CN220965149U - 一种异构的mems扬声器芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型揭示了一种异构的MEMS扬声器芯片，自硅基底表面向上依次设有氧化硅止档层，顶硅振膜、压电驱动膜层、引线pad及腔体，其中腔体为芯片中部自下而上穿透硅基底和氧化硅止档层并外露顶硅振膜而成型，压电驱动膜层的顶底两面成型有金属导电层，并从各金属导电层向MEMS扬声器芯片表侧设置引线pad。作为特点在芯片投影方向上，芯片外形及腔体的轮廓形状均为正N边形，N≥5，顶硅振膜和压电驱动膜层通过在腔体覆盖范围内开设缝隙及加工弹簧梁成型为中部的平动振动区域及其外围的若干悬臂梁振动区域，大幅提高了扬声器的声学输出性能。应用该芯片结构，实现了体积微小化，可以更灵活地布局在TWS耳机的前腔中，提供耳机符合人体工程学的设计空间。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电声换能器，尤其涉及一种体积优化、适于灵活布局装配于功能成品的MEMS扬声器芯片，属于半导体应用技术领域。
背景技术
MEMS芯片是指微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）芯片，也被称为微机电系统集成电路。它通过微纳制造技术将微小的机械部件制造在芯片表面上，并与电路元件相互连接。这些微小的机械结构可以实现感应、测量、控制和执行等功能。
MEMS芯片不仅包含微小的机械结构，还集成了相应的电子元件。例如，传感器可以将机械变量（如压力、温度、湿度等）转化为电信号，执行器可以根据电信号驱动机械结构的运动。芯片上的电路可以用于信号处理、控制和通信等功能。
MEMS芯片的应用非常广泛，涉及移动设备、汽车领域、医疗设备、工业控制、消费电子、环境监测等，其中MEMS声学器件也用于扬声器和麦克风等音频设备中，提供更好的音频体验。
为进一步引领智能穿戴市场的发展，推动TWS、智能眼镜、助/辅听器等产品实现高性能和轻薄化。目前市场中常见的压电式MEMS扬声器，其采用几乎全部芯片的矩形设计，在耳机中与其它电子元器件进行堆叠组装时受限较大，不利于耳机产品的微型化设计。
发明内容
本实用新型的目的旨在提出一种异构的MEMS扬声器芯片，解决芯片堆叠组装的体积适配问题。
本实用新型实现上述目的的技术解决方案是，一种异构的MEMS扬声器芯片，自硅基底表面向上依次设有氧化硅止档层，顶硅振膜、压电驱动膜层、引线pad及腔体，所述腔体为芯片中部自下而上穿透硅基底和氧化硅止档层并外露顶硅振膜而成型，所述压电驱动膜层的顶底两面成型有金属导电层，并从各金属导电层向MEMS扬声器芯片表侧设置引线pad，其特征在于：在芯片投影方向上，芯片外形及腔体的轮廓形状均为正N边形，N≥5，所述顶硅振膜和压电驱动膜层通过在腔体覆盖范围内开设缝隙及加工弹簧梁成型为中部的平动振动区域及其外围的若干悬臂梁振动区域。
进一步地，所述缝隙对应芯片外形的边数开设，所述缝隙自接近芯片外角处向平动振动区域延伸，形成对应数量的悬臂梁振动区域。
进一步地，所述压电驱动膜层在对应平动振动区域、弹簧梁和悬臂梁振动区域向弹簧梁的过渡部分作去除处理，保留各悬臂梁振动区域的中间及边缘部分。
进一步地，所述压电驱动膜层表面包覆设有绝缘层。
进一步地，所述顶硅振膜、压电驱动膜层及引线pad构成MEMS扬声器芯片的执行器，且所述执行器表面覆盖有一层柔性薄膜。
应用本实用新型的MEMS扬声器芯片，所具备的技术效果为：通过堆叠封装成正多边形成品，实现了体积微小化，可以更灵活地布局在TWS耳机的前腔中，提供耳机符合人体工程学的设计空间；此外，通过对振膜及压电驱动膜层的优化设计，大幅提高了扬声器的声学输出性能。
