CN116320941A - 一种像素发声单元及其制造方法、数字发声芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种像素发声单元及其制造方法、数字发声芯片，涉及数字发声芯片技术领域，以解决背腔压力泄露的问题。所述像素发声单元包括依次层叠的基底、电极板、介质层以及振动板，电极板与基底之间形成有空气后腔，电极板与振动板之间存在间隙，电极板上设置有用于连通空气后腔和间隙的通孔，振动板包括由外至内依次相连的固定部、悬臂和振膜，电极板与振膜之间的间距小于悬臂的厚度。所述数字发声芯片包括上述技术方案所提的像素发声单元，所述像素发声单元的制造方法包括上述技术方案所提的像素发声单元。

Description

一种像素发声单元及其制造方法、数字发声芯片
技术领域
本发明涉及数字发声芯片技术领域，尤其涉及一种像素发声单元及其制造方法、数字发声芯片。
背景技术
扬声器是一种能够把电信号转换为声信号的换能器件。扬声器是制作音响、声学有源降噪设备等的基础，因此，扬声器的性能对声学设备的制作具有关键性的影响。MEMS扬声器(Micro Electro Mechanical System)，即微电机系统扬声器，其相对传统的音圈式扬声器具有一致性好、功耗低、尺寸小、价格低等优势。
目前常用的MEMS扬声器包括依次层叠的基底、电极板和振膜，电极板和基底之间形成有空气背腔，采用这种结构，电极板通电时可以驱动振膜运动实现模拟发声，但是，振膜运动时，电极板和基底之间的空气背腔容易发生压力泄露，影响扬声器的发声效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种像素发声单元及其制造方法、数字发声芯片，以避免背腔压力泄露，提高像素发声单元的发声效果。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种像素发声单元，包括依次层叠的基底、电极板、介质层以及振动板，电极板与基底之间形成有空气后腔，电极板与振动板之间存在间隙，电极板上设置有用于连通空气后腔和间隙的通孔，振动板包括由外至内依次相连的固定部、悬臂和振膜，电极板与振膜之间的间距小于悬臂的厚度。
采用上述技术方案的情况下，像素发声单元包括依次层叠的基底、电极板、介质层以及振动板，电极板可以与振动板形成平板电容，使得振膜能够在电极板与振动板所形成的电场的作用下发生振动；电极板与基底之间形成有空气后腔，使得振膜能够运动推动空气以实现模拟发声；振动板包括由外至内依次相连的固定部、悬臂和振膜，使得振膜可以在悬臂的弹性作用下进行往复运动实现发声；采用上述结构，当电极板与振膜之间的间距小于悬臂的厚度时，振膜朝向振动板一侧的振幅小于悬臂的厚度，能够避免振膜吸附运动中背腔压力泄漏，从而可以提高像素发声单元的发声效果。
在一些可能的实现方式中，电极板与振膜之间的间距与悬臂的厚度之间的大小关系满足：
h0<kt2
其中，h0为电极板与振膜之间的间距，t2为悬臂的厚度，k为比例因子，k的范围为0.3～1。如此设置，优化电极板与振膜之间的间距与悬臂的厚度之间的比例关系，避免振膜吸附运动中背腔压力泄漏。
在一些可能的实现方式中，振膜上远离电极板的一侧设置有内凹结构，内凹结构位于振膜的中部。如此设置，能够减小振膜的质量，提高像素发声单元的声压级。
在一些可能的实现方式中，振动板上开设有围设排布的至少两条悬臂缝，至少两条悬臂缝将振动板分割为固定部、悬臂和振膜，振膜和固定部通过悬臂弹性连接；
悬臂缝的宽度为0.2μm～4μm。如此设置，优化悬臂缝的宽度，避免空气后腔的压力从悬臂缝泄露出去，提高像素发声单元的发声效果。
在一些可能的实现方式中，电极板与振膜之间的间距为0.5μm～50μm。如此设置，优化电极板与振膜之间的间距，进一步避免空气后腔的压力从悬臂缝泄露出去，提高像素发声单元的发声效果。
在一些可能的实现方式中，振膜的跨度为50μm～5000μm。如此设置，优化振膜的尺寸，提高振膜的振动效果。
在一些可能的实现方式中，振膜的厚度小于30μm。如此设置，优化振膜的尺寸，提高振膜的振动效果。
在一些可能的实现方式中，通孔的孔径为1μm～10μm，通孔的孔长为2μm～100μm。如此设置，优化通孔的尺寸，空气通过通孔的壁面后能够产生阻尼，从而能够实现振动系统的阻尼效果，提高像素发声单元的发声效果。
第二方面，本发明还提供一种数字发声芯片，包括上述方案所提的像素发声单元。
采用上述技术方案的情况下，由于数字发声芯片包括上述方案所提的像素发声单元，因此能够提高像素发声单元的发声效果。
