CN115484533A - Mems压电扬声器 - Google Patents

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CN115484533A CN202110598457.7A CN202110598457A CN115484533A CN 115484533 A CN115484533 A CN 115484533A CN 202110598457 A CN202110598457 A CN 202110598457A CN 115484533 A CN115484533 A CN 115484533A
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Abstract

本申请公开一种MEMS压电扬声器，所述MEMS压电扬声器包括：中空的外壳，四周固定在所述外壳上的音膜，安装在所述外壳中的MEMS压电执行器，所述外壳、所述音膜与所述MEMS压电执行器之间形成有声腔；所述MEMS压电执行器设置有所述声腔的导流口，所述MEMS压电执行器以第一谐振频率工作时，所述导流口能在将气流吸入所述声腔的第一状态和将所述声腔的气流导出的第二状态之间进行切换，所述音膜能在导流口重复切换所述第一状态和第二状态预定次数时产生振动。本申请能将器件尺寸控制得更小、成本更低，可靠性更高。

Description

MEMS压电扬声器
技术领域
本申请涉及扬声器领域，尤其涉及一种MEMS压电扬声器。
背景技术
扬声器是一种将电学信号转换为声音信号的换能器件，微型扬声器现已大量应用在消费性电子产品中。MEMS扬声器为通过微电子和微机械加工技术制造出来的一类扬声器，由于使用了MEMS工艺，相较传统微型扬声器制备工艺，使其具有可批量生产、易集成、尺寸精度高且易控制、成本低等优点。MEMS扬声器从工作原理上一般分为三类：电磁式MEMS扬声器、静电式MEMS扬声器和压电式MEMS扬声器。其中MEMS压电扬声器结构简单、无需软磁等特殊材料，使得加工工艺及整合技术更为简单，故在实现轻薄化微型高性能扬声器方面有更大优势。
传统MEMS扬声器将MEMS执行器与音膜相连，使得音膜能借助于MEMS执行器产生振动形成声波，最终实现声音重放。然而，传统MEMS扬声器第一谐振频率(即固有频率)较高，导致低频性能不好，主要原因在于：MEMS执行器引入了额外的自身刚度，故相较于传统音圈式微型扬声器，器件的整体刚度更大。而器件的第一谐振频率与刚度的平方根成反比，故使用相同的音膜时，MEMS扬声器较传统微型扬声器第一谐振频率更高。若器件第一谐振频率高，会导致其低频性能不好，重放频带也会更窄，难以满足器件的音质需求。
一般的，在不改变器件输出声压级的情况下，降低器件的第一谐振频率可通过增加MEMS执行器的尺寸来实现，但是同时会增加器件成本。
同时，由于扬声器的工作频率需要覆盖人耳可听波段声音，故要求的工作频带较宽，这对于MEMS器件设计而言难度较大。此外，压电材料的低频性能较差，当器件工作在较低频率时，如200Hz，若需要输出一定的声压级，则需要音膜发生较大的纵向位移。相应的，则需要MEMS执行器产生较大的弯曲形变，故压电材料会承受更大的拉伸比。这对于陶瓷材料体系的压电材料而言是极为不利的，由于陶瓷抗压不抗拉，薄膜很容易产生裂纹，最终器件易发生失效。故在设计器件时，应尽量避免压电材料产生较大的拉应变。
因此，有必要提供一种改进的MEMS压电扬声器来解决上述问题。
发明内容
鉴于上述不足，本申请的一个目的是提供一种MEMS压电扬声器，能将器件尺寸控制得更小、成本更低，可靠性更高。
达到上述至少一个目的，本申请采用如下技术方案：
