微机电声压产生装置和微机电扬声器系统制造方法及图纸

本发明专利技术大体上涉及微机电声压产生装置，其可以在微机电系统(MEMS)中实现。在本发明专利技术的一些实施方式中，微机电声压产生装置例如以片上系统(SoC)或系统级封装(SiP)的形式在芯片/管芯中实现。本发明专利技术的其它实施方式涉及微机电扬声器系统，这种微机电扬声器系统(例如，耳机、助听器等)包括微机电声压产生装置。本发明专利技术的实施方式涉及装置的小型化。实施方式中的一些聚焦于减小吸合力的对策，这可以促进微机电声压产生装置的进一步小型化。压产生装置的进一步小型化。压产生装置的进一步小型化。

【技术实现步骤摘要】
微机电声压产生装置和微机电扬声器系统


[0001]本专利技术的实施方式大体上涉及可以在微机电系统(MEMS)中实现的用于微机电声压产生装置的驱动。在本专利技术的一些实施方式中，微机电声压产生装置例如以片上系统(SoC)或系统级封装(SiP)的形式在芯片/管芯中实现。本专利技术的其它实施方式涉及这种声压产生装置在微机电扬声器系统(例如，耳机、助听器等)中的使用。

技术介绍

[0002]专利申请WO 2012/095185 A1中描述了纳米级静电驱动(NED)的原理。NED是指基于MEMS的致动器原理。形成致动器的可移动元件由硅材料形成，该硅材料具有至少两个隔开的电极。电极的长度远大于电极的厚度，并且也远大于电极的高度，即沿着硅材料的深度方向的尺寸。这些条形电极彼此间隔开，并且彼此局部电绝缘和固定。通过施加电势，在这些电极之间产生电场，引发电极之间的吸引力或排斥力，并且因此引发电极的材料中的应力。该材料通过试图采用可能的低应力状态来努力使这些应力均匀化，从而移动。通过电极的特定几何形状和形貌，可以以电极的长度改变并且因此发生可偏转元件的横向移动的方式来影响这种移动。
[0003]本本领域中(例如，US 10,457,544B2、WO 2020/078541 A1和DE 10 2019 203 914B3中，其中的每个通过引用并入本文中)描述了使用NED的微机械装置的具体实现和改善。在这些微机械装置中，几个平面内移动致动器导致位于致动器之间的空气的体积压力的调制。微机械装置可以用作入耳式声音换能器系统。组件中的压力调制在耳道内部引起可听声音。
[0004]专利申请PCT/EP2020/084506中描述了另一种类型的基于NED的微机械装置，该专利申请的内容通过引用并入本文中。图1A示出了PCT/EP2020/084506中所描述的微机械装置的剖面。顶部晶片和底部晶片之间布置有多个翅片(fin)。翅片之间设置有经由出口槽和入口槽连接到耳道的空气容积的容积(气室)。翅片上方设置有气隙。在大约100至300nm薄的气隙上方，设置有两个电极+V
dc
和
‑
V
dc
。气隙(在两侧上)位于翅片晶片和覆盖晶片(或盖晶片)之间以及翅片晶片和底部晶片(或基底晶片)之间。DC薄膜电极+V
dc
和
‑
V
dc
位于盖晶片的内侧上和底部晶片的内侧上。
[0005]PCT/EP2020/084506中所描述的微机械装置的实际实现的剖面在图1B中示出。值得注意的是，所制造的翅片具有直的/矩形的剖面，并且在翅片的中心中不必具有锥度。
[0006]驱动翅片，使得DC电压V
dc
被施加到两个DC电极并且AC电压V
ac
(与音频信号电压对应)被施加到翅片。DC电极和AC电极之间的静电场引发在芯片平面内在横向方向x上偏转翅片的翅片驱动力F
x
(参见图1A)。驱动力可以使用公式估算：
[0007][0008]其中
[0009][0010]这里，是相对电容变化，ε
r
是材料相关介电常数(空气：ε
r
＝1)，ε0是电场常数，L是翅片长度(在y方向上的范围)并且g0是翅片和DC电极之间的间隙(气隙)。
