质的声学性能。

Description

MEMS扬声器及MEMS扬声器制造方法
【技术领域】
本发明涉及电声换能器技术领域，尤其涉及MEMS扬声器及MEMS扬声器制造方法。
【背景技术】
相关技术的MEMS扬声器，其驱动器的自由端存在的空气隙会导致声泄露，即使在自由端的对侧添加挡板，声泄露依然存在。此时，发声结构上下表面反相的声波会产生声短路现象，从而导致声压输出严重降低。
因此，实有必要提供一种新的MEMS扬声器以解决上述技术问题。
【发明内容】
本发明为了解决上述技术问题，提供了一种MEMS扬声器，包括围成空腔的基底侧壁，所述基底侧壁包括相对设置的第一表面和第二表面，所述MEMS扬声器还包括设置于所述基底侧壁的第一表面并且密闭所述空腔在所述第一表面的开口的发声组件以及设置于所述空腔内的环形支架，所述发声组件包括位于所述基底侧壁和所述环形支架之间的第一发声组件和位于所述环形支架内侧的第二发声组件，所述第一发声组件包括若干第一驱动部，每个所述第一驱动部包括固定于所述环形支架的第一固定端和与所述第一固定端连接的向靠近所述基底侧壁的方向延伸的第一自由端，所述第一自由端与所述基底侧壁之间具有第一缝隙，相邻的两个所述第一驱动部的所述第一自由端之间具有第二缝隙，所述第一发声组件还包括连接所述基底侧壁和所述第一自由端并且密闭所述第一缝隙的第一柔性振膜以及连接相邻的两个所述第一驱动部的所述第一自由端并且密闭所述第二缝隙的第二柔性振膜，所述第二发声组件包括若干第二驱动部，每个所述第二驱动部包括固定于所述环形支架的第二固定端和与所述第二固定端连接的向远离所述基底侧壁的方向延伸的第二自由端，相邻的两个所述第二驱动部的所述第二自由端之间具有第三缝隙，所述第二发声组件还包括连接相邻的两个所述第二驱动部的所述第二自由端并且密闭所述第三缝隙的第三柔性振膜。
作为一种改进，所述第一柔性振膜和所述第二柔性振膜一体设置。
作为一种改进，所述第一柔性振膜和/或所述第二柔性振膜和/或所述第三柔性振膜的形状包括平面形、拱形、梯形、方形和折线形的其中至少一种。
作为一种改进，所述MEMS扬声器还包括设置于所述空腔内的连接所述基底侧壁和所述环形支架的连接壁，所述连接壁与所述第二缝隙对齐设置。
作为一种改进，所述第一驱动部的刚度大于所述第一柔性振膜的刚度，所述第一驱动部的刚度大于所述第二柔性振膜的刚度，所述第二驱动部的刚度大于所述第三柔性振膜的刚度。
作为一种改进，所述第一驱动部和/或所述第二驱动部包括悬臂梁和贴附于所述悬臂梁上的压电驱动器。
本发明还提供了又一种MEMS扬声器，包括围成空腔的基底侧壁，所述基底侧壁包括相对设置的第一表面和第二表面，所述MEMS扬声器还包括设置于所述基底侧壁的第一表面并且密闭所述空腔在所述第一表面的开口的发声组件以及设置于所述空腔内并且连接于所述基底侧壁的支架，所述基底侧壁包括位于所述支架的一侧的第一侧壁段和位于所述支架的另一侧的第二侧壁段，所述发声组件包括位于所述支架的一侧的第一发声组件和位于所述支架的另一侧的第二发声组件，所述第一发声组件包括第一驱动部，所述第一驱动部包括固定于所述支架的第一固定端和与所述第一固定端连接的向远离所述支架的方向延伸的第一自由端，所述第一自由端与所述第一侧壁段之间具有第一缝隙，所述第一发声组件还包括连接所述第一侧壁段和所述第一自由端并且密闭所述第一缝隙的第一柔性振膜，所述第二发声组件包括第二驱动部，所述第二驱动部包括固定于所述支架的第二固定端和与所述第二固定端连接的向远离所述支架的方向延伸的第二自由端，所述第二自由端与所述第二侧壁段之间具有第二缝隙，所述第二发声组件还包括连接所述第二侧壁段和所述第二自由端并且密闭所述第二缝隙的第二柔性振膜。
作为一种改进，所述第一柔性振膜和所述第二柔性振膜一体设置。
作为一种改进，所述第一柔性振膜和/或所述第二柔性振膜的形状包括平面形、拱形、梯形、方形和折线形的其中至少一种。
作为一种改进，所述第一驱动部的刚度大于所述第一柔性振膜的刚度，所述第二驱动部的刚度大于所述第二柔性振膜的刚度。
作为一种改进，所述第一驱动部和/或所述第二驱动部包括悬臂梁和贴附于所述悬臂梁上的压电驱动器。
本发明还提供了一种MEMS扬声器的制造方法，该方法包括如下步骤：
提供SOI晶圆，所述SOI晶圆包括依次层叠的第一硅层、氧化硅层和第二硅层；
