CN113993050B - Mems扬声器单元、mems数字扬声器及电子终端 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及MEMS数字扬声器技术领域，尤其是涉及一种MEMS扬声器单元、MEMS数字扬声器及电子终端。MEMS扬声器单元包括：后腔、振膜和电极；振膜设置于后腔的一侧；电极设置于振膜朝向后腔的一侧，且电极与振膜之间具有设定间距；后腔的尺寸为目标尺寸，基于目标尺寸，在MEMS扬声器单元的额定电压下，振膜被驱动至目标位置，MEMS扬声器单元的谐振频率达到目标频率。MEMS数字扬声器包括至少一个所述的MEMS扬声器单元。电子终端包括：包括终端本体以及所述的MEMS数字扬声器，MEMS数字扬声器设置在终端本体上。本公开有利于使MEMS数字扬声器的声学性能满足需求。
Description
技术领域
本公开涉及MEMS数字扬声器技术领域，尤其是涉及一种MEMS扬声器单元、MEMS数字扬声器及电子终端。
背景技术
随着手机、电脑等智能电子设备的快速发展，在电子设备中作为发声部件的扬声器相应的需要具有微型化的形态，其使得数字扬声器的需求得到急速扩张，吸引了大批科研人员致力于提高数字扬声器的研究。数字扬声器很多设计原理与传统扬声器不同。而发明人发现数字扬声器的声学性能往往不能满足需求。
发明内容
本公开提供了一种MEMS扬声器单元、MEMS数字扬声器及电子终端，以解决发明人认识到的扬声器的声学性能不能满足需求的技术问题。
本公开提供了一种MEMS扬声器单元，其包括：
后腔；
振膜，所述振膜设置于所述后腔的一侧；以及
电极，所述电极设置于所述振膜朝向所述后腔的一侧，且所述电极与所述振膜之间具有设定间距；
其中，所述后腔的尺寸为目标尺寸，基于所述目标尺寸，在所述MEMS扬声器单元的额定电压下，所述振膜被驱动至目标位置，所述MEMS扬声器单元的谐振频率达到目标频率。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述的MEMS扬声器单元，其还包括：基底，所述后腔的至少部分结构形成于所述基底中；所述目标位置为所述振膜的最大振幅位置。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述基底具有开口；
所述电极设置在所述基底的一侧，所述电极与所述开口相对的位置处具有多个连通结构，所述连通结构被配置为使所述振膜与所述电极之间的空间与所述电极与所述开口的底部之间的空间相连通。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述振膜设置在所述电极背离所述基底的一侧，且所述振膜与所述电极之间还设置有介质结构；所述介质结构上开设有与所述开口大小相适应的通孔；
所述后腔被配置为主要由所述振膜朝向所述电极的一侧至所述开口的底部之间的结构形成，或所述后腔被配置为主要由所述电极背离所述振膜的一侧至所述开口的底部之间的结构形成。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述目标尺寸满足的条件为：所述后腔的高度不小于20μm。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述目标尺寸满足的条件为：所述后腔的横截面的长度的取值范围包括150μm-500μm。
在上述任一技术方案中，进一步地，
所述振膜包括固定段和驱动段，所述驱动段通过一体化成型的方式与所述固定段相连接，其中，
所述驱动段与所述基底的开口相对设置，所述固定段设置在所述介质结构上，所述驱动段的材质与所述固定段的材质相同，所述驱动段与所述固定段为一体式结构，所述驱动段的材质与所述固定段的材质相同。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述连通结构为连通孔或缝结构。
本公还提供了一种MEMS数字扬声器，其包括至少一个所述的MEMS扬声器单元。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述MEMS扬声器单元的数量为多个，多个所述MEMS扬声器单元阵列排布或线排布。
本公开还提供了一种电子终端，其包括：包括终端本体以及所述的MEMS数字扬声器，所述MEMS数字扬声器设置在所述终端本体上。
本公开的有益效果主要在于：
