CN215773558U - Mems压电执行器及扬声器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种MEMS压电执行器及扬声器，其涉及MEMS扬声器技术领域，所述MEMS压电执行器包括：载体衬底，所述载体衬底上具有沿其轴线方向贯穿的第一空腔；设置在所述载体衬底上的振膜单元；设置在所述振膜单元背向所述载体衬底一侧的压电单元；设置在所述第一空腔中的弹性件，所述弹性件的伸缩方向与所述载体衬底的轴线方向相同，所述弹性件的一端与所述振膜单元相连。本申请能够使得执行器工作时弹性件无需发生扭转形变。

Description

MEMS压电执行器及扬声器

技术领域

本实用新型涉及MEMS扬声器技术领域，特别涉及一种MEMS压电执行器及扬声器。

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。其中压电式MEMS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。

如果MEMS扬声器将MEMS执行器置于音膜下方，由压电单元将电学信号转化为MEMS执行器中振膜的弯曲振动。具体过程如下，首先通过振膜的弹簧结构将压电单元与质量块相连，将振膜的弯曲振动转化为质量块的纵向活塞运动，最终由质量块将动能传递给音膜，转换为音膜振动形成声波，最终实现声音重放。然而，该能量传递过程必然涉及到振膜中弹簧结构的扭转形变，而扭转处极易发生应力集中而产生裂纹，最终导致该弹簧断裂，执行器失效。另一方面，这样以后MEMS执行器中振膜的弹簧结构与压电单元处于同一平面，故相同器件尺寸的情况下，由于弹簧结构必然需要占据一定的空间，因此，压电单元所占面积比难以进一步增加，故换能面积小，器件灵敏度偏低。

实用新型内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型实施例所要解决的技术问题是提供了一种MEMS压电执行器及扬声器，其能够使得执行器工作时弹性件无需发生扭转形变。

本实用新型实施例的具体技术方案是：

一种MEMS压电执行器，所述MEMS压电执行器包括：

载体衬底，所述载体衬底上具有沿其轴线方向贯穿的第一空腔；

设置在所述载体衬底上的振膜单元；

设置在所述振膜单元背向所述载体衬底一侧的压电单元；

设置在所述第一空腔中的弹性件，所述弹性件的伸缩方向与所述载体衬底的轴线方向相同，所述弹性件的一端与所述振膜单元相连。

优选地，所述振膜单元包括多个振膜，每个所述振膜的一端设置在所述载体衬底上，每个所述振膜的另一端呈伸出状态。

优选地，所述压电单元为多个，每个所述振膜上设置有至少一个压电单元。

优选地，所述振膜的另一端与相邻的所述振膜之间具有间隙，所述间隙的范围在1um至10um之间。

优选地，所述弹性件为多个，每个所述振膜的另一端连接有至少一个所述弹性件。

优选地，所述弹性件为弹簧；或所述弹性件在纵向方向上的横截面的部分呈S状、C状、Z状或上述至少两种的组合。

优选地，所述弹性件通过冲压方式或3D打印方式或刻蚀方式形成。

优选地，所述压电单元包括：多个电极层、设置在相邻所述电极层之间的压电薄膜层。

优选地，所述弹性件在所述载体衬底的轴线方向大于等于所述载体衬底的厚度。

一种扬声器，所述扬声器包括：

底板；

设置在所述底板上的支撑件和位于所述支撑件内的如权利要求1至9任一所述的MEMS压电执行器；

设置在所述支撑件背向所述底板一侧的音膜；

连接在所述音膜与所述弹性件之间的耦合板。

优选地，所述底板上开设有沿其轴线方向贯穿的第二空腔，所述压电单元位置与所述第二空腔相对；所述扬声器还包括：

设置在所述底板背向所述支撑件一侧的覆盖所述第二空腔的防尘机构。

本实用新型的技术方案具有以下显著有益效果：

本申请中当压电单元将电学信号转化为MEMS执行器中振膜单元的弯曲振动后，振膜单元在载体衬底的轴线方向上的振动可以直接传递给弹性件，弹性件同样的能在载体衬底的轴线方向上振动，由于弹性件的伸缩方向与所述载体衬底的轴线方向相同，因此，弹性件接收该振动和将该振动传递给其它部件的过程中均不会发生扭转形变，因此，弹性件以及其它部件不存在扭转处，所以不会出现扭转处极易发生应力集中产生裂纹的问题。

参照后文的说明和附图，详细公开了本实用新型的特定实施方式，指明了本实用新型的原理可以被采用的方式。应该理解，本实用新型的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本实用新型的实施方式包括许多改变、修改和等同。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。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本实用新型公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本实用新型的理解，并不是具体限定本实用新型各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本实用新型的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本实用新型。