[0011]在PCT/EP2020/084506中示例性描述的微机械装置的设计中，除了静电驱动力F
x
之外，(由在y方向上的长度和在x方向上的宽度限定的)翅片的刚度和(由翅片之间的距离和出气槽的大小限定的)流体背压是进一步的设计参数。
[0012]如在现有技术中所描述的微机电声压产生装置的设计中存在几个问题。遇到的技术问题中的一个是机电过驱动。如果存在翅片的横向偏转超过电极+V
dc
和
‑
V
dc
之间的绝缘间隙g0，则将发生驱动力F
x
的突然变化。驱动力F
x
的突然变化将导致偏移的突然变化，并且可能由此导致微扬声器中音压的更高非线性失真(总谐波失真(THD))。如图1A中所示，在翅片的中间逐渐变细的深度蚀刻轮廓在这里是有利的。换句话说，翅片在其上侧和下侧上具有宽的剖面并且在翅片的中心中具有窄的剖面可能是可取的。然而，当使用半导体制造工艺时，这种翅片剖面的制作可能难以实现。
[0013]另一个问题是在制造由多个晶片构建的微机电声压产生装置期间由晶片接合产生的装置特性。如结合图1A所解释的，微机电声压产生装置可以通过晶片接合由例如三个晶片组装而成。晶片的接合可能导致以下问题/担忧：
[0014]1.晶片的横向(x
‑
)对准必须非常精确。晶片的错位将限制装置的性能，并且可能造成受限的设计空间。1至10μm的对准公差通常用于直接晶片接合(硅或SiO2)和热压接合(金属)。如果可以减小
[0015]或甚至消除对于MEMS来说非常大的这种公差，则将是可取的。
[0016]2.晶片接合可能改变翅片上方和下方的间隙g0，这可能导致垂直不对称性的增加并且因此导致(下面所讨论的)垂直吸合效应的增加。
[0017]3.接合多个晶片增加了MEMS的厚度。晶片接合的另一个缺点是需要(例如，通过线触点/线接合或通过硅通孔/TSV)处理的电触点的高度差较大，这反过来增加了制造成本。
[0018]如上所述，另一个设计方面是吸合效应。对于小的间隙g0(其可以小至一百至几百纳米)，大的垂直静电力F
z
(参见图1A)可以弯曲盖晶片和底部晶片，还可以在弯曲z方向上的翅片。如果装置在z方向(厚度方向)上具有完美的对称性，则垂直静电力F
z
彼此补偿。然而，如果对称性(例如，由于制造公差)稍微偏离，则垂直静电力F
z
可能导致翅片与盖触点或底部触点一起达到不稳定的平衡。该问题在基于MEMS的致动器设计领域中被称为“吸合效应”。
[0019]吸合效应是指，从吸合电压开始，翅片和/或盖晶片或底部晶片的部分彼此吸引或彼此相向加速，并且随后可以牢固地粘在一起(“粘住”)。对于微机电声压产生装置，这意指翅片粘到盖晶片或基底晶片，从而在微机电声压产生装置的操作期间引起短路或甚至摩擦，这可能导致高的声失真和差的音频质量。因此，对于所有基于MEMS的微机电声压产生装置来说，避免吸合以确保微机电声压产生装置的适当操作是重要的。通常，微机电声压产生装置因此被设计成具有将最大驱动电压限制为吸合电压的大约70％的安全裕量。
[0020]当设计用于微机电声压产生装置的致动器时出现了“困境”，即对于大的音压，需
要大的致动器驱动力F
x
和(在几百纳米的范围内的)小的间隙g0。然而，这导致垂直静电力F
z
高，其可能需要通过翅片的适当高的z刚度以及顶部晶片和底部晶片的足够高的z刚度进行机械“吸收”或支承。