本公开提供的MEMS扬声器单元，其包括：后腔、振膜和电极；振膜设置于后腔的一侧；电极设置于振膜朝向后腔的一侧，且电极与振膜之间具有设定间距；后腔的尺寸为目标尺寸，基于目标尺寸，在MEMS扬声器单元的额定电压下，振膜被驱动至目标位置，MEMS扬声器单元的谐振频率达到目标频率。通过使MEMS扬声器单元的后腔尺寸为目标尺寸，在该目标尺寸下，MEMS扬声器单元的谐振频率达到目标频率，因此，MEMS扬声器单元的声压效果也可以到达目标声压效果，以使MEMS数字扬声器的声学性能满足需求。
本公还提供的MEMS数字扬声器，其包括至少一个所述的MEMS扬声器单元。基于上述分析可知，该MEMS数字扬声器有利于使MEMS数字扬声器的声学性能满足需求。
本公开还提供的电子终端，其包括：包括终端本体以及所述的MEMS数字扬声器，MEMS数字扬声器设置在终端本体上。基于上述分析可知，该电子终端有利于使MEMS数字扬声器的声学性能满足需求。
应当理解，前述的一般描述和接下来的具体实施方式两者均是为了举例和说明的目的并且未必限制本公开。并入并构成说明书的一部分的附图示出本公开的主题。同时，说明书和附图用来解释本公开的原理。
附图说明
为了更清楚地说明本公开具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了一个或多个实施例提供的一种MEMS数字扬声器的结构示意图；
图2示出了一个或多个实施例提供的一种MEMS扬声器单元的结构示意图；
图3示出了一个或多个实施例提供的一种MEMS数字扬声器后腔设计方法的步骤流程图；
图4示出了一个或多个实施例提供的一种静电式驱动力MEMS扬声器单元的结构示意图；
图5示出了一个或多个实施例提供的另一种MEMS扬声器单元的后腔设计方法的流程示意图；
图6示出了一个或多个实施例提供的一种不同后腔尺寸，MEMS扬声器单元的振膜运动过程中驱动力和弹性力对比图；
图7示出了一个或多个实施例提供的一种优化前后的两种后腔尺寸的MEMS数字扬声器，声压指向性的极坐标图。
图标：
10-MEMS扬声器单元；101-后腔；102-电极；103-振膜；104-基底；105-连接段；106-介质结构；107-连通结构；108-固定段；109-驱动段。
具体实施方式
下面将结合附图对本公开的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
参照图2所示，在一个或多个实施例中，提供的MEMS扬声器单元为像素扬声器单元；MEMS扬声器单元包括：后腔101、电极102和振膜103。振膜103设置在后腔101的一侧，电极102设置在振膜103的朝向后腔101的一侧，且电极102与振膜103间隔设置。电极102设置在振膜103的内侧，振膜103的内侧朝后腔101，电极位于振膜和后腔的腔底之间。后腔101的尺寸为目标尺寸。该目标尺寸可以根据MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力进行设定。且基于该目标尺寸，在额定电压下，MEMS扬声器单元的振膜103被驱动至目标位置，MEMS扬声器单元的谐振频率达到目标频率。在一些实施例中，目标位置为振膜的最大振幅位置，也即振膜的极限位置；电极与振膜之间具有设定间距，以使得电极与振膜间隔设置，对于设定距间距可以根据实现需要来确定。
可以理解，由于MEMS扬声器单元的后腔尺寸决定后腔的空气刚度，MEMS扬声器单元的空气刚度决定MEMS扬声器单元的谐振频率，MEMS扬声器单元的谐振频率影响MEMS扬声器单元的声压效果。因此，MEMS扬声器单元的后腔尺寸影响MEMS扬声器单元的声压效果。本公开中MEMS扬声器单元的后腔尺寸为目标尺寸，在该目标尺寸下，MEMS扬声器单元的谐振频率达到目标频率，因此，MEMS扬声器单元的声压效果也可以到达目标声压效果。
在实际中，根据MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力确定的目标尺寸，可以使得MEMS扬声器单元的声压效果达到目标声压效果。反向推导时，也可以理解为，根据MEMS扬声器单元需要到达的目标声压效果，设定MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力，从而确定出上述目标尺寸。
其中，上述目标声压效果可以根据实际的需求进行设定。可以理解，在设定了目标声压效果后，根据以上阐述，可以推导出目标频率和目标尺寸。