一种MEMS压电扬声器，所述MEMS压电扬声器包括：中空的外壳，四周固定在所述外壳上的音膜，安装在所述外壳中的MEMS压电执行器，所述外壳、所述音膜与所述MEMS压电执行器之间形成有声腔；所述MEMS压电执行器设置有所述声腔的导流口，所述MEMS压电执行器以第一谐振频率工作时，所述导流口能在将气流吸入所述声腔的第一状态和将所述声腔的气流导出的第二状态之间进行切换，所述音膜能在导流口重复切换所述第一状态和第二状态预定次数时产生振动。
作为一种优选的实施方式，所述MEMS压电执行器包括振膜，用于切换所述振膜弯曲方向的压电单元，在同一个周期内的一半周期中，所述压电单元的偏置电压为正值，所述振膜向第一方向弯曲并持续以所述第一谐振频率振动，在同一个周期内的另一半周期中，所述压电单元的偏置电压为负值，所述振膜向与所述第一方向相反的第二方向弯曲并持续以所述第一谐振频率振动。
作为一种优选的实施方式，所述振膜为至少一个悬臂梁结构或者呈相互连通的薄膜结构。
作为一种优选的实施方式，所述振膜具有相对的第一表面和第二表面，所述MEMS压电执行器还包括：依次设置在所述振膜第一表面的底电极、压电薄膜和顶电极，设置在所述振膜第二表面的衬底，所述压电薄膜通过逆压电效应能将电能转换为机械能，带动所述振膜振动。
作为一种优选的实施方式，所述压电单元的个数为多个，多个所述压电单元相并联。
作为一种优选的实施方式，所述MEMS压电执行器包括振膜，用于切换所述振膜弯曲方向的压电单元，所述振膜为悬臂梁结构。
作为一种优选的实施方式，所述MEMS压电扬声器还包括：至少两个单向挡阀，所述单向挡阀设置在所述导流口，所述单向挡阀中至少存在一组开闭状态相反的单向挡阀。
作为一种优选的实施方式，所述单向挡阀设置在所述外壳上，所述振膜具有相对第一表面和第二表面，所述第一表面上设置有衬底，所述第二表面上依次设置有底电极、压电薄膜和顶电极。
作为一种优选的实施方式，所述MEMS压电扬声器的内部充满了粘性的牛顿流体。
作为一种优选的实施方式，所述压电薄膜为多层结构。
有益效果：
本申请实施方式中所提供的MEMS压电扬声器，核心改进点在于提供一种全新的微泵原理式的MEMS压电执行器，该MEMS压电执行器工作时，主频保持不变，为器件的第一谐振频率，通常高于20kHz；同时叠加频率较低的需要输出的声学信号，使得扬声器装置处于“吐气”和“吸气”的交替状态，通过气流推动音膜产生振动，发出声音。一方面，本发明不需要将MEMS压电执行器的第一谐振频率设计得较低，故可以将器件尺寸控制得更小，使得器件成本更低；另一方面，由于工作原理的不同，本发明的MEMS压电执行器一直工作在高频状态，不需要压电薄膜产生很大的拉应力来产生低频声学信号，故器件的可靠性更高。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请第一实施方式中提供的一种设置有MEMS压电扬声器的结构示意图；
图2是本申请第一实施方式中提供的一种设置有MEMS压电扬声器的MEMS压电执行器的俯视图；
图3是本申请第一实施方式中提供的一种设置有MEMS压电扬声器的MEMS压电执行器的仰视图；
图4是本申请第一实施方式中提供的一种设置有MEMS压电扬声器处于吸气状态的示意图；
图5是本申请第一实施方式中提供的一种设置有MEMS压电扬声器处于吐气状态的示意图；
图6是本申请第二实施方式中提供的一种设置有MEMS压电扬声器的结构示意图；
图7是本申请第一实施方式中提供的一种设置有MEMS压电扬声器的MEMS压电执行器输入信号的示意图；
图8是本申请第一实施方式中提供的一种设置有MEMS压电扬声器中音膜位移随时间的变化曲线示意图。
附图标记说明：
1、MEMS压电执行器；10、导流口；11、振膜；12、底电极；13、压电薄膜；14、顶电极；
2、PCB板；
3、音膜；
4、外壳；
5、衬底；
6、声腔；
7、后腔；
8、单向挡阀。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
理论上，声压级(SPL：sound pressure lever,dB)与音膜的纵向位移之间的具体关系如下：
