CN102006540A - 具有活塞膈膜的压电微扬声器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有活塞膈膜的压电微扬声器及其制造方法。该压电微扬声器包括：基板，具有形成在其中的腔室；振动膜，设置在基板上并至少覆盖腔室的中心部分；压电致动器，设置在振动膜上，从而使振动膜振动；以及活塞隔膜，设置在腔室中并通过振动膜的振动进行活塞运动。当振动膜由于压电致动器而振动时，通过活塞杆连接到振动膜的活塞隔膜在腔室中进行活塞运动。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电微扬声器，更具体地，涉及具有活塞膈膜(pistondiaphragm)的压电微扬声器及制造该压电微扬声器的方法。
背景技术
由于能进行个人话音通信和数据通信的终端的快速发展，因此传输和接收的数据量逐渐增加。然而，同时，终端被小型化并具有不同的功能。
在该方面，已经进行了对使用微机电***(MEMS)的声学器件的研究。特别地，通过使用MEMS技术和半导体技术制造微扬声器，微扬声器可以被小型化，可以具有降低的成本，并可以容易地与***电路集成。
使用MEMS技术的微扬声器可以是静电型、电磁型或压电型。特别地，压电型微扬声器可以在比静电型更低的电压下工作。此外，压电型微扬声器可以具有简单的结构，并且与电磁型微扬声器相比可以易于制作得更薄。
发明内容
本公开的一个或多个实施例包括具有活塞隔膜的压电微扬声器以及制造该压电微扬声器的方法，该活塞隔膜可以利用活塞运动增加声音输出。
另外的方面将在以下的描述中部分阐述，并从该描述变得部分明显，或者可以通过实践给出的实施例而习知。
根据一个或多个实施例，微扬声器包括：基板，具有形成在其中的腔室，该腔室穿透基板；振动膜，设置在基板上且至少覆盖腔室的中心部分；压电致动器，设置在振动膜上，其中压电致动器的移动使振动膜振动；以及活塞隔膜，设置在腔室中并连接到振动膜，其中由于压电致动器的移动而引起的振动膜的振动使活塞隔膜移动。
微扬声器还可以包括活塞杆(piston bar)，该活塞杆设置在腔室的中心部分并将活塞隔膜与振动膜连接，其中由于压电致动器的移动而引起的振动膜的振动通过活塞杆被传递到活塞隔膜。
间隙可形成在腔室的内圆周表面与活塞隔膜的外圆周表面之间。
腔室可以具有基本圆柱形的形状，活塞隔膜可以具有基本圆形的形状，活塞隔膜的直径小于腔室的直径。
振动膜可以覆盖整个腔室，压电致动器的面积可以小于腔室的表面积。
压电致动器可以具有横跨腔室的中心部分延伸的条形(bar shape)，振动膜可以具有与压电致动器的条形相对应的条形。
压电致动器可以具有条形，该条形形成从基板的上表面在腔室的中心部分之上延伸的悬臂，振动膜可以具有与压电致动器的条形相对应的条形。
压电致动器可以包括在腔室的相对侧从基板的上表面在腔室之上延伸的两个悬臂压电致动器，振动膜包括在腔室之上延伸并连接到两个压电致动器的连接构件。在该情形下，连接构件可以插设在两个压电致动器之间并可以具有蜿蜒的形状(serpentine shape)。
振动膜可以由绝缘材料形成，压电致动器可以包括设置在振动膜上的第一电极层、设置在第一电极层上的压电层以及设置在压电层上的第二电极层。
根据一个或多个实施例，一种制造微扬声器的方法包括：通过蚀刻基板的第一侧在基板中形成具有预定深度的腔室；在基板的第一侧上形成振动膜，振动膜覆盖腔室；在振动膜上形成压电致动器；以及通过蚀刻基板的与第一侧相反的第二侧形成活塞隔膜，以及形成连接到腔室的边缘的沟槽，其中活塞隔膜附接到振动膜并与基板分离且相对于基板可移动。
在腔室的形成中，活塞杆可以形成在腔室的中心部分处，以将振动膜与活塞隔膜连接。
腔室可以具有基本圆柱形的形状，活塞隔膜可以具有基本圆形的形状，活塞隔膜的直径小于腔室的直径。
形成振动膜可以包括：通过将绝缘体上硅(SOI)基板接合到基板而覆盖腔室，第一硅层、氧化物层和第二硅层层叠在SOI基板中；去除SOI基板的第二硅层和氧化物层；以及在第一硅层上形成振动膜。
振动膜可以形成为覆盖整个腔室，压电致动器的面积可以小于腔室的横截面面积。
在压电致动器的形成中，压电致动器可以具有横跨腔室的中心部分延伸的条形，并且在形成活塞隔膜之后，振动膜可以被构图以具有与压电致动器的条形相对应的条形。