在所述第二硅层上沉积第一电极层；
在所述第一电极层上沉积压电材料层；
在所述压电材料层上沉积第二电极层；
刻蚀所述第二电极层、所述压电材料层和所述第一电极层，以形成压电驱动器结构；
刻蚀所述第二硅层以形成结构层，所述结构层包括与所述压电驱动器结构一一对应的悬臂梁结构；
在所述结构层和所述压电驱动器结构上沉积柔性振膜层；
刻蚀所述柔性振膜层以形成柔性振膜；
刻蚀所述第一硅层以形成基底侧壁和支架，所述基底侧壁围成空腔，所述支架设置于所述空腔内；
释放所述氧化硅层。
本发明还提供了又一种MEMS扬声器的制造方法，该方法包括如下步骤：
提供SOI晶圆，所述SOI晶圆包括依次层叠的第一硅层、氧化硅层和第二硅层；
在所述第二硅层上沉积第一电极层；
在所述第一电极层上沉积压电材料层；
在所述压电材料层上沉积第二电极层；
刻蚀所述第二电极层、所述压电材料层和所述第一电极层，以形成压电驱动器结构；
刻蚀所述第二硅层以形成结构层，所述结构层包括与所述压电驱动器结构一一对应的悬臂梁结构；
在所述结构层和所述压电驱动器结构上沉积牺牲层；
刻蚀所述牺牲层，剩余的牺牲层用于塑形后续形成的柔性振膜；
在所述结构层、所述压电驱动器结构和剩余的牺牲层上沉积柔性振膜层；
刻蚀所述柔性振膜层以形成柔性振膜；
刻蚀所述第一硅层以形成基底侧壁和支架，所述基底侧壁围成空腔，所述支架设置于所述空腔内；
释放所述氧化硅层和剩余的牺牲层。
本发明的有益效果在于：发声组件密闭了空腔在第一表面的开口，杜绝了声压泄露和上下表面的声短路效应，使音频输出效果最大化；发声组件的驱动部和柔性振膜可以保证既有较大的力传输又可形成较大的位移，从而达到高水平的声压输出；第一发声组件和第二发声组件可以分别负责高频信号和低频信号，通过分频处理后，可以让低音更饱满有力，高音更清脆响亮，第一发声组件和第二发声组件的驱动部的固定端都固定于支架上，避免了级联结构的相互串扰，使谐波失真效应下降到最低。
【附图说明】
图1为本发明提供的第一实施例的MEMS扬声器的立体图；
图2为本发明提供的第一实施例的MEMS扬声器去除第一柔性振膜、第二柔性振膜和第三柔性振膜的主视图；
图3为本发明提供的第一实施例的MEMS扬声器另一视角的立体图；
图4为本发明提供的第一实施例的MEMS扬声器的剖视图；
图5为本发明提供的第二实施例的MEMS扬声器的立体图；
图6为本发明提供的第二实施例的MEMS扬声器去除第一柔性振膜和第二柔性振膜的主视图；
图7为本发明提供的第二实施例的MEMS扬声器另一视角的立体图；
图8为本发明提供的第二实施例的MEMS扬声器的剖视图；
图9至图20为本发明提供的MEMS扬声器的制造方法的流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1至图4所示，为本发明提供的第一实施例的MEMS扬声器1，包括围成空腔10的基底侧壁11，所述基底侧壁11包括相对设置的第一表面11a和第二表面11b。
所述MEMS扬声器1还包括设置于所述基底侧壁11的第一表面11a并且密闭所述空腔10在所述第一表面11a的开口的发声组件12以及设置于所述空腔10内的环形支架13。
所述发声组件12包括位于所述基底侧壁11和所述环形支架13之间的第一发声组件121和位于所述环形支架13内侧的第二发声组件122。
所述第一发声组件121包括若干第一驱动部1211，每个所述第一驱动部1211包括固定于所述环形支架13的第一固定端1211a和与所述第一固定端1211a连接的向靠近所述基底侧壁11的方向延伸的第一自由端1211b，所述第一自由端1211b与所述基底侧壁11之间具有第一缝隙141，相邻的两个所述第一驱动部1211的所述第一自由端1211b之间具有第二缝隙142，所述第一发声组件121还包括连接所述基底侧壁11和所述第一自由端1211b并且密闭所述第一缝隙141的第一柔性振膜1212以及连接相邻的两个所述第一驱动部1211的所述第一自由端1211b并且密闭所述第二缝隙142的第二柔性振膜1213。优选的，所述第一柔性振膜1212和所述第二柔性振膜1213一体设置。
