电热式大声阻活塞运动式MEMS扬声器及制造方法技术

本发明专利技术公开的电热式大声阻活塞运动式MEMS扬声器及制造方法，属于声学器件声电转换领域。所述MEMS扬声器，采用与振膜不共面的隐藏式连接结构，振膜垂直方向的位移范围在沿基座厚度方向延伸的支撑结构所形成的空腔高度范围内。隐藏式连接结构能够增大活塞运动式扬声器在工作状态下的前后腔声阻值，提高活塞运动式扬声器的输出声压级。通过优化具有上述隐藏式连接结构的活塞式扬声器的振膜结构、支撑结构等组件，能够调节前后腔之间空气缝隙的长度、横截面积和基座的开口，进一步提高声阻和输出声压级。所述制造方法采用MEMS表面微加工技术和MEMS体微加工技术，通过利用SOI、具有空腔结构的cavity

【技术实现步骤摘要】
电热式大声阻活塞运动式MEMS扬声器及制造方法


[0001]本专利技术属于声学器件声电转换领域，涉及一种电热式MEMS扬声器及其制造方法，可应用于消费电子或医疗电子。

技术介绍

[0002]MEMS扬声器的核心指标是输出声压级(SPL)。由于扬声器的输出声压和频率的平方以及振膜位移的一次方成正比，因此低频(20Hz～1kHz)时SPL通常较小，在器件尺寸为mm级甚至um级的条件下，通过固支膜扬声器在低频范围内实现较高SPL而言是非常困难的，因此需要使用基于驱动结构的开放式活塞运动模态的扬声器。
[0003]基于驱动结构的开放式活塞运动模态的扬声器运动位移范围大，但是存在前后腔体声学短路的问题。振膜在振动时，同一时刻前腔和后腔产生相位相反的音频信号，如果前后腔体之间有较大的空气缝隙，那么前后腔的音频信号通过空气缝隙叠加后会削弱扬声器产生的音频信号,这对应着前后腔体之间空气缝隙的声阻。在不影响后腔空气弹簧振动的前提下，空气缝隙越小，对应的前后腔体之间声阻越大，振膜机械运动产生的能量转化成前腔向空气辐射声音的能量的转换系数就越大，从而能够产生更大的SPL。
[0004]常用的MEMS扬声器的驱动机理主要包括静电式MEMS扬声器、电热式MEMS扬声器、压电式MEMS扬声器、电磁式MEMS扬声器。其中，电热式MEMS扬声器具有驱动电压低、运动位移大、制备工艺成熟等优势。因此，有必要提供一种基于电热式驱动结构的大声阻活塞运动式扬声器及制造方法，所述基于电热式驱动结构的大声阻活塞运动式扬声器既能够使振膜产生大位移运动，也能够提供足够大的声阻，进而提升能量转化效率，提升扬声器的输出声压级。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的之一是提供电热式大声阻活塞运动式MEMS扬声器。不同于传统活塞式扬声器中与振膜共面的连接结构，本专利技术公开的电热式大声阻活塞运动式MEMS扬声器，采用与振膜不共面的隐藏式连接结构，振膜垂直方向的位移范围在沿基座厚度方向延伸的支撑结构所形成的空腔高度范围内。在维持活塞式扬声器具有的运动位移大优势的基础上，隐藏式连接结构能够明显缓解由于结构设计和工艺限制而造成的空气泄露严重的问题，增大活塞运动式扬声器在工作状态下的前后腔声阻值，从而有效提高活塞运动式扬声器的输出声压级。此外，通过优化具有上述隐藏式连接结构的活塞式扬声器的振膜结构、支撑结构等组件，能够调节前后腔之间空气缝隙的长度、横截面积和基座的开口，达到进一步提高声阻和输出声压级的效果。
[0006]针对所述电热式大声阻活塞运动式MEMS扬声器尚无具有可实现性的制造方法的技术问题，本专利技术的主要目的之二是一种电热式大声阻活塞运动式MEMS扬声器制造方法，采用MEMS表面微加工技术和MEMS体微加工技术，通过利用SOI、具有空腔结构的cavity
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SOI，降低加工工艺中对于刻蚀精确度的要求，实现电热式大声阻活塞运动式MEMS扬声器制
造，且能够减少工艺步骤。
[0007]本专利技术的目的之一是通过以下技术方案实现的：