在压电致动器的形成中，压电致动器可以具有条形，该条形形成从基板的第一表面在腔室的中心部分之上延伸的悬臂，并且在形成活塞隔膜之后，振动膜可以被构图以具有与压电致动器的条形相对应的条形。
在压电致动器的形成中，压电致动器可以具有在腔室的相对侧从基板的第一表面在腔室之上延伸的两个悬臂压电致动器的形式，并且在形成活塞隔膜之后，通过构图振动膜，可以形成连接两个悬臂压电致动器的连接构件。在该情形下，连接构件可以插设在两个悬臂压电致动器之间，并可以具有蜿蜒的形状。
附图说明
从以下结合附图的对实施例的详细描述，以上和/或其它的方面将变得明显并更易于理解，附图中：
图1是根据实施例的压电微扬声器的截面图；
图2是图1的压电微扬声器的透视图；
图3是根据另一实施例的压电微扬声器的透视图；
图4是图3所示的压电微扬声器的截面图；
图5是根据另一实施例的压电微扬声器的透视图；
图6是图5所示的压电微扬声器的截面图；
图7是根据另一实施例的压电微扬声器的透视图；以及
图8A至图8G是依次示出制造图1和图2所示的压电微扬声器的方法的截面图。
具体实施方式
在下文，将参照附图更充分地描述一个或多个实施例。然而，实施例不限于在下文说明的实施例，这里提供实施例以向本公开所属领域的技术人员进行充分地描述。在附图中，相同的附图标记指代相同的元件，并且为了清晰起见，元件的尺寸被夸大。
图1是根据实施例的压电微扬声器的截面图，图2是图1的压电微扬声器的透视图。
参照图1和图2，根据当前实施例的压电微扬声器包括基板110、振动膜122、压电致动器120和活塞膈膜130，其中基板110具有腔室112，振动膜122形成在基板110上以覆盖腔室112，压电致动器120形成在振动膜122上，活塞膈膜130设置在腔室112中。
更具体地，基板110可以由硅晶片形成，该硅晶片可被精细微加工。腔室112可以形成为沿厚度方向穿透基板110的预定部分，并可以具有各种形状，例如圆柱形。
振动膜122可以在基板110的一侧形成预定的厚度，并可以由绝缘材料诸如硅氮化物(例如Si3N4)形成。振动膜122可以形成为至少覆盖腔室112的中心部分，并且如图1和图2所示，振动膜122可以形成为覆盖整个腔室112。
压电致动器120使振动膜122振动，压电致动器120可以包括以下面的顺序依次形成在振动膜122上的第一电极层124、压电层126和第二电极层128。第一电极层124和第二电极层128可以由导电金属形成，压电层126可以由压电材料形成，例如氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)或锆钛酸铅(PZT)。压电致动器120形成为对应于腔室112，并且压电致动器120的面积可以小于腔室112的面积。此外，压电致动器120可以具有与腔室112的形状相对应的形状，例如圆形板。包括在压电致动器120中的第一电极层124和第二电极层128可以包括分别在基板110上延伸的条状延伸单元124a和128a。
活塞膈膜130设置在腔室112中，并可以由于振动膜122的振动而进行活塞运动的移动。活塞膈膜130可以具有与腔室112的形状相对应的形状(例如圆形板)，并且活塞膈膜130的直径小于腔室112的直径从而允许在腔室112中的自由活塞运动。因此，预定间隙G形成在腔室112的圆周表面与活塞膈膜130的圆周表面之间。活塞膈膜130可以通过设置在腔室112的中心处的活塞杆132而连接到振动膜122，并且由于压电致动器120引起的振动膜122的振动可以通过活塞杆132传递到活塞膈膜130。
在上述的压电微扬声器中，当预定的电压通过第一电极层124和第二电极层128施加到压电层126时，压电层126变形并且振动膜122振动。由压电致动器120引起的振动膜122的振动通过活塞杆132传递到活塞膈膜130，活塞膈膜130沿图1中的箭头所示的方向A前后移动，也就是进行活塞运动。由于活塞膈膜130的活塞运动，可以产生声音，并且所产生的声音可以被发送到腔室112的前面。
振动膜122可以通过压电致动器120而变形为对应于图1所示的交替的一长两短的虚线B。由于振动膜122在腔室122的边缘处固定到基板110，所以振动膜122的位移在腔室112的中心处最大并在边缘处减小。因此，当声音仅通过振动膜122的振动产生时，振动膜122的变形程度是低的，因而会难于获得足够级别的声音。