所述第二发声组件122包括若干第二驱动部1221，每个所述第二驱动部1221包括固定于所述环形支架13的第二固定端1221a和与所述第二固定端1221a连接的向远离所述基底侧壁11的方向延伸的第二自由端1221b，相邻的两个所述第二驱动部1221的所述第二自由端1221b之间具有第三缝隙143，所述第二发声组件122还包括连接相邻的两个所述第二驱动部1221的所述第二自由端1221b并且密闭所述第三缝隙143的第三柔性振膜1222。
所述第一柔性振膜1212、所述第二柔性振膜1213以及所述第三柔性振膜1222的形状包括平面形、拱形、梯形、方形和折线形的其中至少一种。
所述MEMS扬声器1还包括设置于所述空腔10内的连接所述基底侧壁11和所述环形支架13的连接壁15，所述连接壁15与所述第二缝隙142对齐设置。当然，所述环形支架13设置于所述空腔10内的方式不局限于上述通过连接壁的形式，在其他实施方式中也可以不设置连接壁，所述环形支架13通过额外的组件(如印刷电路板)固定从而设置于所述空腔10内。
所述第一驱动部1211的刚度大于所述第一柔性振膜1212的刚度，所述第一驱动部1211的刚度大于所述第二柔性振膜1213的刚度，所述第二驱动部1221的刚度大于所述第三柔性振膜1222的刚度。
在本实施例中，所述第一驱动部1211以及所述第二驱动部1221包括悬臂梁161和贴附于所述悬臂梁161上的压电驱动器162。当然，驱动的方式不局限于上述的压电驱动方式，在其他实施方式中也可以采用静电驱动方式。
如图5至图8所示，为本发明提供的第二实施例的MEMS扬声器2，包括围成空腔20的基底侧壁21，所述基底侧壁21包括相对设置的第一表面21a和第二表面21b。
所述MEMS扬声器2还包括设置于所述基底侧壁21的第一表面21a并且密闭所述空腔20在所述第一表面21a的开口的发声组件22以及设置于所述空腔20内并且连接于所述基底侧壁21的支架23。
所述基底侧壁21包括位于所述支架23的一侧的第一侧壁段211和位于所述支架23的另一侧的第二侧壁段212。
所述发声组件22包括位于所述支架23的一侧的第一发声组件221和位于所述支架23的另一侧的第二发声组件222。
所述第一发声组件221包括第一驱动部2211，所述第一驱动部2211包括固定于所述支架23的第一固定端2211a和与所述第一固定端2211a连接的向远离所述支架23的方向延伸的第一自由端2211b，所述第一自由端2211b与所述第一侧壁段211之间具有第一缝隙241，所述第一发声组件221还包括连接所述第一侧壁段211和所述第一自由端2211b并且密闭所述第一缝隙241的第一柔性振膜2212。
所述第二发声组件222包括第二驱动部2221，所述第二驱动部2221包括固定于所述支架23的第二固定端2221a和与所述第二固定端2221a连接的向远离所述支架23的方向延伸的第二自由端2221b，所述第二自由端2221b与所述第二侧壁段212之间具有第二缝隙242，所述第二发声组件222还包括连接所述第二侧壁段212和所述第二自由端2221b并且密闭所述第二缝隙242的第二柔性振膜2222。优选的，所述第一柔性振膜2212和所述第二柔性振膜2222一体设置。
所述第一柔性振膜2212以及所述第二柔性振膜2222的形状包括平面形、拱形、梯形、方形和折线形的其中至少一种。
所述第一驱动部2211的刚度大于所述第一柔性振膜2212的刚度，所述第二驱动部2221的刚度大于所述第二柔性振膜2222的刚度。
在本实施例中，所述第一驱动部2211以及所述第二驱动部2221包括悬臂梁251和贴附于所述悬臂梁251上的压电驱动器252。当然，驱动的方式不局限于上述的压电驱动方式，在其他实施方式中也可以采用静电驱动方式。
本发明提供的MEMS扬声器的发声组件密闭了空腔在第一表面的开口，杜绝了声压泄露和上下表面的声短路效应，使音频输出效果最大化；发声组件的驱动部和柔性振膜可以保证既有较大的力传输又可形成较大的位移，从而达到高水平的声压输出；第一发声组件和第二发声组件可以分别负责高频信号和低频信号，通过分频处理后，可以让低音更饱满有力，高音更清脆响亮，第一发声组件和第二发声组件的驱动部的固定端都固定于支架上，避免了级联结构的相互串扰，使谐波失真效应下降到最低。
如图9至图20所示，为本发明提供的MEMS扬声器的制造方法，该方法包括如下步骤：