其次，当MEMS扬声器单元的谐振频率到达目标频率时，数字MEMS数字扬声器的时钟频率也得到了提升，从而可以增大数字声音重构的时间分辨率。
最后，本公开中MEMS扬声器单元的谐振频率为目标谐振频率，基于此，可以使MEMS扬声器单元的指向性更加显著，且可以减小MEMS数字扬声器中各个MEMS扬声器单元的干扰。
参照图2所示，在一些实施例中，MEMS扬声器单元还包括基底104，后腔101的至少部分结构形成在基底104中。
参照图2所示，基底104具有开口；电极102形成在基底104的一侧。其中，电极102与基底104的开口相对的位置处具有多个连通结构107。连通结构被配置为使振膜103与电极102之间的空间与电极102与开口的底部之间的空间相连通。该连通结构用于在振膜103的振动过程中，使后腔101中的空气流动。基底形成有凹陷，凹陷形成基底的开口。连通结构107还具有增加MEMS扬声器单元的阻尼的作用，使振膜快速恢复到初始的位置，有利于降低噪声。在一个实施例中，电极102上开设的连通结构107为连通孔，连通孔的形状可以圆孔、椭圆孔、径向截面为多边形的多边形孔或其他形状孔，连通孔还可以是长条孔。连通结构还可以是缝结构。
参照图2所示，振膜103形成在电极102背离基底104的一侧，且振膜103与电极102之间还形成有介质结构106。该介质结构106上开设有与基底101的开口大小相适应的通孔。该通孔可以作为后腔的一部分结构，该介质结构106用于使电极102与振膜103之间具有间隔。振膜与电极之间通过介质结构隔开，这样电极与振膜之间不会导电。
在一些实施例中，振膜103包括固定段108和驱动段109，驱动段通过连接段与固定段一体连接。在一个实施例中，驱动段与固定段通过一体化成型方式连接，一体化成型连接区域为连接段105。其中，驱动段与基底104的开口相对设置，固定段设置在介质结构上。在一个实施例中，固定段108与介质结构106的形状相匹配。
在一些实施例中，振膜103的固定段108的上方也可以设置有介质结构106。需要说明的是，在介质结构中可以嵌入金属导电线，以为电极和振膜通电。
上述驱动段与固定段为一体式结构，且驱动段与固定段采用相同的材料制备。
基于上述结构，作为一种实现方式，振膜103的朝向电极102的一侧至开口的底部之间的结构形成后腔101。
作为另一种示例，电极102背离振膜103的一侧至开口的底部之间的结构形成后腔101。
在一些实施例中，后腔101的横截面为圆形、椭圆形、多边形或其他形状。后腔的高度方向平行于由电极向振膜的方向，后腔的高度方向垂直于电极或振膜。后腔的高度方向与后腔的横截面相垂直。在一个实施例中，多边形为三角形、四边形或五边形等，四边形为矩形。
上述结构中，电极102、介质结构106以及振膜103的厚度之和远小于基底104的开口深度。故，本公开实施例对后腔的设定可以是振膜103朝向电极102的一侧至开口的底部之间的结构形成后腔101，也可以是电极102背离振膜103的一侧至开口的底部之间的结构形成后腔101。
在一种可能的实现方式中，上述目标尺寸满足的条件为：后腔的高度不小于20μm。由于后腔的尺寸为目标的尺寸，因此，后腔的尺寸满足的条件为：后腔的高度不小于20μm。在一些实施例中，后腔的高度大于20μm或后腔的高度等于20μm。此时，在后腔的高度满足设定条件，即：后腔的高度不小于20μm时，对后腔的横截面的长度和宽度此处不作具体限定，可根据实际需求进行设定。
在一些实施例中，例如：上述目标尺寸满足的条件为：后腔的高度为30μm；
例如：上述目标尺寸满足的条件为：后腔的高度为50μm；
例如：上述目标尺寸满足的条件为：后腔的高度为90μm。
在另一种可能的实现方式中，上述目标尺寸满足的条件为：后腔的横截面的长度范围包括150μm-500μm。此时，在后腔的横截面满足设定条件后，即：后腔的横截面的长度范围为150μm-500μm时，对后腔高度不作具体限定，可根据实际需求进行设定。
例如：上述目标尺寸满足的条件为：后腔的横截面的长度为150μm；
例如：上述目标尺寸满足的条件为：后腔的横截面的长度为350μm；
例如：上述目标尺寸满足的条件为：后腔的横截面的长度为500μm。
在本公开的至少一个实施例中，上述基底、电极、振膜以及介质结构的材质可以为现有技术中使用的材料，也可以根据实际需求进行设定。例如：基底为硅基底，振膜和电极的材质为多晶硅，介质结构的材质为二氧化硅。