第三方面，本发明还提供一种像素发声单元的制造方法，制造如上述方案所提的像素发声单元，包括：
建立振动系统总质量模型和振动系统总刚度模型；
根据振动系统总质量模型和振动系统总刚度模型建立像素发声单元的力学振动方程；
根据振动系统总质量模型和振动系统总刚度模型建立振动系统的谐振频率方程；
建立振动系统的阻尼方程；
根据力学振动方程、谐振频率方程和阻尼方程设计像素发声单元的电极板尺寸、振动板尺寸以及电极板和振动板之间的间距。
采用上述技术方案的情况下，由于像素发声单元的制造方法包括上述方案所提的像素发声单元，因此能够提高像素发声单元的发声效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明中像素发声单元的示意图一；
图2为本发明中像素发声单元的示意图二；
图3为本发明中悬臂缝的示意图；
图4为本发明中振动板的示意图一；
图5为本发明中振动板的示意图二。
附图标记：
1-基底，2-电极板，21-通孔，3-介质层，4-振动板，41-固定部，42-悬臂，43-振膜，44-悬臂缝，5-空气后腔。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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发明和简化描述，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发明的限制。
在本发明的描述中，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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1至图5，第一方面，本发明实施例提供一种像素发声单元，包括依次层叠的基底1、电极板2、介质层3以及振动板4，电极板2与基底1之间形成有空气后腔5，电极板2与振动板4之间存在间隙，电极板2上设置有用于连通空气后腔5和间隙的通孔21，振动板4包括由外至内依次相连的固定部41、悬臂42和振膜43，电极板2与振膜43之间的间距小于悬臂42的厚度。示例性的，基底1为硅基底1，振动板4的材料为硅料，优选像素发声单元为MEMS扬声器，MEMS扬声器(Micro Electro Mechanical System)，即微电机系统扬声器，其相对传统的音圈式扬声器具有一致性好、功耗低、尺寸小、价格低等优势；介质层3可以为二氧化硅等绝缘材料。
采用上述技术方案的情况下，像素发声单元包括依次层叠的基底1、电极板2、介质层3以及振动板4，电极板2可以与振动板4形成平板电容，使得振膜43能够在电极板2与振动板4所形成的电场的作用下发生振动；电极板2与基底1之间形成有空气后腔5，使得振膜43能够运动推动空气以实现模拟发声；振动板4包括由外至内依次相连的固定部41、悬臂42和振膜43，使得振膜43可以在悬臂42的弹性作用下进行往复运动实现发声；采用上述结构，当电极板2与振膜43之间的间距小于悬臂42的厚度时，振膜43朝向振动板4一侧的振幅小于悬臂42的厚度，能够避免振膜43吸附运动中背腔压力泄漏，从而可以提高像素发声单元的发声效果。
示例性的，使用时，电极板2和振动板4通电产生电场，振膜43在电场的作用下能够相对于固定部41发生振动，实现声音的传输，使得像素发声单元能够正常工作，本实施例中的像素发声单元为由电极板2和振动板4组成的电容式扬声器，相对于现有技术中的动圈式扬声器，本实施例像素发声单元结构简单、音质高且音效好，振膜43面积大且谐振频率高，提升了像素发声单元的声学性能，电极板2和振动板4之间存在间隙能使电极板2和振动板4之间形成空气阻尼，保证电极板2和振动板4能够形成平板电容以控制振膜43运动。
如图2所示，进一步地，电极板2与振膜43之间的间距与悬臂42的厚度之间的大小关系满足：
h0<kt2
其中，h0为电极板2与振膜43之间的间距，t2为悬臂42的厚度，k为比例因子，k的范围为0.3～1。采用这种结构，优化电极板2与振膜43之间的间距与悬臂42的厚度之间的比例关系，避免振膜43吸附运动中背腔压力泄漏，进一步提高像素发声单元的发声效果。
如图1至图5所示，进一步地，振膜43上远离电极板2的一侧设置有内凹结构，内凹结构位于振膜43的中部。示例性的，内凹结构为位于振膜43中部的凹槽。采用这种结构，通过在振膜43设置凹槽，可以减小振膜43的质量，进而减小像素发声单元的整体质量，便于像素发声单元应用至各种微型设备上，同时能够提高像素发声单元的声压级。
