MEMS扬声器和此类扬声器的微制造方法技术

本发明专利技术的一个方面涉及一种适用于生成可听声波的MEMS扬声器，包括在第一平面(P1)中延伸的双金属条致动系统(110)和放大胶囊(120)，包括：

【技术实现步骤摘要】
MEMS扬声器和此类扬声器的微制造方法


[0001]本专利技术涉及一种适合集成到诸如便携式计算机、便携式电话、无线耳机等便携式设备中的小型扬声器。本专利技术还涉及此类扬声器的微制造方法。
[0002]本专利技术应用于生成人耳可以听到的声波的声学领域。它特别地应用于专用于需要小型扬声器的便携式设备的声学领域。

技术介绍

[0003]众所周知，在声学中使用扬声器生成人耳可以听到的声波。扬声器是一种被设计为将电信号转换为声压的装置，如图1在功能上所示。扬声器是一种电
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机械
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声学换能器，包括：
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第一电
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机械换能器10，其将电信号(Se)的电压转换成诸如位移的机械信号 (Sm)，以及
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第二机械
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声学换能器20，其将该位移(Sm)转换成人耳30可以听到的声压 (Sa)。此第二机械
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声学换能器20通常是被耦合到环境空气的声膜。
[0006]几年来，随着诸如便携式计算机、平板电脑、便携式电话甚至无线耳机等便携式设备的发展，人们寻求将扬声器小型化，以便将它们集成到这些便携式设备中。然而，在这种小型化背景下，很难实现具有良好性能的扬声器。
[0007]实际上，好的扬声器，即具有良好性能的扬声器，能够在低失真率下以相同幅度再现人耳所能听到的音频频带的所有频率(20Hz到20kHz)。在实践中，扬声器有效产生声音的最低频率由机械
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声学换能器的谐振频率决定。然而，在小型化背景下，膜的致动系统更加刚性并且膜的质量更小，这增加了系统的谐振频率并因此降低了其带宽。
[0008]此外，由扬声器辐射的声压水平取决于由所述扬声器加速的空气量，并且该加速的空气量取决于扬声器的膜表面与该膜的最大位移的乘积。在小型化背景下，膜的表面大大减少；因此，需要膜的大量位移以便获得令人满意的压力水平。图2示出了度量为11x15x3 mm3的扬声器辐射的声压(Pa)水平的示例。虽然辐射压力(Pa) 在很宽的频率范围内约为85dB，但这样的扬声器的尺寸越来越不兼容便携式装置(其趋势是越来越小和越来越薄)的维度。实际上，不仅便携式设备的制造商寻求实现越来越小的设备，而且他们还寻求在同一便携式设备中包含越来越多的功能性，这意味着每个系统的尺寸都将减小以便允许实现这些功能性。
[0009]目前使用多种技术用于扬声器的膜的致动。这些技术之一是电磁转换，它可以实现膜的相对较大的位移。绝大多数目前的扬声器都配备了电磁换能器。在E Sturtzer、I Shahosseini、G Pillonnet、E Lefeuvre和G Lemarquand的题为“High FidelityMEMS Electrodynamic Micro
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Speaker Characterization(高保真MEMS电动微型扬声器表征)”的文章(应用物理学杂志，美国物理学会，2013，第9页，ffhal
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01103610) 中描述了电磁致动扬声器及其声压(Pa)的示例，其在图3中示出。然而，尽管此类带有电磁换能器的扬声器具有良好性能，但它的尺寸并不允许集成到当前的便携式设备中。此外，在致动系统中使用
磁体使得制造这种类型的扬声器与微制造方法不兼容。
[0010]另一种已知的表现出显著性能的致动膜的技术是压电转换。虽然这种压电转换技术不会使膜生成任何大的位移，但它具有与微制造方法兼容的优点。实际上，通过使用双金属效应并将压电致动器定位在膜上，可以获得与电磁换能器相当的性能。在F Stoppel、F Niekiel、T Giese、S Gu
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Stoppel、AJ Nowak、D Beer和 B Wagner的题为“Novel Type of MEMS Loudspeaker Featuring Membrane
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LessTwo
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Way Sound Generation(具有无膜双向声音生成的新型MEMS扩音器)”的文章 (音频工程协会(AES)，纽约，2017,6)中描述并且在图4中示出了具有压电致动的微型扬声器及其声压(Pa)的示例。然而，尽管这种微制造的扬声器提供了令人感兴趣的性能，但它需要大约10x10mm2的膜，这对于当前的便携式设备来说占用了太多空间。此外，这种类型的扬声器的膜不是不可改变(unalterable)的(不保持其形状)，这是长期确保良好音频质量所必需的特性。
[0011]专利US2017/0094418A1描述了具有压电致动器的扬声器的备选方案，其中压电致动器从膜上移动(shift)，如图5所示。在此示例中，致动器9不直接在膜15 上。它们被移动(偏移)，这提供了膜的活塞运动，并使得可以克服传统压电换能器扬声器的问题。这种扬声器的优点是需要较小硅表面，并提供减小的扬声器尺寸。然而，尽管存在这些优点，此专利中描述的技术不允许膜的大位移，这会生成低带宽。
[0012]此外，已经描述了位移放大器，它可以提高双金属条压电致动器的位移。这种位移放大器由H Kommepalli在文献“Design,Modeling and Optimization ofPiezoelectric Actuators(压电致动器的设计、建模和优化)”(博士论文，宾夕法尼亚州立大学，2010年，第138页)中以“uniflex”命名，提出将铝胶囊与传统双金属条压电致动器以便于获得更大位移的方式耦合。此位移放大器的操作图如图6所示。此位移放大器包括由铝22制成的柔性胶囊，被横向固定在双金属条压电致动器23 上。在由电压V表示的致动电压的作用下，双金属条压电致动器23沿方向
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z弯曲，机械驱动铝胶囊22沿相反方向+z弯曲。铝胶囊22的弯矩因此可以增加双金属条压电致动器23的位移，这提供了更大位移同时仍然保留致动器的表面。