在一个或多个实施例中，本公开提供的MEMS数字扬声器，其包括至少一个MEMS扬声器单元。MEMS数字扬声器使用的MEMS扬声器单元为至少一个实施例提供的MEMS扬声器单元。
参照图1，在一些实施例中，MEMS扬声器单元的数量为多个，多个MEMS扬声器单元10阵列排布。图1中示出的MEMS数字扬声器包括32*32个MEMS扬声器单元，在实际中，可根据需求设定MEMS数字扬声器中MEMS扬声器单元的个数，本公开实施例对此不作具体限定。MEMS数字扬声器是由N个MEMS扬声器单元构成的阵列发声器件。与传统MEMS数字扬声器模拟发声原理不同，其发声采用数字声音重构的方式实现。在构成的单个MEMS扬声器单元设计中，其很多设计原理与传统MEMS数字扬声器不同。N为正整数。在数字声音重构，每个MEMS扬声器单元能产生理想的声脉冲信号。通过控制芯片实现多个MEMS数字扬声器联立，重构出随时间变化的声波。
在一些其它实施例中，多个MEMS扬声器单元可以沿一直线或曲线的长度延伸方向间隔分布。需要说明的是，多个MEMS扬声器单元还根据实际的情况来分布，例如：排成圆形，椭圆形或多边形等。
在一个或多个实施例中，本公开提供的电子终端，其包括：包括终端本体以及至少一个实施例提供的MEMS数字扬声器，MEMS数字扬声器设置在终端本体上。
在一个或多个实施例中，本公开还提供了MEMS扬声器单元的后腔设计方法，应用于MEMS数字扬声器中每个MEMS扬声器单元中。
上述MEMS扬声器单元是组成MEMS数字扬声器的基本单元，其振膜可以被静电力或电动力激励，从而推动空气向外辐射声能，因此，每个MEMS扬声器单元均能形成一个独立的发声单元。图1以静电MEMS数字扬声器结构示意，包含振膜、电极、基体和后腔。本公开不限于何种驱动力方式的MEMS数字扬声器，如电磁、压电MEMS数字扬声器等。
本公开实施例通过对每个MEMS扬声器单元的后腔尺寸进行设计，以增大每个MEMS扬声器单元的声压效果。
参照图3，上述MEMS扬声器单元的后腔设计方法包括：
S101，设定MEMS扬声器单元的当前后腔尺寸。
其中，MEMS扬声器单元的当前后腔尺寸可以根据实际情况进行设定，设定的初始值可以为一个合适的尺寸值。
示例性的，上述MEMS扬声器单元的当前后腔尺寸可以为MEMS扬声器单元的当前后腔体积。
在实际中，MEMS扬声器单元的当前后腔体积由MEMS扬声器单元的当前高度和MEMS扬声器单元的当前横截面的面积决定。
S102，基于当前后腔尺寸，确定MEMS扬声器单元的弹性力和MEMS扬声器单元的驱动力。
在本公开实施例中，MEMS扬声器单元的弹性力包括：后腔的空气弹簧的弹性力以及振膜的支撑结构的弹性力。
在实际中，可根据MEMS扬声器单元的空气刚度计算后腔的空气弹簧的弹性力。其中，MEMS扬声器单元的空气刚度满足以下公式(1)：
上述Sd表示MEMS扬声器单元的振膜有效面积，Vair表示MEMS扬声器单元的后腔体积，C0为声音在空气中的传播速度；ρ0表示空气介质密度(Kg/m3)。
MEMS扬声器单元的空气部分的弹性力，与上述MEMS扬声器单元的空气刚度成正比。
其中，振膜的支撑结构弹性力取决于振膜和基底间具体的支撑连接结构和材料。具体的，振膜的支撑结构弹性力可以通过有限元仿真计算得到，本公开适用于任何支撑结构的设计。
在本公开实施例中，MEMS数字扬声器不限于任何驱动方式，具体可以包括静电驱动方式、电力驱动方式、压电驱动方式等。
示例性的，参照图4，当上述MEMS数字扬声器的驱动方式为静电式驱动方式时，MEMS扬声器单元的驱动力满足以下公式(2)：
其中，ε0表示绝对介电常数，εr表示相对介电常数，这里介质一般指空气，S表示振膜103的有效面积，U表示电极102与振膜103间的电压，d表示电极102与振膜103间的初始距离，x表示振膜103被电极吸附偏离平衡位置的距离其中，x<d。
S103、当MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值满足目标条件时，确定当前后腔尺寸为MEMS扬声器单元的后腔设计尺寸，基于后腔设计尺寸，在MEMS扬声器单元的额定电压下，MEMS扬声器单元的振膜被驱动至目标位置，MEMS扬声器单元的谐振频率达到最大值。
示例性的，上述目标条件为MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值大于第一数值，小于或等于第二数值。