如图4所示，进一步地，振动板4上开设有围设排布的至少两条悬臂缝44，至少两条悬臂缝44将振动板4分割为固定部41、悬臂42和振膜43，振膜43和固定部41通过悬臂42弹性连接；悬臂缝44的宽度为0.2μm～4μm。示例性的，悬臂缝44宽度利用了空气的热粘性边界层来阻止振膜43振动时的空气泄漏，当悬臂缝44宽度越大，背腔空气泄漏越多，导致辐射声压越小，当悬臂缝44宽度小于热粘性边界层厚度时，空气泄漏减小。采用上述结构，当悬臂缝44的宽度为0.2μm～4μm，悬臂缝44宽度小于热粘性边界层厚度，可以避免空气后腔5的压力从悬臂缝44泄露出去，提高像素发声单元的发声效果。
示例性的，振动板4上开设有围设排布的至少两条悬臂缝44，相邻两条悬臂缝44中，其中一条的端部与另一条的端部沿由振动板4的中心点向外延伸的射线方向依次设置，以在围设排布的方向上形成交叠，交叠的悬臂缝44之间形成振膜43悬臂42结构，悬臂缝44将振动板4分割为位于悬臂缝44的围设区域内的振膜43以及位于悬臂缝44的围设区域外的固定部41；振膜43和固定部41通过悬臂42弹性连接，且振膜43、固定部41和悬臂42为一体化结构。
应理解，至少两条悬臂缝44将振动板4分割为位于悬臂缝44的围设区域内的振膜43、位于悬臂缝44的围设区域外的固定部41以及连接振膜43和固定部41的悬臂42，即悬臂缝44沿垂直于振动板4外表面的方向上两侧均开口，以在振动板4上分割出与固定部41分离的振膜43，且悬臂缝44将振动板4分割为振膜43、悬臂42和固定部41三部分，振膜43通过悬臂42与固定部41相连；至少两条悬臂缝44围设排布即指至少两条悬臂缝44排布在振膜43周围且将振膜43包围。
在一些实施例中，电极板2与振膜43之间的间距为0.5μm～50μm。采用这种结构，优化电极板2与振膜43之间的间距，当电极板2与振膜43之间的间距为0.5μm～50μm时，能够进一步避免空气后腔5的压力从悬臂缝44泄露出去，提高像素发声单元的发声效果。
在一些实施例中，振膜43的跨度为50μm～5000μm。振膜43的跨度是指振膜43的横截长度，即当振膜43为圆形时，振膜43的跨度为其直径，当振膜43为方形时，振膜43的跨度为其边长，采用这种结构，能够使得振膜43具有较大的振动范围且具有良好的刚度，提高振膜43的声学性能和使用寿命。
在一种可选方式中，振膜43的厚度小于30μm，此时，能够保证悬臂42具有良好的弹性性能且使像素发声单元具有良好的声学性能。
在一些实施例中，通孔21的孔径为1μm～10μm，通孔21的孔长为2μm～100μm。示例性的，利用了空气的热粘性边界层特性，当被挤压的空气从电极的通孔21中流过时，孔壁面对气体产生阻尼作用。当通孔21的孔径为1μm～10μm，通孔21的孔长为2μm～100μm时，空气通过通孔21的壁面后能够产生阻尼，从而能够实现振动系统的阻尼效果，提高像素发声单元的发声效果。
第二方面，本发明还提供一种数字发声芯片，包括上述实施例所提的像素发声单元。其中，像素发声单元的数量为多个，且呈阵列分布或线形分布，其中每个像素发声单元均能够单独控制音频和音量，通过多个像素发声单元相互匹配，可以实现声音的数字化控制，本实施例多个像素发声单元的分布结构不限于阵列分布或线形分布，还可以采用其他的分布结构。
采用上述技术方案的情况下，像素发声单元包括依次层叠的基底1、电极板2、介质层3以及振动板4，电极板2可以与振动板4形成平板电容，使得振膜43能够在电极板2与振动板4所形成的电场的作用下发生振动；电极板2与基底1之间形成有空气后腔5，使得振膜43能够运动推动空气以实现模拟发声；振动板4包括由外至内依次相连的固定部41、悬臂42和振膜43，使得振膜43可以在悬臂42的弹性作用下进行往复运动实现发声；采用上述结构，当电极板2与振膜43之间的间距小于悬臂42的厚度时，振膜43朝向振动板4一侧的振幅小于悬臂42的厚度，能够避免振膜43吸附运动中背腔压力泄漏，从而可以提高像素发声单元的发声效果。
第三方面，本发明还提供一种像素发声单元的制造方法，制造如上述实施例所提的像素发声单元，包括：
建立振动系统总质量模型和振动系统总刚度模型；
根据振动系统总质量模型和振动系统总刚度模型建立像素发声单元的力学振动方程；
根据振动系统总质量模型和振动系统总刚度模型建立振动系统的谐振频率方程；
建立振动系统的阻尼方程；
根据力学振动方程、谐振频率方程和阻尼方程设计像素发声单元的电极板2尺寸、振动板4尺寸以及电极板2和振动板4之间的间距。