[0008]本专利技术公开的电热式大声阻活塞运动式MEMS扬声器，包括基底、振动腔体、电热式驱动组件、连接组件、振膜。所述基底包括基座和沿所述基座厚度方向延伸的支撑结构，所述支撑结构的四周围合从而形成振动腔体。所述连接组件与振膜不共面，即为隐藏式连接结构。所述电热式驱动组件为电热式驱动结构，即利用驱动组件材料之间热膨胀系数的差异引入变形，从而驱动振膜产生活塞式运动。所述驱动组件与所述连接组件为同一结构，由一组或一组以上的驱动单元组成。所述振膜位于腔体内部，所述振膜与所述连接组件不共面，所述振膜在所述连接组件上方或者在所述连接组件下方，实现隐藏式连接结构，振膜垂直方向的位移范围在沿基座厚度方向延伸的支撑结构所形成的空腔高度范围内，从而达到减少MEMS扬声器在工作过程中的空气泄露、提高声压级的目的。
[0009]在具有隐藏式连接结构的电热式活塞运动式MEMS扬声器的基础上，进一步优化所述扬声器的振膜结构、支撑结构，即优化设计所述基座在平行于所述振膜方向上的开口形状、大小以及数量，尽可能减小所述振膜与沿所述基座厚度方向延伸的支撑结构在平行于所述振膜方向上的间距，尽可能增大所述振膜与沿所述基座厚度方向延伸的支撑结构在垂直于所述振膜方向上的重叠距离，优化设计沿所述基座厚度方向延伸的支撑结构的形状，从而控制扬声器工作过程中的空气泄露现象，进一步增大前后腔的声阻和扬声器输出声压级。电热式传感器及执行器的驱动结构简单、驱动电压低，运动位移大，采用电热式驱动组件能够保证振膜的大位移范围。采用MEMS表面微加工技术和MEMS体微加工技术，通过利用SOI、具有空腔结构的cavity
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SOI，降低加工工艺中对于刻蚀精确度的要求，降低加工工艺的复杂程度，提高器件可实现性，提高器件结构一致程度，从而能够更加准确地减小所述振膜与沿所述基座厚度方向延伸的支撑结构在平行于所述振膜方向上的间距、增大所述振膜与沿所述基座厚度方向延伸的支撑结构在垂直于所述振膜方向上的重叠距离，更加精确地形成支撑结构的预定形状。
[0010]为了降低器件功耗，提高电热式驱动组件的工作效率，作为进一步改进，在电热式驱动组件与振膜组件、电热式驱动组件与支撑组件之间增加热隔离连接结构，防止热量扩散至振膜与支撑组件。
[0011]本专利技术公开的电热式大声阻活塞运动式MEMS扬声器的工作方法为：驱动组件的多层材料具有不同的热膨胀系数，在外加电信号激励作用下，由于电热式驱动组件的多层结构发生不同程度的形变使得驱动组件发生垂直于振膜方向上的翘曲，带动振膜沿垂直方向做活塞式运动振动。沿垂直方向做活塞式运动的振膜带动振动腔体内部空气运动，从而产生声波信号，由于所述振膜为悬空结构且悬设于所述振动腔体中，所述振膜与驱动组件不共面，且振膜边缘与基底侧壁之间的空气缝隙宽度很小，振膜边缘与基底侧壁之间的空气缝隙的长度很大，因此减小振膜在沿垂直方向做活塞式运动的过程中的空气泄露，增大声阻，从而降低声压级损失，提升声音输出的声压级。利用MEMS扬声器具有器件微型化、功耗低、易于集成的优势，提高MEMS扬声器的续航能力，拓宽MEMS扬声器的应用范围。
[0012]本专利技术的目的之二是通过以下技术方案实现的：
[0013]本专利技术公开的电热式大声阻活塞运动式MEMS扬声器制造方法，用于制造所述电热式大声阻活塞运动式MEMS扬声器，包括如下步骤：
[0014]步骤一：提供常规SOI晶片，所述SOI晶片包括第一硅层、第二硅层以及夹设于所述第一硅层以及所述第二硅层之间的氧化硅层。