在实际中，上述第一数值可根据MEMS扬声器单元的阻尼力结合经验进行确定，本公开实施例对此不作具体的限定。上述第二数值与第一数值之差小于预设数值。该预设数值为一个小量，也就是说，第二数值略大于第一数值。例如，第二数值为第一数值的1.1倍。
可以看出，在本公开实施例中，需要在MEMS扬声器单元的驱动力略大于MEMS扬声器单元的弹性力时，根据MEMS扬声器单元当前后腔尺寸确定MEMS扬声器单元的后腔设计尺寸。这是由于MEMS扬声器单元的后腔尺寸不能无限减小，否则会使MEMS扬声器单元的弹性力过大，驱动电压无法产生足够大的驱动力。进而MEMS扬声器单元的振膜无法在该驱动力的驱动下，达到最大振幅。
S104，当MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值不满足目标条件时，对当前后腔尺寸进行更新。
当MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值不满足目标条件时，对当前后腔尺寸进行更新。其中，对当前后腔尺寸进行更新包括增大当前后腔尺寸或者减小当前后腔尺寸。
示例性的，当MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值小于或等于第一数值时，增大MEMS扬声器单元的当前后腔尺寸，以对当前后腔尺寸进行更新。
当MEMS扬声器单元的当前后腔尺寸为MEMS扬声器单元的当前后腔体积时，增大MEMS扬声器单元的当前后腔尺寸，可以包括增大MEMS扬声器单元的当前高度，保持MEMS扬声器单元的当前横截面的面积不变。也可以包括保持MEMS扬声器单元的当前高度不变，增大MEMS扬声器单元的当前横截面的面积。
根据上述公式(1)可知，当MEMS扬声器单元的当前后腔体积增大时，MEMS扬声器单元的弹性力就会减小，进而，MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值就会增大，当MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值满足目标条件时，以当前后腔尺寸作为MEMS扬声器单元的后腔设计尺寸。
可以理解，当对MEMS扬声器单元的当前后腔体积增大一次后，MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值依旧不能满足目标条件时，继续对MEMS扬声器单元的当前后腔体积进行增大，直到当MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值满足目标条件。
示例性的，当MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值大于第二数值时，需要减小MEMS扬声器单元的当前后腔尺寸，以对当前后腔尺寸进行更新。
当MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值大于第二数值时，说明MEMS扬声器单元的驱动力较大，此时，为了满足MEMS扬声器单元的最大振幅，需要增大MEMS扬声器单元的弹性力，以减小MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值，直至MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值满足目标条件。
根据上述公式(1)可知，当MEMS扬声器单元的当前后腔体积减小时，MEMS扬声器单元的弹性力就会增大，进而，MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值就会减小，当MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值满足目标条件时，以当前后腔尺寸作为MEMS扬声器单元的后腔设计尺寸。
可以理解，如果当对MEMS扬声器单元的当前后腔减小一次后，MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值依旧不能满足目标条件时，继续对MEMS扬声器单元的当前后腔体积进行减小，直到当MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值满足目标条件。