采用上述技术方案的情况下，像素发声单元包括依次层叠的基底1、电极板2、介质层3以及振动板4，电极板2可以与振动板4形成平板电容，使得振膜43能够在电极板2与振动板4所形成的电场的作用下发生振动；电极板2与基底1之间形成有空气后腔5，使得振膜43能够运动推动空气以实现模拟发声；振动板4包括由外至内依次相连的固定部41、悬臂42和振膜43，使得振膜43可以在悬臂42的弹性作用下进行往复运动实现发声；采用上述结构，当电极板2与振膜43之间的间距小于悬臂42的厚度时，振膜43朝向振动板4一侧的振幅小于悬臂42的厚度，能够避免振膜43吸附运动中背腔压力泄漏，从而可以提高像素发声单元的发声效果。
如图2所示，示例性的，由于像素结构的尺寸为几百微米，此时空气的质量可以近似忽略，振动系统总质量模型Mms为：
Mms＝Mstru，Mstru＝ρA1t1+ρ(A2-A1)t2
其中，振膜43外圈面积为A2，内圈面积为A1，振膜43中间厚度为t1，悬臂42厚度为t2，振膜43材质平均密度为ρ。
振动系统总刚度模型为Kms：
Kms＝Kstru+Kair
其中，Kstru为悬臂42的等效刚度，Kair为后腔空气刚度。
后腔空气刚度Kair为：
Figure BDA0004120104660000091
其中，Sd表示MEMS扬声器单元的振膜43有效面积，c0为声音在空气中的传播速度；ρ0表示空气介质密度。
示例性的，力学振动方程为：
Figure BDA0004120104660000092
其中，Rms为振动系统的阻尼系数，Fe(x)为静电驱动力。
示例性的，谐振频率方程为：
Figure BDA0004120104660000093
其中，F0为像素单元的谐振频率，示例性的，通常，当F0数值设计的越高，像素的工作频率可以越高，此时数字扬声器重构的音质会越好，像素产生的声压级相应的增大。
示例性的，振动系统的阻尼方程为：
Rms＝Rholes+Rsqueeze
其中，Rsqueeze为压膜阻尼，Rholes为穿孔板阻尼，Rms为振动系统阻尼，压膜阻尼和板的尺寸、板间隙尺寸、板运动频率相关。
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种像素发声单元，其特征在于，包括依次层叠的基底、电极板、介质层以及振动板，所述电极板与所述基底之间形成有空气后腔，所述电极板与所述振动板之间存在间隙，所述电极板上设置有用于连通所述空气后腔和所述间隙的通孔，所述振动板包括由外至内依次相连的固定部、悬臂和振膜，所述电极板与所述振膜之间的间距小于所述悬臂的厚度。
2.根据权利要求1所述的像素发声单元，其特征在于，所述电极板与所述振膜之间的间距与所述悬臂的厚度之间的大小关系满足：
h0<kt2
其中，h0为所述电极板与所述振膜之间的间距，t2为所述悬臂的厚度，k为比例因子，k的范围为0.3～1。
3.根据权利要求1所述的像素发声单元，其特征在于，所述振膜上远离所述电极板的一侧设置有内凹结构，所述内凹结构位于所述振膜的中部。
4.根据权利要求1所述的像素发声单元，其特征在于，所述振动板上开设有围设排布的至少两条悬臂缝，至少两条所述悬臂缝将所述振动板分割为所述固定部、悬臂和振膜，所述振膜和所述固定部通过所述悬臂弹性连接；
所述悬臂缝的宽度为0.2μm～4μm。
5.根据权利要求1所述的像素发声单元，其特征在于，所述电极板与所述振膜之间的间距为0.5μm～50μm。
6.根据权利要求1所述的像素发声单元，其特征在于，所述振膜的跨度为50μm～5000μm。
7.根据权利要求1所述的像素发声单元，其特征在于，所述振膜的厚度小于30μm。
8.根据权利要求1所述的像素发声单元，其特征在于，所述通孔的孔径为1μm～10μm，所述通孔的孔长为2μm～100μm。
9.一种数字发声芯片，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的像素发声单元。
10.一种像素发声单元的制造方法，其特征在于，制造如权利要求1至8任一项所述的像素发声单元，包括：
建立振动系统总质量模型和振动系统总刚度模型；
根据所述振动系统总质量模型和振动系统总刚度模型建立所述像素发声单元的力学振动方程；
根据所述振动系统总质量模型和振动系统总刚度模型建立振动系统的谐振频率方程；
建立振动系统的阻尼方程；
根据所述力学振动方程、谐振频率方程和阻尼方程设计所述像素发声单元的电极板尺寸、振动板尺寸以及电极板和振动板之间的间距。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116996821A (zh) * 2023-09-26 2023-11-03 地球山(苏州)微电子科技有限公司 一种像素发声单元及数字扬声器

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