图1为本实用新型实施例中MEMS压电执行器的剖面图；

图2为本实用新型实施例中具有MEMS压电执行器的扬声器的剖面图。

以上附图的附图标记：

100、MEMS压电执行器；1、载体衬底；11、第一空腔；2、振膜单元；21、振膜；3、压电单元；31、顶电极；32、压电薄膜层；33、底电极；4、弹性件；5、底板；51、第二空腔；6、支撑件；61、第三空腔；7、音膜；8、耦合板；9、防尘机构。

具体实施方式

结合附图和本实用新型具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本实用新型的细节。但是，在此描述的本实用新型的具体实施方式，仅用于解释本实用新型的目的，而不能以任何方式理解成是对本实用新型的限制。在本实用新型的教导下，技术人员可以构想基于本实用新型的任意可能的变形，这些都应被视为属于本实用新型的范围。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元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请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，不是旨在于限制本申请。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。

为了能够使得执行器工作时弹性件4无需发生扭转形变，在本申请中提出了一种MEMS压电执行器，图1为本实用新型实施例中MEMS压电执行器的剖面图，如图1所示，MEMS压电执行器100可以包括：载体衬底1，载体衬底1上具有沿其轴线方向贯穿的第一空腔11；设置在载体衬底1上的振膜单元2；设置在振膜单元2背向载体衬底1一侧的压电单元3；设置在第一空腔11中的弹性件4，弹性件4的伸缩方向与载体衬底1的轴线方向相同，弹性件4的一端与振膜单元2相连。

本申请中当压电单元3将电学信号转化为MEMS执行器中振膜单元2的弯曲振动后，振膜单元2在载体衬底1的轴线方向上的振动可以直接传递给弹性件4，弹性件4同样的能在载体衬底1的轴线方向上振动，由于且弹性件4的伸缩方向与载体衬底1的轴线方向相同，因此，弹性件4接收该振动和将该振动传递给其它部件的过程中均不会发生扭转形变，因此，弹性件4以及其它部件不存在扭转处，所以不会出现扭转处极易发生应力集中产生裂纹的问题。

为了能够更好的了解本申请中的MEMS压电执行器100，下面将对其做进一步解释和说明。如图1所示，MEMS压电执行器100可以包括：载体衬底1、振膜单元2、压电单元3以及弹性件4。

该MEMS压电执行器100特别适用于扬声器装置，其可以生成宽频域声波，尤其是可听波长谱波段声波。

如图1所示，载体衬底1上具有沿其轴线方向贯穿的第一空腔11，该第一空腔11可以由载体衬底1的内壁围合而成。具体而言，载体衬底1具有第一表面和第二表面，第一表面和第二表面相对设置，第一空腔11自第一表面向第二表面延伸，且贯穿第一表面和第二表面，第一空腔11位于载体衬底1的中间区域。通常而言，载体衬底1一般采用硅制作而成，

如图1所示，振膜单元2设置在载体衬底1上。振膜单元2可以固定设置在载体衬底1的第一表面上。振膜单元2用于支撑压电单元3，并将压电单元3产生的机械能传递给弹性件4。在压电单元3的作用下，振膜单元2能够在载体衬底1的轴线方向上发生振动。通常而言，振膜单元2可以由Si、SiO₂、PI等材料制成。

如图1所示，压电单元3设置在振膜单元2背向载体衬底1一侧。压电单元3与振膜单元2之间固定连接。一般而言，压电单元3包括顶电极31、底电极33和压电薄膜层32。顶电极31位于压电薄膜层32的上方，底电极33位于压电薄膜层32的下方，底电极33设置在振膜单元2背向载体衬底1一侧。顶电极31由易导电的金属制成，通常采用Pt、Al、Au、Mo等金属；底电极33也由易导电的金属制成，通常也采用Pt、Al、Au、Mo等金属。压电薄膜层32可以通过逆压电效应将电能转化为机械能，使其产生弯曲振动，通常采用AlN、PZT、PVDF等压电材料制成，压电薄膜层32可覆盖至振膜单元2边缘。一般而言，压电单元3位于靠近振膜单元2的中部，即远离振膜单元2的边缘，由于振膜单元2的边缘与载体衬底1相连接，形成一端固定一端自由的边界条件，这样压电单元3可以有效将振动传递至振膜单元2上。

在其它可行的实施方式中，压电单元3可以包括多个电极层、设置在相邻电极层之间的压电薄膜层32。例如，电极层为三个，那么相邻电极层之间设置有一层压电薄膜层32，压电薄膜层32总共为2层，在竖直方向的剖面上由上向下依次是电极层、压电薄膜层32、电极层、压电薄膜层32和电极层。整个压电单元3与振膜单元2的应力中性面满足位于振膜单元2上即可。