减小所述MEMS扬声器单元的当前后腔尺寸，以对当前后腔尺寸进行更新包括：减小MEMS扬声器单元的当前高度，保持MEMS扬声器单元的当前横截面积不变，以减小MEMS扬声器单元的当前后腔体积，对当前后腔体积进行更新。
上述减小MEMS扬声器单元的当前高度包括：
按照每次减小第三数值的方式，对MEMS扬声器单元的当前高度进行减小；第三数值根据MEMS扬声器单元的当前高度确定。
示例性的，在具体的迭代过程中，按照每次减小MEMS扬声器单元的当前高度的1/2倍，对MEMS扬声器单元的当前后腔高度进行减小，直到当MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值满足目标条件。
所述减小所述MEMS扬声器单元的当前后腔尺寸，以对所述当前后腔尺寸进行更新还包括：
减小所述MEMS扬声器单元的当前横截面积，保持所述MEMS扬声器单元的当前后腔高度不变，以减小所述MEMS扬声器单元的当前后腔体积，对所述当前后腔体积进行更新。
基于以上分析，本公开实施例提供MEMS扬声器单元的后腔设计方法对MEMS数字扬声器中每个MEMS扬声器单元的后腔尺寸进行设计。具体的，基于MEMS扬声器单元的当前后腔尺寸，确定MEMS扬声器单元的弹性力。当MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值满足目标条件时，确定当前后腔尺寸为MEMS扬声器单元的后腔设计尺寸。当MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值不满足目标条件时，对当前后腔尺寸进行更新。
由于MEMS扬声器单元的后腔尺寸决定后腔的空气刚度，MEMS扬声器单元的空气刚度决定MEMS扬声器单元的谐振频率，谐振频率影响MEMS扬声器单元的声压效果。因此，MEMS扬声器单元的后腔尺寸影响MEMS扬声器单元的声压效果，可以通过对MEMS扬声器单元的后腔尺寸的设计，来达到增大MEMS扬声器单元的声压的效果。
其次，本公开通过对MEMS扬声器单元的后腔尺寸的设计，来增大MEMS扬声器单元的谐振频率，进而提高数字MEMS数字扬声器的时钟频率，从而增大数字声音重构的时间分辨率。
最后，本公开通过对MEMS扬声器单元的后腔尺寸的设计，来增大MEMS扬声器单元的谐振频率，可以使MEMS扬声器单元的指向性更加显著，且可以减小MEMS数字扬声器中各个MEMS扬声器单元件的干扰。
参照图5，本公开实施例还公开了一种MEMS扬声器单元的后腔设计方法，包括：设定MEMS扬声器单元的当前后腔尺寸。
其中，第一次设定的MEMS扬声器单元的当前后腔尺寸为MEMS扬声器单元的初始后腔尺寸Vin。后边在迭代过程中，设定MEMS扬声器单元的当前后腔尺寸包括对MEMS扬声器单元的当前后腔尺寸进行更新，更新后的MEMS扬声器单元的当前后腔尺寸为第i步迭代优化的后腔尺寸Vi。
S201，基于当前后腔尺寸，确定MEMS扬声器单元的弹性力和MEMS扬声器单元的驱动力。
在发明实施例中，MEMS扬声器单元的驱动力与单元的弹性力是与MEMS扬声器单元的振膜位置x相关的变量，上述描述中提到的驱动力和弹性力差值指代的是振膜位置变化过程中的最小量。可以理解为，驱动力需要在振膜运动过程中连续比弹性力大，从而振动到目标位置。
以下不做说明时，驱动力和弹性力差值均指代遍历振膜不同位置后，得到的驱动力和弹性力差值的最小量。
具体的，在遍历过程中，每次MEMS扬声器单元的振膜位置的增加量可以为MEMS扬声器单元振膜最大位移的1/18至1/22。
示例性的，利用总弹性力求解器，负责计算MEMS扬声器单元的振膜振动到Xi位置处的结构弹性力、空气后腔的弹性力叠加的总和弹性力F1(Xi)。
利用驱动力求解器，计算MEMS扬声器单元的振膜振动到Xi位置处的驱动力F2(Xi)。
S202，判断驱动力与弹性力的差值是否大于第一数值，小于或等于第二数值。
利用最小值存储器，存储MEMS扬声器单元的振膜振动到不同Xi位置时，驱动力减去弹性力最小值。即，Min(F2(Xi)-F1(Xi))。
循环遍历MEMS扬声器单元的振膜到不同的振动位置(0<Xi<X-max)时Min(F2(Xi)-F1(Xi))的值。其中，X-max为MEMS数字扬声器的振膜的最大位移，每次遍历时振膜位置的增量Δx建议取X-max的1/20。
S203，当驱动力与弹性力的差值大于第一数值，小于或等于第二数值时，确定当前后腔尺寸为MEMS扬声器单元的后腔设计尺寸。