然而，如图1和图2所示，振动膜122的位移在腔室112的中心处最大。当活塞膈膜130通过活塞杆132连接到振动膜122的发生最大位移的部分时，活塞膈膜130的最大位移可以对应于振动膜122的最大位移。也就是，活塞膈膜130不仅在其中心处进行位移而且进行如图1所示的交替的一长两短的虚线C所示的活塞运动，因而活塞膈膜130的位移程度大于振动膜122的位移程度。作为模拟的结果，由实线所示的活塞膈膜130的初始位置与由交替的一长两短的虚线C所示的活塞膈膜130的最大位移位置之间的体积是由实线所示的振动膜122的初始位置与由交替的一长两短的虚线B所示的振动膜122的最大变形位置之间的体积的81倍。
如上所述，在图1和图2所示的压电微扬声器中，高声音输出可以由于设置在腔室112中的活塞膈膜130的活塞运动而获得。此外，可以调整活塞膈膜130的质量以控制共振频率。
图3是根据另一实施例的压电微扬声器的透视图，图4是图3所示的压电微扬声器的截面图。
参照图3和图4，压电致动器220可以具有横跨腔室112的中心延伸的桥的形式，例如具有预定宽度的长条形式。压电致动器220可以包括以下面的顺序依次形成在振动膜222上的第一电极层224、压电层226和第二电极层226。第一电极层224和第二电极层228可以由导电金属形成，压电层226可以由压电材料形成，例如氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)或锆钛酸铅(PZT)。形成在基板110上的振动膜222可以具有与在腔室112中的压电致动器220相对应的桥的形式。因此，振动膜222至少覆盖腔室112的中心部分，并且如图3所示可以不覆盖整个腔室112。
如上所述，具有桥的形式的压电致动器220具有比图1的压电致动器120低的结构刚度，因而在腔室112的中心部分处的最大位移可以比由压电致动器120引起的最大位移大。因此，通过活塞杆132连接到振动膜122的中心部分处的活塞膈膜130的最大位移增加，从而声音输出也可以增加。
图5是根据另一实施例的压电微扬声器的透视图，图6是图5所示的压电微扬声器的截面图。
参照图5和图6，压电致动器320可以具有从基板110的上表面延伸到腔室112的中心部分的悬臂的形式。压电致动器320可以包括以下面的顺序依次形成在振动膜322上的第一电极层324、压电层326和第二电极层328。第一电极层324和第二电极层328可以由导电金属形成，压电层326可以由压电材料形成，例如氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)或锆钛酸铅(PZT)。形成在基板110上的振动膜322可以具有延伸到腔室112的中心的条的形式，从而对应于压电致动器320。因此，振动膜322形成为至少覆盖腔室112的中心部分，并且如图5所示可以不覆盖整个腔室112。
如上所述，具有悬臂形式的压电致动器320在对应于腔室112的中心部分的位置处的最大位移可以大于图3的压电致动器220在对应于腔室112的中心部分的位置处的最大位移。因此，通过活塞杆132连接到振动膜322的中心部分的活塞膈膜130的最大位移增加，从而声音输出也可以增加。
图7是根据另一实施例的压电微扬声器的透视图。
参照图7，压电微扬声器可以包括两个压电致动器420，每个压电致动器420具有从基板110的上表面朝向腔室112的内部延伸的悬臂形式并且设置在腔室112的相对侧上。此外，形成在基板110上的振动膜422可以包括朝向腔室112的内部延伸并连接到两个压电致动器420的连接构件422a。连接构件422a插设在两个压电致动器420之间，并覆盖腔室112的中心部分。活塞杆132连接到振动膜422的连接构件422a。连接构件422a可以是如图7所示的蜿蜒的，从而可以减小对振动的阻力。
如上所述，当压电微扬声器包括两个悬臂形式的压电致动器420和振动膜422的连接到两个悬臂形式的压电致动器420的连接构件422a时，振动膜422，特别是连接构件422a，可以由于两个悬臂形式的压电致动器420而以高位移振动，从而活塞膈膜130可以以高位移进行活塞运动。此外，虽然两个悬臂形式的压电致动器420由于变形而倾斜，但是连接构件422a可以保持水平，使得连接到连接构件422a的活塞膈膜130可以在活塞运动时不倾斜并且可以保持水平。