如图9所示，提供SOI晶圆，所述SOI晶圆包括依次层叠的第一硅层31、氧化硅层32和第二硅层33；
如图10所示，在所述第二硅层33上沉积第一电极层34；
如图11所示，在所述第一电极层34上沉积压电材料层35；
如图12所示，在所述压电材料层35上沉积第二电极层36；
如图13所示，刻蚀所述第二电极层36、所述压电材料层35和所述第一电极层34，以形成压电驱动器结构3456；
如图14所示，刻蚀所述第二硅层33以形成结构层331，所述结构层331包括与所述压电驱动器结构3456一一对应的悬臂梁结构3311；
如图15所示，在所述结构层331和所述压电驱动器结构3456上沉积牺牲层37；
如图16所示，刻蚀所述牺牲层37，剩余的牺牲层371用于塑形后续形成的柔性振膜；
如图17所示，在所述结构层331、所述压电驱动器结构3456和剩余的牺牲层371上沉积柔性振膜层38；
如图18所示，刻蚀所述柔性振膜层38以形成柔性振膜381；
如图19所示，刻蚀所述第一硅层31以形成基底侧壁311和支架312，所述基底侧壁311围成空腔310，所述支架312设置于所述空腔310内；
如图20所示，释放所述氧化硅层32和剩余的牺牲层371。
需要说明的是，从结构角度上理解，基底侧壁除了由第一硅层刻蚀剩余的部分，还可以包括氧化硅层和第二硅层对应的部分；支架除了由第一硅层刻蚀剩余的部分，还可以包括氧化硅层对应的部分，第二硅层对应的部分形成悬臂梁结构(自由端)固定于支架的固定端。
上述方法成型的柔性振膜可以为拱形、梯形、方形和折线形等非平面形的形状，当柔性振膜为平面形时，可以省略上述图15和图16所示的步骤，直接在所述结构层和所述压电驱动器结构上沉积柔性振膜层。
以上所述的仅是本发明的较佳实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种MEMS扬声器，包括围成空腔的基底侧壁，所述基底侧壁包括相对设置的第一表面和第二表面，其特征在于，所述MEMS扬声器还包括设置于所述基底侧壁的第一表面并且密闭所述空腔在所述第一表面的开口的发声组件、设置于所述空腔内的环形支架以及设置于所述空腔内的连接所述基底侧壁和所述环形支架的连接壁，所述发声组件包括位于所述基底侧壁和所述环形支架之间的第一发声组件和位于所述环形支架内侧的第二发声组件，所述第一发声组件包括若干第一驱动部，每个所述第一驱动部包括固定于所述环形支架的第一固定端和与所述第一固定端连接的向靠近所述基底侧壁的方向延伸的第一自由端，所述第一自由端与所述基底侧壁之间具有第一缝隙，相邻的两个所述第一驱动部的所述第一自由端之间具有第二缝隙，所述第一发声组件还包括连接所述基底侧壁和所述第一自由端并且密闭所述第一缝隙的第一柔性振膜以及连接相邻的两个所述第一驱动部的所述第一自由端并且密闭所述第二缝隙的第二柔性振膜，所述第二发声组件包括若干第二驱动部，每个所述第二驱动部包括固定于所述环形支架的第二固定端和与所述第二固定端连接的向远离所述基底侧壁的方向延伸的第二自由端，相邻的两个所述第二驱动部的所述第二自由端之间具有第三缝隙，所述第二发声组件还包括连接相邻的两个所述第二驱动部的所述第二自由端并且密闭所述第三缝隙的第三柔性振膜。
2.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述第一柔性振膜和所述第二柔性振膜一体设置。
3.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述第一柔性振膜和/或所述第二柔性振膜和/或所述第三柔性振膜的形状包括平面形、拱形、梯形、方形和折线形的其中至少一种。
4.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述连接壁与所述第二缝隙对齐设置。
5.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述第一驱动部的刚度大于所述第一柔性振膜的刚度，所述第一驱动部的刚度大于所述第二柔性振膜的刚度，所述第二驱动部的刚度大于所述第三柔性振膜的刚度。