当Y1<Min(F2(Xi)-F1(Xi))≤Y2时，则当前后腔尺寸为优化后的Vout。
其中，上述Y1为第一数值，需要根据系统的阻尼力和经验设定。
其中，上述Y2为第二数值，Y2为Y1加上一个设定小量。
S204，当驱动力与弹性力的差值小于或等于第一数值时，增大MEMS扬声器单元的当前后腔尺寸。
即当Min(F2(Xi)-F1(Xi))≤Y1时，则需要减小MEMS扬声器单元的总弹性力，可通过增大当前后腔尺寸Vi＝Vi+ΔV来实现。
S205、当驱动力与弹性力的差值大于第二数值时，减小MEMS扬声器单元的当前后腔尺寸。
当Min(F2(Xi)-F1(Xi))>Y2时，则需要减小后腔尺寸，Vi＝Vi-ΔV
其中，增量ΔV可以采用二分法设置(ΔV＝Vi/2)。
作为一种可能的实现方式，本公开实施例提供的MEMS扬声器单元的后腔设计方法还可以包括以下逆向设计思路：
第一步，为了提高单个MEMS扬声器单元产生的声压效果，通过设计具有不同大小后腔的MEMS扬声器单元，来增大MEMS扬声器单元的谐振频率fs，以达到增大声压效果。MEMS数字扬声器谐振频率的计算公式可以为：
其中，Kair为MEMS扬声器单元的后腔空气刚度，Km为MEMS扬声器单元的后腔的机械刚度，Mms为MEMS扬声器单元的后腔的振动质量。
第二步，对于谐振频率如何影响声压，可以参照圆形活塞半空间辐射公式：
其中：pe表示单MEMS扬声器单元产生的有效声压(Pa)；ρ0表示空气介质密度(Kg/m3)；S表示单MEMS扬声器单元的表面积(m2)；xd表示单MEMS扬声器单元振动空间距离，峰-谷位移值(m)；fs表示活塞的工作谐振频率(Hz)；r表示观察点到声源的距离(m)。
第三步，单MEMS扬声器单元后腔尺寸主要决定MEMS扬声器单元的空气刚度，MEMS扬声器单元的空气刚度公式近似为：
其中，Sd为振膜有效面积、Vair为后腔体积、C0为声音在空气中的传播速度。
通过以上公式可知，MEMS扬声器单元的空气刚度与MEMS扬声器单元后腔体积成反比。故减小MEMS扬声器单元的后腔尺寸，可以增大单个MEMS扬声器单元的空气刚度，进而增大MEMS扬声器单元的谐振频率。
第四步，逐步减小MEMS扬声器单元后腔尺寸，以增大单个MEMS扬声器单元谐振频率。
第五步，通过迭代设计MEMS扬声器单元的空气刚度，计算MEMS扬声器单元的弹性力。
第六步，计算MEMS扬声器单元的驱动力。
判断驱动力和弹性力差值是否满足目标条件，即：判断驱动力与弹性的差值是否大于第一数值，且小于或等于第二数值，当判断结果为否时，则返回第四步，继续减小后腔空气体积；当判断结果为是时，则输出上一迭代后的后腔空气尺寸，此时谐振频率最大，后腔尺寸达到最佳设计。
可以理解，MEMS扬声器单元的后腔体积不能无限减小，否则会导致MEMS扬声器单元刚度过大，驱动电压无法产生足够大的驱动力。即振膜在设计驱动力下，无法达到最大振幅。
示例性的，以静电力驱动方式驱动的MEMS扬声器单元为例，设驱动电压为60V。第一次设计，后腔腔体高度400μm，面积为220μm*220μm，通过驱动力和弹性力的关系判断所需的驱动电压为33V小于设计值。在60V驱动电压下，表明后腔空气体积还可以减小；进一步优化迭代结果如图4所示。图4为不同后腔尺寸，振膜运动过程中驱动力和弹性力说明。其中虚线为对应的MEMS扬声器单元总弹性力，小振幅下结构和空气部分弹性力基本为线性；实线为驱动力，这里包含驱动力和后腔尺寸设计耦合关系，如变横截面积时，举例为非耦合关系。
本公开实施例中的驱动力适用于任何方式，同时驱动电压也满足不同路径设计，图6仅以恒定电压为例。图6中，实线表示驱动力，虚线是静电力。
参照图6，当后腔体积较大时，如200μm高度，此时弹性力全程小于驱动力，振膜可以被驱动到目标位置。但此时，空气刚度较小，单个MEMS扬声器单元谐振频率低。无法满足最大声学性能输出。当后腔减小到33μm，此时运动中间段，驱动力小于弹性力，振膜从0位置运动到该段，无法被驱动到目标位置。只有当驱动力和弹性力差满足一定范围，此时性能最佳。从图6可以看出，最优的后腔尺寸在40μm-50μm附近。
表一
| 后腔空气 | 谐振频率 |
| 无限大后腔(裸结构) | 79kHz |
| 400μm*220μm*220μm后腔 | 89kHz |
| 40μm*220μm*220μm后腔 | 158kHz |
通过表一中的数据，可以判断最优的后腔空气高度为40μm-50μm。此时谐振频率较后腔空气高度为400μm时的谐振频率提升1倍左右。