在下文，描述图1和图2所示的压电微扬声器的制造方法。
图8A至图8G是依次示出图1和图2所示的压电微扬声器的制造方法的截面图。
参照图8A，制备基板110，其中基板110可以由硅晶片形成，硅晶片可被精细地微加工。
接着，如图8B所示，基板110的一侧被蚀刻以形成具有预定深度的腔室112以及在腔室112的中心处突出的活塞杆132。这里，腔室112可以是圆柱形的。然后，在蚀刻工艺期间在基板110上产生的杂质被去除，氧化物层114可以形成在形成有腔室112的表面上。
如图8C至图8E所示，振动膜122形成在基板110的一侧上以覆盖腔室112。
更具体地，如图8C所示，绝缘体上硅(SOI)基板116接合到基板110从而覆盖腔室112。这里，接合方法可以包括熔融接合，并可以使用其它的接合方法，诸如阳极接合、扩散接合或热压缩接合。SOI基板116可以具有第一硅层117、氧化物层118和第二硅层119以此顺序依次堆叠的堆叠结构。然后，如图8D所示，利用蚀刻或化学机械抛光(CMP)去除包括在SOI基板116中的第二硅层119和氧化物层118，从而仅保留第一硅层117。然后，绝缘材料诸如硅氮化物(例如Si3N4)沉积在第一硅层117上，由此形成振动膜122。
然后，如图8F所示，第一电极层124、压电层126和第二电极层128以此顺序依次形成在振动膜122上，从而形成压电致动器120。这里，压电致动器120形成在对应于腔室112的位置处，并可以具有比腔室112小的面积。此外，压电致动器120可以具有与腔室112的形状相对应的形状，例如圆板。更具体地，第一电极层124可以通过以下步骤形成：经由溅射或蒸发在振动膜122上沉积导电金属材料例如Au、Mo、Cu、Al、Pt或Ti至约0.1μm到3μm的厚度，然后对导电金属材料构图以具有预定的形状。压电层126(其由压电材料例如AlN、ZnO或PZT形成)可以经由溅射或旋涂(spinning)形成在第一电极层124上至约0.1μm到3μm的厚度。第二电极层128可以以与形成第一电极层124的方法相同的方式形成在压电层126上。
接着，如图8G所示，基板110的与腔室112相反的一侧被蚀刻以形成与腔室112的边缘连通的沟槽134。然后，形成通过沟槽134与基板110分离的活塞膈膜130。
因此，振动膜122和压电致动器120形成在基板110上，从而制得压电微扬声器，其中活塞膈膜130设置在基板110的腔室112中。
此外，图3、图5和图7所示的压电微扬声器可以利用图8A至图8G所示的方法来制造。然而，在制造图3所示的压电微扬声器中，压电致动器220在图8F所示的工艺中形成为横跨腔室112的中心部分的桥。在图8G所示的工艺之后，振动膜222被构图以具有与压电致动器220相对应的桥的形式。在制造图5所示的压电微扬声器中，压电致动器320在图8F所示的工艺中形成为从基板110的上表面延伸到腔室112的中心部分的悬臂形式。在图8G所示的工艺之后，振动膜322被构图以具有延伸到腔室112的中心部分的条的形式，从而对应于压电致动器320。在制造图7所示的压电微扬声器中，两个压电致动器420在图8F所示的工艺中形成为在腔室112的相对侧从基板110的上表面朝向腔室112的内部延伸的悬臂。在图8G所示的工艺之后，连接单元422a(其连接到两个压电致动器420)可以通过蚀刻振动膜422进一步形成。这里，连接单元422a可以是蜿蜒的。
应当理解，这里描述的实施例应当以描述性的含义理解，而不是为了限制的目的。对每个实施例中的特征或方面的描述通常应当被理解为可用于其它实施例中的其它类似的特征或方面。
Claims (20)
1.一种微扬声器，包括：
基板，具有形成在其中的腔室；
振动膜，设置在所述基板上且至少覆盖所述腔室的中心部分；
压电致动器，设置在所述振动膜上，其中所述压电致动器的移动使所述振动膜振动；以及
活塞隔膜，设置在所述腔室中并连接到所述振动膜，其中由于所述压电致动器的移动而引起的所述振动膜的振动使所述活塞隔膜移动。
2.根据权利要求1所述的微扬声器，还包括活塞杆，该活塞杆设置在所述腔室的中心部分处并将所述活塞隔膜与所述振动膜连接，其中由于所述压电致动器的移动而引起的所述振动膜的振动通过所述活塞杆被传送到所述活塞隔膜。