SPL＝20×log(P/Peff),P为声压，单位为Pa,Peff为人耳可感受到的空气中的最小声压(20μPa)。
其中，简谐平面波声压一般表达式：P＝Paej(ωt-kx)，Pa声压幅值，ω为角频率，k为波数；
Pa与其质点速度幅值va和位移幅值ξa有以下关系：
Pa＝vaρ0c0＝(jωξa)ρ0c0
ρ0为质点密度，c0为质点声速，即一般而言质点位移ξa越大，声压幅值Pa越大。
从上面的分析可知：音膜的纵向位移越大，则与音膜相接触的那层空气的质点初始纵向位移越大；相应的，其声压也会越大，故最终输出的声压级则更大。
与相关技术相比，本发明使用了一种微泵原理式的MEMS压电执行器，该MEMS压电执行器工作时，主频保持不变，为器件的第一谐振频率，通常高于20kHz；同时叠加频率较低的需要输出的声学信号，使得扬声器装置处于“吐气”和“吸气”的交替状态，通过气流推动音膜产生振动，发出声音。
一方面，本发明不需要将MEMS压电执行器的第一谐振频率设计得较低，故可以将器件尺寸控制得更小，使得器件成本更低；另一方面，由于工作原理的不同，本发明的MEMS压电执行器一直工作在高频状态，不需要压电薄膜产生很大的拉应力来产生低频声学信号，故器件的可靠性更高。
以下将结合具体的实施方式和附图详细说明该MEMS压电执行器及包含该MEMS压电执行器的MEMS压电扬声器。
请结合参阅图1至图6，本申请说明书中提供一种微泵原理式的MEMS压电扬声器，该MEMS压电扬声器主要包括：中空的外壳4，四周固定在所述外壳4上的音膜3，安装在所述外壳4中的MEMS压电执行器1。所述外壳4、所述音膜3与所述MEMS压电执行器1之间形成有声腔6。所述MEMS压电执行器1设置有所述声腔6的导流口10。
所述MEMS压电执行器1以第一谐振频率工作时，所述导流口10能在将气流吸入所述声腔6的第一状态和将所述声腔6的气流导出的第二状态之间进行切换，所述音膜3能在导流口10重复切换所述第一状态和第二状态预定次数时产生振动。
在本说明书的实施方式中，该MEMS压电扬声器主要包括：音膜3；外壳4；PCB板2；MEMS压电执行器1。
其中，该外壳4可以为中空的壳体结构。具体的，该外壳4的形状构造可以与其所具体应用的产品所能提供的安装尺寸相适配，对此，本申请在此并不作具体的限定。
该音膜3的四周固定在所述外壳4上。PCB板2，用于激励MEMS压电执行器1。MEMS压电执行器1，将电学信号转化为振动信号。MEMS压电执行器1安装在所述外壳4中。
所述外壳4、所述音膜3与所述MEMS压电执行器1之间形成有声腔6。所述MEMS压电执行器1设置有所述声腔6的导流口10，所述MEMS压电执行器1以第一谐振频率工作时，所述导流口10能在将气流吸入所述声腔6的第一状态和将所述声腔6的气流导出的第二状态之间进行切换，所述音膜3能在导流口10重复切换所述第一状态和第二状态预定次数时产生振动，达到类似向导流口10内“吸气”和“吐气”的切换效果，从而带动音膜3进行振动。
在本说明书中，该音膜3能够被所述MEMS压电执行器1驱动而相对于所述PCB板2沿着其厚度方向振动产生声波。音膜3可以通过气流的推动与“抽出”产生振动发出声音。整个工作过程类似“吹气球”，而MEMS压电执行器1则类似“吹气口”，通过高频振动不断进行“吸气”与“吐气”。
该MEMS执行器工作时，主频保持不变，为器件的第一谐振频率，通常高于20kHz，同时叠加频率较低的需要输出的声学信号。
在本说明书中，该MEMS压电扬声器的所需输出的声音信息为人耳可听声音，频率为：20Hz-20kHz。此处，主频为高频信号，频率大于20kHz,设置为器件的第一谐振频率，如前面所述，器件第一谐振频率越大，器件所需设计的尺寸越小。若不叠加该高频主频信号，则MEMS压电执行器1难以将更多的介质(气体或其他介质)吸入或吐出扬声器中，“吸气”及“吐气”的效率较低，难以实现器件上方音膜3的振动。本申请巧妙地利用了该高频信号，基于微泵原理将该多次的高频振动转换为音膜3的低频振动，发出声音，器件的设计空间更大；MEMS执行器无需较低的第一谐振频率，故尺寸更小，成本更低；MEMS执行器中压电薄膜13无需产生较大的拉应变，器件可靠性更高。