附图说明
图1是本实用新型MEMS扬声器芯片一优选实施例的立体结构示意图。
图2是图1所示MEMS扬声器芯片的半剖结构示意图。
图3是图1所示MEMS扬声器芯片中振膜和压电驱动膜层结构的平面示意图。
图4是图1所示MEMS扬声器芯片的制作流程示意图。
具体实施方式
以下便结合实施例附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步的详述，以使本实用新型技术方案更易于理解、掌握，从而对本实用新型的保护范围做出更为清晰的界定。
如图1至图3所示，该异构的MEMS扬声器芯片概述的结构特征为：自硅基底1表面向上依次设有氧化硅止档层2，顶硅振膜3、压电驱动膜层4、腔体5及引线pad。其中腔体5为芯片中部自下而上穿透硅基底1和氧化硅止档层2并外露顶硅振膜3而成型。上述压电驱动膜层4如图1中白边斜纹所示，其顶面成型有第一金属导电层61，且底面成型有第二金属导电层62，并从各金属导电层向MEMS扬声器芯片表侧设置引线pad。作为结构优化的主要改进点，在芯片投影方向上，该芯片外形及腔体的轮廓形状均为正N边形，N≥5。该顶硅振膜3如图2中竖纹白面所示，它和压电驱动膜层4通过在腔体5覆盖范围内开设缝隙及加工弹簧梁成型为中部的平动振动区域A及其外围的若干悬臂梁振动区域B（图3中梯形点划线举例示意）。其中压电驱动膜层开设有贯通至顶硅振膜的第一缝隙7，而顶柜振膜则加工成型有贯通至腔体且部分与第一缝隙相重合的第二缝隙9及相邻第二缝隙之间的弹簧梁8。
以上概述方案可见，通过改变传统矩形芯片外形，以多边形切角匀化芯片的外形占幅，可以更灵活地适配耳机中其它电子元器件的堆叠组装。作为可选的实施方式，上述缝隙7对应芯片外形的边数开设，且缝隙自接近芯片外角处向平动振动区域A延伸，形成对应数量的悬臂梁振动区域B。例如，当该芯片外形为正六棱柱体时，其中顶硅振膜成型为中间正六边形的平动振动区域及其周围六个等腰梯形的悬臂梁振动区域。而当芯片外形为正八棱柱体时，其中顶硅振膜便成型为中间正八边形的平动振动区域及其周围八个等腰梯形的悬臂梁振动区域。
作为优选实施例在上述结构基础上，从更进一步优化特征来看，其中压电驱动膜层在对应平动振动区域A、弹簧梁8和悬臂梁振动区域向弹簧梁的过渡部分作去除处理，保留各悬臂梁振动区域的中间及边缘部分。这样，将降低悬臂梁振动区域的刚度，从而释放压电驱动膜层对振膜的应力影响，有利于提高顶硅振膜在平动振动区域A和悬臂梁振动区域B的形变位移量，从而提高扬声器声学上的输出性能。
作为该MEMS扬声器芯片的一种深度优化实施，上述保留的压电驱动膜层表面可包覆设有一绝缘层，并保障引线pad的电极对接和遮蔽。另一方面，上述顶硅振膜、压电驱动膜层及引线pad构成MEMS扬声器芯片的执行器，且该执行器表面可通过键合、胶粘等方法包覆一层杨氏模量很小的柔性薄膜（优选有机膜），该柔性薄膜的刚度远小于执行器本身，且遮蔽缝隙能起到防止空气泄漏而造成的声短路现象，同时也有利于提高产品机械可靠性。
上述异构的MEMS扬声器芯片多个实施例，其结构共性的部分可以基于统一的微纳制造技术实现制作。如图4所示，上述优选实施例（六边形芯片）的具体工艺步骤详述如下。
S1、在SOI片表面依次沉积第二金属导电层62、压电驱动膜层4和第一金属导电层61，其中压电驱动层4的沉积材料可以是PZT、ALScN或AIN等，图示实施例优选PZT。
S2、对第一金属导电层61进行刻蚀，形成局部外露压电驱动膜层4的加电区域图形。
S3、在加电区域图形中，对压电驱动膜层4的外露部分继续刻蚀至第二金属导电层62，所形成的通孔自上而下可见第二金属导电层，但不可见顶硅振膜3。