3.根据权利要求1所述的微扬声器，其中间隙形成在所述腔室的内圆周表面与所述活塞隔膜的外圆周表面之间。
4.根据权利要求1所述的微扬声器，其中所述腔室具有基本圆柱形的形状，所述活塞隔膜具有基本圆形的形状。
5.根据权利要求4所述的微扬声器，其中所述活塞隔膜的外直径小于所述腔室的内直径。
6.根据权利要求1所述的微扬声器，其中所述振动膜覆盖整个腔室，所述压电致动器的横截面面积小于所述腔室的横截面面积。
7.根据权利要求1所述的微扬声器，其中所述压电致动器具有条形且横跨所述腔室的中心部分延伸，所述振动膜具有与所述压电致动器的条形相对应的条形。
8.根据权利要求1所述的微扬声器，其中所述压电致动器具有条形且形成从所述基板的上表面在所述腔室的中心部分之上延伸的悬臂，所述振动膜具有与所述压电致动器的条形相对应的条形且延伸到所述腔室的中心部分。
9.根据权利要求1所述的微扬声器，其中所述压电致动器包括在所述腔室的相对侧从所述基板的上表面在所述腔室之上延伸的两个悬臂压电致动器，所述振动膜包括在所述腔室之上延伸并连接到所述两个悬臂压电致动器的连接构件。
10.根据权利要求9所述的微扬声器，其中所述连接构件插设在所述两个悬臂压电致动器之间并具有蜿蜒的形状。
11.根据权利要求1所述的微扬声器，其中所述振动膜包括绝缘材料，所述压电致动器包括设置在所述振动膜上的第一电极层、设置在所述第一电极层上的压电层以及设置在所述压电层上的第二电极层。
12.一种制造微扬声器的方法，所述方法包括：
通过蚀刻基板的第一侧在所述基板中形成具有预定深度的腔室；
在所述基板的第一侧上形成振动膜，所述振动膜覆盖所述基板的第一侧上的腔室；
在所述振动膜上形成压电致动器；以及
通过蚀刻所述基板的与所述第一侧相反的第二侧形成活塞隔膜，以及形成连接到所述腔室的边缘的沟槽，所述活塞隔膜附接到所述振动膜并且与所述基板分离且相对于所述基板可移动。
13.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述腔室包括在所述腔室的中心部分处形成活塞杆，其中所述活塞杆将所述振动膜与所述活塞隔膜连接。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述腔室具有基本圆柱形的形状，所述活塞隔膜具有基本圆形的形状，所述活塞隔膜的直径小于所述腔室的直径。
15.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述振动膜包括：
通过将所述绝缘体上硅基板接合到所述基板而覆盖所述腔室，所述绝缘体上硅基板包括第一硅层、氧化物层和第二硅层；
去除所述绝缘体上硅基板的所述第二硅层和所述氧化物层；以及
在所述第一硅层上形成所述振动膜。
16.根据权利要求12所述的方法，其中
形成所述振动膜包括形成所述振动膜以覆盖整个腔室，以及
所述压电致动器的表面积小于所述腔室的表面积。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述压电致动器具有条形且横跨所述腔室的中心部分延伸，以及
所述方法还包括，在形成所述活塞隔膜之后，所述振动膜被构图以具有与所述压电致动器的条形相对应的条形。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述压电致动器具有条形且形成从所述基板的第一表面在所述腔室的中心部分之上延伸的悬臂，以及
所述方法还包括，在形成所述活塞隔膜之后，所述振动膜被构图以具有与所述压电致动器的条形相对应的条形的形状。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述压电致动器包括在所述腔室的相对侧从所述基板的第一表面在所述腔室之上延伸的两个悬臂压电致动器，以及
所述方法还包括，在形成所述活塞隔膜之后，对所述振动膜构图以形成连接所述两个悬臂压电致动器的连接构件。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述连接构件插设在所述两个悬臂压电致动器之间，并具有蜿蜒的形状。
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