如图1所示，弹性件4设置在第一空腔11中，弹性件4的伸缩方向与载体衬底1的轴线方向相同，弹性件4的一端与振膜单元2相连。弹性件4能够在载体衬底1的轴线方向进行伸缩即可。作为可行的，弹性件4可以为弹簧。或者，弹性件4在纵向方向上的横截面的部分呈S状、C状、Z状或上述至少两种的组合，以使弹性件4具有伸缩的性能。在该结构下，弹性件4可以通过冲压方式或3D打印方式或刻蚀方式形成。作为可行的，弹性件4优先采用金属制成，当然，在其它实施方式中也可以采用聚合物或者无机物制成。

作为可行的，振膜单元2包括一个振膜21时，整个振膜21可以覆盖在载体衬底1上，将第一空腔11的一侧封闭。弹性件4可以为一个或者多个，弹性件4的一端与振膜21相连，一般可以连接在振膜21的中部区域附近，以保证振膜21的振动效果。

作为可行的，振膜单元2包括一个振膜21时，振膜21的一端设置在载体衬底1上，振膜21的另一端呈伸出状态。也就是说，振膜21呈悬臂梁结构设置在载体衬底1上并部分伸出。弹性件4的一端与振膜21伸出去的另一端相连接。由于振膜21伸出去的另一端为自由状态，因此其振动在载体衬底1的轴线方向的振动幅度较大，通过上述方式可以有效加强振膜21的振动效果。

作为可行的，振膜单元2可以包括多个振膜21，每个振膜21的一端设置在载体衬底1上，每个振膜21的另一端呈伸出状态。多个振膜21可以绕载体衬底1的轴线呈圆周分布，也可以对称设置。或者振膜21的数量与载体衬底1外轮廓的边的数量相同，如果载体衬底1外轮廓为六边形，振膜单元2可以包括六个振膜21。作为优选地，振膜21的另一端与相邻的振膜21之间具有间隙，间隙的范围可以在1um至10um之间。这样可以保证相邻的振膜21在振动时不会发生相互影响，保证每一个振膜21的振动效果，同时，又可以尽可能的增大振膜21的尺寸。在其它可行的实施方式中，载体衬底1的外轮廓也可以呈其它形状，例如矩形、正多边形和圆形等等。

在上述实施方式中，弹性件4也为多个，每个振膜21的另一端连接有至少一个弹性件4，优选为一个。弹性件4尽可能的连接在振膜21的另一端的端部，这样可以最大程度的保证振膜21的振动效果，以及最大化的将振动传递给弹性件4。压电单元3也为多个，每个振膜21上设置有至少一个压电单元3。压电单元3尽可能的设置在振膜21的另一端处，即远离振膜21与载体衬底1的连接处。

作为可行的，弹性件4在载体衬底1的轴线方向大于等于载体衬底1的厚度。尤其当弹性件4在载体衬底1的轴线方向大于载体衬底1的厚度，即弹性件4的下端超出载体衬底1的第二表面时，当后期弹性件4的下端连接至耦合板8和音膜7时，可以增加音膜7在载体衬底1轴线方向上的可动空间。

作为可行的，整个MEMS压电执行器100的载体衬底1、振膜单元2、压电单元3等等上或者内部还可以设置有其它膜层，例如保护层、钝化层等等，在此不再进行赘述。

当压电单元3将电学信号转化为MEMS执行器中振膜单元2在载体衬底1的轴线方向上的弯曲振动后，振膜单元2在载体衬底1的轴线方向上的振动可以直接传递给弹性件4，弹性件4同样的是在载体衬底1的轴线方向上振动，由于且弹性件4的伸缩方向与载体衬底1的轴线方向相同，仅需发生与载体衬底1的轴线方向相同的伸缩形变，因此，弹性件4接收该振动和将该振动传递给其它部件的过程中均不会发生扭转形变，整个振动的方向都是在载体衬底1的轴线方向上的，因此，弹性件4以及其它部件不存在扭转处，所以不会出现扭转处极易发生应力集中产生裂纹的问题，整个MEMS压电执行器100的可靠性以及寿命能够大大增加。

另外，弹性件4不会占据任何振膜单元2在水平方向上的空间，有效利用了MEMS执行器的纵向空间，因此，在MEMS压电执行器100尺寸固定的前提下，振膜单元2的面积能够大大增压，由于换能面积的增加，整个MEMS压电执行器100的灵敏度将大大增大。

在本申请还提出了一种扬声器，图2为本实用新型实施例中具有MEMS压电执行器的扬声器的剖面图，如图2所示，扬声器可以包括：底板5；设置在底板5上的支撑件6和位于支撑件6内的如上述任一的MEMS压电执行器100；设置在支撑件6背向底板5一侧的音膜7；连接在音膜7与弹性件4之间的耦合板8。