[0015]步骤二：在所述SOI晶片的第一硅层表面沉积并图形化传热层材料、第一层热膨胀材料、第二层热膨胀材料，在第一硅层表面形成具有特定形状的电热式驱动组件(即连接组件)以及振膜组件。电热式驱动组件由三层材料构成，即传热层材料、第一层热膨胀材料、第二层热膨胀材料，用于产生位移。振膜组件由预定厚度的第一硅层或预定厚度的第一硅层、热膨胀材料层构成。在水平方向上，振膜组本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.电热式大声阻活塞运动式MEMS扬声器，其特征在于：包括基底、振动腔体、电热式驱动组件、连接组件、振膜；所述基底包括基座和沿所述基座厚度方向延伸的支撑结构，所述支撑结构的四周围合从而形成振动腔体；所述连接组件与振膜不共面，即为隐藏式连接结构；所述电热式驱动组件为电热式驱动结构，即利用驱动组件材料之间热膨胀系数的差异引入变形，从而驱动振膜产生活塞式运动；所述驱动组件与所述连接组件为同一结构，由一组或一组以上的驱动单元组成；所述振膜位于腔体内部，所述振膜与所述连接组件不共面，所述振膜在所述连接组件上方或者在所述连接组件下方，实现隐藏式连接结构，振膜垂直方向的位移范围在沿基座厚度方向延伸的支撑结构所形成的空腔高度范围内。2.如权利要求1所述的电热式大声阻活塞运动式MEMS扬声器，其特征在于：在具有隐藏式连接结构的电热式活塞运动式MEMS扬声器的基础上，进一步优化所述扬声器的振膜结构、支撑结构，即优化设计所述基座在平行于所述振膜方向上的开口形状、大小以及数量，尽可能减小所述振膜与沿所述基座厚度方向延伸的支撑结构在平行于所述振膜方向上的间距，尽可能增大所述振膜与沿所述基座厚度方向延伸的支撑结构在垂直于所述振膜方向上的重叠距离，优化设计沿所述基座厚度方向延伸的支撑结构的形状，从而控制扬声器工作过程中的空气泄露现象，进一步增大前后腔的声阻和扬声器输出声压级；电热式传感器及执行器的驱动结构简单、驱动电压低，运动位移大，采用电热式驱动组件能够保证振膜的大位移范围；采用MEMS表面微加工技术和MEMS体微加工，通过利用SOI、具有空腔结构的cavity
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SOI，降低加工工艺中对于刻蚀精确度的要求，提高器件结构一致程度，从而能够更加准确地减小所述振膜与沿所述基座厚度方向延伸的支撑结构在平行于所述振膜方向上的间距、增大所述振膜与沿所述基座厚度方向延伸的支撑结构在垂直于所述振膜方向上的重叠距离，更加精确地形成支撑结构的预定形状。3.如权利要求2所述的电热式大声阻活塞运动式MEMS扬声器，其特征在于：在电热式驱动组件与振膜组件、电热式驱动组件与支撑组件之间增加热隔离连接结构，防止热量扩散至振膜与支撑组件。4.电热式大声阻活塞运动式MEMS扬声器制造方法，用于制造如权利要求1、2或3所述的电热式大声阻活塞运动式MEMS扬声器，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：采用SOI晶片，所述SOI晶片包括第一硅层、第二硅层以及夹设于所述第一硅层以及所述第二硅层之间的氧化硅层；步骤二：在所述SOI晶片的第一硅层表面沉积并图形化传热层材料、第一层热膨胀材料、第二层热膨胀材料，在第一硅层表面形成具有特定形状的电热式驱动组件以及振膜组件；电热式驱动组件由三层材料构成，即传热层材料、第一层热膨胀材料、第二层热膨胀材料，用于产生位移；振膜组件由预定厚度的第一硅层或预定厚度的第一硅层、热膨胀材料层构成；在水平方向上，振膜组件位于第一硅层的中心位置，电热式驱动组件覆盖于第一硅层，并围绕振膜组件均匀分布于振膜外侧；此时电热式驱动组件覆盖在第一层硅表面，不能自由运动，不具备驱动能力；所述电热式驱动组件即连接组件；步骤三：对所述SOI晶片中的所述第一硅层从接近第一硅层的方向，在电热式驱动组件的外侧进行刻蚀，刻蚀至所述氧化硅层，确定所述器振膜的尺寸；步骤四：对所述SOI晶片从第二硅层的方向进行深反应离子背腔刻蚀，刻蚀至氧化硅层停止，形成所...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢会开，曹可，郑钦丞，逯遥，张文超，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：