以下结合具体的实施例和附图详细说明该MEMS压电扬声器如何实现“吸气”与“吐气”的切换。
实施例一：
请结合参阅图1、图2、图3、图4、图5，通过设置偏置电压为正或为负，使得振膜11处于向上弯曲或向下弯曲状态，从而实现该切换。
所述MEMS压电执行器1可以包括：振膜11，用于切换所述振膜11弯曲方向的压电单元，在同一个周期内的半个周期中，所述压电单元的偏置电压为正值，所述振膜11向第一方向弯曲并持续以所述第一谐振频率振动，在同一个周期内的另一半周期中，所述压电单元的偏置电压为负值，所述振膜11向与所述第一方向相反的第二方向弯曲并持续以所述第一谐振频率振动。
具体的，所述振膜11具有相对的第一表面和第二表面。所述MEMS压电执行器1还可以包括：依次设置在所述振膜11第一表面的底电极12、压电薄膜13和顶电极14，设置在所述振膜11第二表面的衬底5，所述压电薄膜13通过逆压电效应能将电能转换为机械能，带动所述振膜11振动。
具体的，如图1所示，该MEMS压电扬声器可以包括：音膜3；外壳4；PCB板2，用于传递外部的电学信号；一个或多个MEMS压电执行器1。
MEMS压电执行器1可以包括：衬底5，其材质通常为硅，用于固定振膜11四周；后腔7，位于器件中间区域；导流口10(进气/出气口)，位于中间区域，可通过控制电学信号改变其孔径大小；振膜11，通常为Si、SiO2、Si3N4等无机物或PMMA、PI等有机物，为悬臂梁结构，或相互连通的薄膜，用于支撑压电薄膜13；底电极12，通常为Pt、Al、Mo等金属；压电薄膜13，通常为AlN、PZT、PVDF等材料，通过逆压电效应将电能转换为机械能，使其产生弯曲振动，有多个压电单元，结构上相互分离，电学上处于并联状态，其俯视图和仰视图如图2和图3所示；顶电极14，通常为Pt、Al、Mo等金属。
所述MEMS压电执行器1可通过偏置电压的正负控制其处于“吸气”或“吐气”状态，如图4与图5所示。压电单元的输入信号如图7所示，在上半周期时，压电单元的偏置电压为恒定的正值，振膜11向上弯曲，并同时发生高频振动，但不会超过中间平衡位置，使得气流从中间的进气口进入，MEMS压电执行器1处于“吸气”状态，音膜3受到充气气流影响，向上运动；在下半周期时，压电单元的偏置电压为恒定的负值，振膜11向下弯曲，并同时发生高频振动，但不会超过中间平衡位置，使得气流从中间的气孔跑出，MEMS压电执行器1处于“吐气”状态，音膜3受到充气气流影响，向下运动。“吸气”与“吸气”状态的切换与所需重放的声学信号相关。音膜3中心点的位移随时间的变化曲线如图8所示。
在一些实施方式中，输入信号可以直接为频率固定的高频正弦波和低频声学信号的叠加。
实施例二：
如图6所示，该MEMS压电扬声器可以包括：音膜3；外壳4；单向挡阀8；一个或多个MEMS压电执行器1。MEMS压电执行器1包括：衬底5，位于振膜11一侧；进气/出气口，位于中间区域，可通过控制电学信号改变其孔径大小；振膜11，通常为Si、SiO2、Si3N4等无机物或PMMA、PI等有机物，为悬臂梁结构；底电极12，通常为Pt、Al、Mo等金属；压电薄膜13，通常为AlN、PZT、PVDF等材料，通过逆压电效应将电能转换为机械能，使其产生弯曲振动；顶电极14，通常为Pt、Al、Mo等金属。
所述MEMS压电扬声器可控制不同挡阀处MEMS压电执行器1的开启与关闭，从而切换扬声器的“吸气”与“吐气”状态。如图6所示，当左边的MEMS执行器开启时，则扬声器处于“吸气”状态，当右边的MEMS执行器开启时，则扬声器处于“吐气”状态。