6.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述第一驱动部和/或所述第二驱动部包括悬臂梁和贴附于所述悬臂梁上的压电驱动器。
7.一种MEMS扬声器，包括围成空腔的基底侧壁，所述基底侧壁包括相对设置的第一表面和第二表面，其特征在于，所述MEMS扬声器还包括设置于所述基底侧壁的第一表面并且密闭所述空腔在所述第一表面的开口的发声组件以及设置于所述空腔内并且连接于所述基底侧壁的支架，所述基底侧壁包括位于所述支架的一侧的第一侧壁段和位于所述支架的另一侧的第二侧壁段，所述发声组件包括位于所述支架的一侧的第一发声组件和位于所述支架的另一侧的第二发声组件，所述第一发声组件包括第一驱动部，所述第一驱动部包括固定于所述支架的第一固定端和与所述第一固定端连接的向远离所述支架的方向延伸的第一自由端，所述第一自由端与所述第一侧壁段之间具有第一缝隙，所述第一发声组件还包括连接所述第一侧壁段和所述第一自由端并且密闭所述第一缝隙的第一柔性振膜，所述第二发声组件包括第二驱动部，所述第二驱动部包括固定于所述支架的第二固定端和与所述第二固定端连接的向远离所述支架的方向延伸的第二自由端，所述第二自由端与所述第二侧壁段之间具有第二缝隙，所述第二发声组件还包括连接所述第二侧壁段和所述第二自由端并且密闭所述第二缝隙的第二柔性振膜。
8.根据权利要求7所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述第一柔性振膜和所述第二柔性振膜一体设置。
9.根据权利要求7所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述第一柔性振膜和/或所述第二柔性振膜的形状包括平面形、拱形、梯形、方形和折线形的其中至少一种。
10.根据权利要求7所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述第一驱动部的刚度大于所述第一柔性振膜的刚度，所述第二驱动部的刚度大于所述第二柔性振膜的刚度。
11.根据权利要求7所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述第一驱动部和/或所述第二驱动部包括悬臂梁和贴附于所述悬臂梁上的压电驱动器。
12.一种应用于权利要求1-11任一项所述的MEMS扬声器的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
提供SOI晶圆，所述SOI晶圆包括依次层叠的第一硅层、氧化硅层和第二硅层；
在所述第二硅层上沉积第一电极层；
在所述第一电极层上沉积压电材料层；
在所述压电材料层上沉积第二电极层；
刻蚀所述第二电极层、所述压电材料层和所述第一电极层，以形成压电驱动器结构；
刻蚀所述第二硅层以形成结构层，所述结构层包括与所述压电驱动器结构一一对应的悬臂梁结构；
在所述结构层和所述压电驱动器结构上沉积柔性振膜层；
刻蚀所述柔性振膜层以形成柔性振膜；
刻蚀所述第一硅层以形成基底侧壁和与所述基底侧壁连接的支架，所述基底侧壁围成空腔，所述支架设置于所述空腔内；
释放所述氧化硅层。
13.一种应用于权利要求1-11任一项所述的MEMS扬声器的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
提供SOI晶圆，所述SOI晶圆包括依次层叠的第一硅层、氧化硅层和第二硅层；
在所述第二硅层上沉积第一电极层；
在所述第一电极层上沉积压电材料层；
在所述压电材料层上沉积第二电极层；
刻蚀所述第二电极层、所述压电材料层和所述第一电极层，以形成压电驱动器结构；
刻蚀所述第二硅层以形成结构层，所述结构层包括与所述压电驱动器结构一一对应的悬臂梁结构；
在所述结构层和所述压电驱动器结构上沉积牺牲层；
刻蚀所述牺牲层，剩余的牺牲层用于塑形后续形成的柔性振膜；
在所述结构层、所述压电驱动器结构和剩余的牺牲层上沉积柔性振膜层；
刻蚀所述柔性振膜层以形成柔性振膜；
刻蚀所述第一硅层以形成基底侧壁和与所述基底侧壁连接的支架，所述基底侧壁围成空腔，所述支架设置于所述空腔内；
释放所述氧化硅层和剩余的牺牲层。
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