具体而言，如图2所示，底板5一般采用PCB板，其用于安装和激励MEMS执行器。支撑件6设置在底板5上，MEMS压电执行器100也设置在底板5上，支撑件6和MEMS压电执行器100设置在底板5同一面上。支撑件6上具有沿其轴线方向贯穿的第三空腔61，MEMS压电执行器100设置在第三空腔61内部。MEMS压电执行器100的振膜单元2通过焊接与底板5相连接，底板5上可以设置有相对于芯片的Pin to Pin焊盘，该焊盘与芯片使用锡膏焊接，该焊接工艺使用锡膏印刷工艺，该工艺的具体过程为将锡膏通过锡膏印刷设备均匀涂覆在底板5表面，然后通过芯片固晶工艺将芯片放置在底板5对应焊盘上，通过回流焊工艺实现底板5和锡膏之间的电气连接和机械连接。

如图2所示，支撑件6用于固定音膜7的四周，其通常采用PPA等塑料材料制成。音膜7设置在支撑件6背向底板5一侧，音膜7覆盖整个支撑件6的第三空腔61。音膜7能够在载体衬底1的轴线方向上振动，其通常采用PEEK、TPE等聚合物制成。

如图2所示，耦合板8用于连接MEMS压电执行器100与音膜7。耦合板8连接在音膜7与弹性件4之间，耦合板8沿水平方向延伸，弹性件4的另一端与耦合板8朝向弹性件4的一侧相连接，耦合板8背向弹性件4的一侧与音膜7相连接。耦合板8通常由Al等金属制成，其尺寸可以小于音膜7的尺寸，这样可抑制部分高频分割振动。通过上述方式使得压电单元3产生的弯曲振动转化为音膜7的活塞运动而发出声波。

作为可行的，底板5上开设有沿其轴线方向贯穿的第二空腔51，压电单元3位置与第二空腔51相对。MEMS压电执行器100的振膜单元2的边缘连接设置在形成第二空腔51的底板5的内壁处。第二空腔51可以使得扬声器形成效果更好的低频声音。扬声器可以包括：设置在底板5背向支撑件6一侧的覆盖第二空腔51的防尘机构9。防尘机构9可以是防尘网，其能够阻止灰尘掉落至振膜单元2、压电单元3上，从而影响两者的振动效果，另外，防尘网呈网状，其也可以有助于扬声器形成效果更好的低频声音。

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。

以上仅为本实用新型的几个实施方式，虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用于限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种MEMS压电执行器，其特征在于，所述MEMS压电执行器包括：

载体衬底，所述载体衬底上具有沿其轴线方向贯穿的第一空腔；

设置在所述载体衬底上的振膜单元；

设置在所述振膜单元背向所述载体衬底一侧的压电单元；

设置在所述第一空腔中的弹性件，所述弹性件的伸缩方向与所述载体衬底的轴线方向相同，所述弹性件的一端与所述振膜单元相连。

2.根据权利要求1所述的MEMS压电执行器，其特征在于，所述振膜单元包括多个振膜，每个所述振膜的一端设置在所述载体衬底上，每个所述振膜的另一端呈伸出状态。

3.根据权利要求2所述的MEMS压电执行器，其特征在于，所述压电单元为多个，每个所述振膜上设置有至少一个压电单元。

4.根据权利要求2所述的MEMS压电执行器，其特征在于，所述振膜的另一端与相邻的所述振膜之间具有间隙，所述间隙的范围在1um至10um之间。

5.根据权利要求2所述的MEMS压电执行器，其特征在于，所述弹性件为多个，每个所述振膜的另一端连接有至少一个所述弹性件。

6.根据权利要求1所述的MEMS压电执行器，其特征在于，所述弹性件为弹簧；或所述弹性件在纵向方向上的横截面的部分呈S状、C状、Z状或上述至少两种的组合。

7.根据权利要求1所述的MEMS压电执行器，其特征在于，所述弹性件通过冲压方式或3D打印方式或刻蚀方式形成。

8.根据权利要求1所述的MEMS压电执行器，其特征在于，所述压电单元包括：多个电极层、设置在相邻所述电极层之间的压电薄膜层。

9.根据权利要求1所述的MEMS压电执行器，其特征在于，所述弹性件在所述载体衬底的轴线方向大于等于所述载体衬底的厚度。

10.一种扬声器，其特征在于，所述扬声器包括：

底板；

设置在所述底板上的支撑件和位于所述支撑件内的如权利要求1至9任一所述的MEMS压电执行器；

设置在所述支撑件背向所述底板一侧的音膜；

连接在所述音膜与所述弹性件之间的耦合板。

11.根据权利要求10所述的扬声器，其特征在于，所述底板上开设有沿其轴线方向贯穿的第二空腔，所述压电单元位置与所述第二空腔相对；所述扬声器还包括：

设置在所述底板背向所述支撑件一侧的覆盖所述第二空腔的防尘机构。

Images