在本说明书中，该MEMS压电执行器1和音膜3之间分开放置形成有声腔6，通过气体或其他介质进行动能传递，功能上设置MEMS压电执行器1进行泵气(或其他介质)，音膜3振动向外辐射声波。
在一些实施方式中，扬声器内部充满了带粘性的牛顿流体，通过该牛顿流体推动音膜3运动，从而增强音膜3的输出声压级灵敏度。
在一些实施方式中，MEMS压电执行器1的外形可为圆形、正多边形或矩形，相对应的压电单元数量与边数量相等或为其倍数。
在一些实施方式中，压电薄膜13有多层，从而增强音膜3的输出声压级灵敏度。
本文引用的任何数值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (10)

1.一种MEMS压电扬声器，其特征在于，包括：中空的外壳，四周固定在所述外壳上的音膜，安装在所述外壳中的MEMS压电执行器，所述外壳、所述音膜与所述MEMS压电执行器之间形成有声腔；所述MEMS压电执行器设置有所述声腔的导流口，所述MEMS压电执行器以第一谐振频率工作时，所述导流口能在将气流吸入所述声腔的第一状态和将所述声腔的气流导出的第二状态之间进行切换，所述音膜能在导流口重复切换所述第一状态和第二状态预定次数时产生振动。
2.如权利要求1所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，所述MEMS压电执行器包括振膜，用于切换所述振膜弯曲方向的压电单元，在同一个周期内的一半周期中，所述压电单元的偏置电压为正值，所述振膜向第一方向弯曲并持续以所述第一谐振频率振动，在同一个周期内的另一半周期中，所述压电单元的偏置电压为负值，所述振膜向与所述第一方向相反的第二方向弯曲并持续以所述第一谐振频率振动。
3.如权利要求2所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，所述振膜为至少一个悬臂梁结构或者呈相互连通的薄膜结构。
4.如权利要求3所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，所述振膜具有相对的第一表面和第二表面，所述MEMS压电执行器还包括：依次设置在所述振膜第一表面的底电极、压电薄膜和顶电极，设置在所述振膜第二表面的衬底，所述压电薄膜通过逆压电效应能将电能转换为机械能，带动所述振膜振动。
5.如权利要求2所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，所述压电单元的个数为多个，多个所述压电单元相并联。
6.如权利要求1所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，所述MEMS压电执行器包括振膜，用于切换所述振膜弯曲方向的压电单元，所述振膜为悬臂梁结构。
7.如权利要求6所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，所述MEMS压电扬声器还包括：至少两个单向挡阀，所述单向挡阀设置在所述导流口，所述单向挡阀中至少存在一组开闭状态相反的单向挡阀。
8.如权利要求7所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，所述单向挡阀设置在所述外壳上，所述振膜具有相对第一表面和第二表面，所述第一表面上设置有衬底，所述第二表面上依次设置有底电极、压电薄膜和顶电极。
9.如权利要求1至8任一所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，所述MEMS压电扬声器的内部充满了粘性的牛顿流体。
10.如权利要求1至8任一所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，所述压电薄膜为多层结构。
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