S4、在加电区域图形和通孔处进行表面沉积金属，并通过掩膜腐蚀或剥离所沉积的一部分金属，制成用于压电驱动膜层接电导通的引线pad（未标识）。以上为此类芯片的常规制作工艺，故省略详述其细节和半成品状态。
S5、对顶硅振膜3上由金属导电层和压电驱动膜层组成的复合膜层进行光刻与刻蚀，形成执行器的驱动结构，保留的压电驱动膜层和被去除的压电驱动膜层的面积比接近N:1，N为具体芯片的边数。这里执行器的驱动结构本身成型图案具有多样性，主要配合多边形的外形而设计。从投影方向来看，这里成型图案为中部完全去除压电驱动膜层的六边形凹槽及其六角向外延伸接近芯片外角且外露顶硅振膜的六条第一缝隙7。而且，该六边形凹槽的边界位于悬臂梁振动区域B，更具体地位于各悬臂梁振动区域中心靠内侧处。
S6、对顶硅振膜3进行光刻与刻蚀，形成第二缝隙9、弹簧梁8及中间六边形的平动振动区域A，刻蚀深达贯穿顶硅振膜。结合图1所示可见，该平动振动区域A相对悬臂梁振动区域B并非断联，而是通过其间的弹簧梁柔性相连并传递振动力的。区别在于平动振动区域A为主体保持水平地升降摆动，而悬臂梁振动区域B为基于腔体外壁的扇状摆动。
S7、对SOI片的背面硅基底1和氧化硅止档层2进行刻蚀，形成顶硅振膜3呈悬空状的腔体5。
综上关于本实用新型异构的MEMS扬声器芯片方案介绍及实施例详述可见，本方案具备实质性特点和进步性，其技术效果表现为：通过堆叠封装成正多边形成品，实现了体积微小化，可以更灵活地布局在TWS耳机的前腔中，提供耳机符合人体工程学的设计空间；此外，通过对振膜及压电驱动膜层的优化设计，大幅提高了扬声器的声学输出性能。
除上述实施例外，本实用新型还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型所要求保护的范围之内。
Claims (7)
1.一种异构的MEMS扬声器芯片，自硅基底表面向上依次设有氧化硅止档层，顶硅振膜、压电驱动膜层、引线pad及腔体，所述腔体为芯片中部自下而上穿透硅基底和氧化硅止档层并外露顶硅振膜而成型，所述压电驱动膜层的顶底两面成型有金属导电层，并从各金属导电层向MEMS扬声器芯片表侧设置引线pad，其特征在于：在芯片投影方向上，芯片外形及腔体的轮廓形状均为正N边形，N≥5，所述顶硅振膜和压电驱动膜层通过在腔体覆盖范围内开设缝隙及加工弹簧梁成型为中部的平动振动区域及其外围的若干悬臂梁振动区域。
2.根据权利要求1所述异构的MEMS扬声器芯片，其特征在于：所述缝隙对应芯片外形的边数开设，所述缝隙自接近芯片外角处向平动振动区域延伸，形成对应数量的悬臂梁振动区域。
3.根据权利要求1所述异构的MEMS扬声器芯片，其特征在于：芯片外形为正六棱柱体，其中所述顶硅振膜成型为中间正六边形的平动振动区域及其周围六个等腰梯形的悬臂梁振动区域。
4.根据权利要求1所述异构的MEMS扬声器芯片，其特征在于：芯片外形为正八棱柱体，其中所述顶硅振膜成型为中间正八边形的平动振动区域及其周围八个等腰梯形的悬臂梁振动区域。
5.根据权利要求1所述异构的MEMS扬声器芯片，其特征在于：所述压电驱动膜层在对应平动振动区域、弹簧梁和悬臂梁振动区域向弹簧梁的过渡部分作去除处理，保留各悬臂梁振动区域的中间及边缘部分。
6.根据权利要求1所述异构的MEMS扬声器芯片，其特征在于：所述压电驱动膜层表面包覆设有绝缘层。
7.根据权利要求1所述异构的MEMS扬声器芯片，其特征在于：所述顶硅振膜、压电驱动膜层及引线pad构成MEMS扬声器芯片的执行器，且所述执行器表面覆盖有一层柔性薄膜。
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