技术实现思路

[0013]为了应对上文提到的适合安装在便携式设备中的小型扬声器的性能问题，申请人提出了一种MEMS扬声器，其中双金属条致动器耦合到集成声膜的放大胶囊 (capsule)。
[0014]术语“MEMS”是微机电系统的缩写，它是具有(一个或多个)移动或振动元件的小型设备，通常用作致动器或换能器。因此，MEMS扬声器是适合于被集成到例如便携式电话或无线耳机的便携式设备中的微型扬声器。
[0015]根据第一方面，本专利技术涉及一种适用于生成可听声波的MEMS扬声器，包括在第一平面中延伸的双金属条致动系统，其特征在于其还包括放大胶囊，包括：
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膜，其在平行于第一平面的第二平面中延伸，所述膜包括刚性内部区域和柔性外部区域，以及
[0017]‑
刚性耦合壁，其被固定在双金属条致动系统的周边，以使得膜的外部区域与所述致动系统形成整体。
[0018]此类MEMS扬声器具有增加扬声器内位移的优点，同时在音频性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.适用于生成可听声波的MEMS扬声器(100)，包括在第一平面(P1)中延伸的双金属条致动系统(110)，其特征在于其还包括放大胶囊(120)，包括：
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膜(122)，其在平行于第一平面的第二平面(P2)中延伸，所述膜包括刚性内部区域(121)和柔性外部区域(123)，以及
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刚性耦合壁(124)，其被固定在双金属条致动系统(110)的周边，以使得所述膜的柔性外部区域(123)与所述致动系统形成整体，并在致动电压的作用下生成弯矩，导致所述膜的刚性内部区域(121)平移。2.根据权利要求1所述的扬声器，其特征在于，所述双金属条致动系统(110)包括：集成到弹性材料层(112)中的至少一个压电致动器(111)。3.根据权利要求1或2所述的扬声器，其特征在于，所述放大胶囊(120)和所述双金属条致动系统(110)为圆形形状，在静止时具有相同外径。4.根据权利要求3所述的扬声器，其特征在于，所述双金属条致动系统(110)为环形形状。5.根据权利要求1或2所述的扬声器，其特征在于，所述放大胶囊(120)具有圆盘形状，并且所述双金属条致动系统(110)包括至少一对矩形致动器，每对致动器被彼此面对面、直径上对置地定位。6.根据权利要求1至5中任一项所述的扬声器，其特征在于，所述膜(122)的刚性内部区域(121)的半径在所述膜的总半径的大约10％至60％之间。7.根据权利要求1至6中任一项所述的扬声器，其特征在于，所述膜(122)包括在从大约100μm到几厘米的区间内的直径。8.根据权利要求1至7中任一项所述的扬声器，其特征在于，所述膜(122)和所述放...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗曼，
申请(专利权)人：法国原子能及替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：