再者，参照图7，MEMS扬声器单元的后腔体积优化后，可以减少MEMS扬声器单元间的干扰：增大MEMS扬声器单元的谐振频率后，MEMS扬声器单元的指向性更加显著，像素间的干扰也会减小。
最后，后腔体积优化后，显著增大了单个MEMS扬声器单元的声压响应。
声压提升
声压级提升η＝20log(ζ)＝9.8dB。
尽管在此结合各实施例对本公开进行了描述，然而，在实施所要求保护的本公开过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
尽管结合具体特征及其实施例对本公开进行了描述，显而易见的，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本公开的示例性说明，且视为已覆盖本公开范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本公开进行各种改动和变型而不脱离本公开的精神和范围。这样，倘若本公开的这些修改和变型属于本公开权利要求及其等同技术的范围之内，则本公开也意图包括这些改动和变型在内。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的范围。
Claims (11)
1.一种MEMS扬声器单元，其特征在于，包括：
后腔；
振膜，所述振膜设置于所述后腔的一侧；以及
电极，所述电极设置于所述振膜朝向所述后腔的一侧，且所述电极与所述振膜之间具有设定间距；
其中，所述后腔的尺寸为目标尺寸，所述目标尺寸根据MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力确定，且所述MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值满足目标条件，所述目标条件为MEMS扬声器单元的驱动力与MEMS扬声器单元的弹性力的差值大于第一数值，且小于或等于第二数值；基于所述目标尺寸，在所述MEMS扬声器单元的额定电压下，所述振膜被驱动至目标位置，所述MEMS扬声器单元的谐振频率达到目标频率。
2.根据权利要求1所述的MEMS扬声器单元，其特征在于，还包括：基底，所述后腔的至少部分结构形成于所述基底中；所述目标位置为所述振膜的最大振幅位置。
3.根据权利要求2所述的MEMS扬声器单元，其特征在于，所述基底具有开口；
所述电极设置在所述基底的一侧，所述电极与所述开口相对的位置处具有多个连通结构，所述连通结构被配置为使所述振膜与所述电极之间的空间与所述电极与所述开口的底部之间的空间相连通。
4.根据权利要求3所述的MEMS扬声器单元，其特征在于，所述振膜设置在所述电极背离所述基底的一侧，且所述振膜与所述电极之间还设置有介质结构；所述介质结构上开设有与所述开口大小相适应的通孔；
所述后腔被配置为主要由所述振膜朝向所述电极的一侧至所述开口的底部之间的结构形成，或所述后腔被配置为主要由所述电极背离所述振膜的一侧至所述开口的底部之间的结构形成。
5.根据权利要求1-4任一项所述的MEMS扬声器单元，其特征在于，所述目标尺寸满足的条件为：所述后腔的高度不小于20μm。
6.根据权利要求1-4任一项所述的MEMS扬声器单元，其特征在于，所述目标尺寸满足的条件为：所述后腔的横截面的长度的取值范围为150μm-500μm。
7.根据权利要求4所述的MEMS扬声器单元，其特征在于，所述振膜包括固定段和驱动段，所述驱动段通过一体化成型的方式与所述固定段相连接，其中，
所述驱动段与所述基底的开口相对设置，所述固定段设置在所述介质结构上，所述驱动段的材质与所述固定段的材质相同，所述驱动段与所述固定段为一体式结构，所述驱动段的材质与所述固定段的材质相同。
8.根据权利要求3所述的MEMS扬声器单元，其特征在于，所述连通结构为连通孔或缝结构。
9.一种MEMS数字扬声器，其特征在于，包括至少一个如权利要求1-8中任一项所述的MEMS扬声器单元。
10.根据权利要求9所述的MEMS数字扬声器，其特征在于，所述MEMS扬声器单元的数量为多个，多个所述MEMS扬声器单元阵列排布或线排布。
11.一种电子终端，其特征在于，包括：包括终端本体以及如权利要求9或10中所述的MEMS数字扬声器，所述MEMS数字扬声器设置在所述终端本体上。
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