因此，为了在z方向上实现高刚度，优选的是，致动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在微机电系统中实现的微机电声压产生装置，其中，所述微机电声压产生装置包括：分层系统，包括多个层，所述分层系统的所述层形成：平面的覆盖件、平面的基底和布置成封闭所述覆盖件和所述基底之间的腔的侧壁；以及多个可动的致动器，用于产生声压，其中，所述可动的致动器中的每个包括：平面的第一支脚，大体上在第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向上延伸；以及平面的第二支脚，大体上在所述第一方向和垂直于所述第一方向与所述第二方向的第三方向上延伸到所述腔中，其中，所述第一支脚和所述第二支脚通过一个或多个联接部彼此连接，其中，多个致动器驱动部形成在所述分层系统的所述层的第一子集中，其中，所述致动器驱动部中的每个包括成对的电极布置，其中，每个电极布置包括平面的第一电极部和平面的第二电极部，两者大体上在所述第一方向和所述第二方向上延伸并且在所述第三方向上彼此间隔开，以便在相应的所述电极布置的所述第一电极部和所述第二电极部之间设置凹槽，其中，每个成对的电极布置的所述凹槽是所述分层系统的所述层的所述第一子集中的相应的致动器驱动部的相应的切口区域的部分，每个切口区域与所述腔连接，以及其中，所述致动器驱动部中的每个在其切口区域中容纳所述致动器中的一个或多个致动器的所述第一支脚，其中，所述致动器中的所述一个或多个致动器中的每个的所述第一支脚的端部突出到相应的所述致动器驱动部的所述成对的电极布置的所述凹槽中。2.根据权利要求1所述的微机电声压产生装置，其中，对于所述分层系统的所述层的所述第一子集中的所述致动器驱动部中的每个，在相应的致动器的所述第一支脚的一个端部与相关联的电极布置的所述第一电极部之间形成第一间隙，并且在相应的所述致动器的所述第一支脚的所述一个端部与所述相关联的电极布置的所述第二电极部之间形成第二间隙，其中，所述第一间隙等于所述第二间隙。3.根据权利要求2所述的微机电声压产生装置，其中，对于所述致动器驱动部中的每个，在相应的致动器的所述第一支脚的另一端部与另一相关联的电极布置的所述第一电极部之间形成第三间隙，并且在相应的所述致动器的所述第一支脚的所述另一端部与所述另一相关联的电极布置的所述第二电极部之间形成第四间隙，其中，所述第三间隙等于所述第四间隙。4.根据权利要求3所述的微机电声压产生装置，其中，对于所述致动器驱动部中的每个，所述第一间隙、所述第二间隙、所述第三间隙和所述第四间隙全部相等。5.根据权利要求2至4中的任一项所述的微机电声压产生装置，其中，所述间隙大小在包含100nm在内和包含1μm在内的范围内。6.根据权利要求2至4中的任一项所述的微机电声压产生装置，其中，所述间隙大小在包含200nm在内和包含600nm在内的范围内。7.根据权利要求1至6中的任一项所述的微机电声压产生装置，其中，所述分层系统的形成所述覆盖件或所述基底的所述层包括或对应于所述分层系统的其中形成有所述致动
器驱动部的所述层的所述第一子集；或者其中，其中形成有所述致动器的所述第一支脚的所述层包括所述分层系统的其中形成有所述致动器驱动部的所述层的所述第一子集。8.根据权利要求1至7中的任一项所述的微机电声压产生装置，其中，每个致动器驱动部的所述成对的电极布置的所述凹槽大体上在所述第一方向和所述第二方向上延伸并且面向彼此。9.根据权利要求1至8中的任一项所述的微机电声压产生装置，其中，每个电极布置的所述第一电极部和所述第二电极部形成所述致动器驱动部的单个电极，并且可选地，其中，在每个电极布置中，大体上在所述第一方向和所述第三方向上延伸的导电的连接部电连接相应的所述电极布置的所述第一电极部和所述第二电极部。10.根据权利要求1至9中的任一项所述的微机电声压产生装置，其中，在每个电极布置中，所述第一电极部与所述第二电极部之间的距离在包含50nm在内和包含5.0μm在内的范围内。11.根据权利要求1至9中的任一项所述的微机电声压产生装置，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍尔格，
申请(专利权)人：罗伯特，
类型：发明
国别省市：