CN111866676A - 可动嵌入式微结构及微型扬声器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可动嵌入式微结构及微型扬声器，其中该可动嵌入式微结构包括：基板、振膜、电路板、永久磁性元件以及多层线圈。前述基板具有中空腔室。前述振膜设置于前述基板上，且覆盖前述中空腔室。前述电路板接合至前述基板。前述永久磁性元件设置于前述电路板上，且设置于前述中空腔室中。前述多层线圈嵌入于前述振膜中。

Description

可动嵌入式微结构及微型扬声器
技术领域
本发明涉及一种可动嵌入式微结构，特别是涉及一种包括多层线圈的可动嵌入式微结构。
背景技术
由于电子产品正朝着更小、更薄的方向发展，如何缩小这些电子产品的尺寸始成一重要的课题。微机电***(Micro electromechanical system；MEMS)技术是一种用以有效地缩小元件尺寸的技术。微机电***技术的概念是结合半导体加工技术及精准的机械技术，并制造具多功能的微型元件及微型***。然而，用以制造动圈式扬声器的微机电***技术仍未有所发展。
发明内容
本发明的一些实施例提供一种可动嵌入式微结构，包括：基板、振膜、电路板、永久磁性元件以及多层线圈。前述基板具有中空腔室。前述振膜设置于前述基板上，且覆盖前述中空腔室。前述电路板接合至前述基板。前述永久磁性元件设置于前述电路板上，且设置于前述中空腔室中。前述多层线圈嵌入于前述振膜中。
在一些实施例中，前述可动嵌入式微结构还包括绝缘层，形成于前述基板和前述振膜之间。前述可动嵌入式微结构还包括籽晶层及软磁元件，其中前述籽晶层设置于前述绝缘层和前述软磁元件之间。前述籽晶层及前述软磁元件嵌入于前述振膜中。前述软磁元件及前述永久磁性元件位于不同的水平面上。前述籽晶层包括钛及/或铜。前述软磁元件包括镍铁合金。
在一些实施例中，前述多层线圈包括第一层及第二层，且前述第一层与前述第二层至少部分重叠。前述可动嵌入式微结构还包括介电层，形成于前述第一层和前述第二层之间。前述介电层具有多个通孔，且前述第一层通过前述通孔与前述第二层电连接。在垂直方向上，前述介电层的通孔会与前述振膜的开口重叠。在一些实施例中，前述第一层具有螺旋结构，设置于前述振膜的中心轴周围，且前述第二层会越过前述螺旋结构。前述第一层在前述振膜的开口中与前述第二层电连接，且前述第一层具有一S形结构，将前述螺旋结构连接至前述开口。在一些实施例中，前述第一层包括多个同轴段部，设置于前述振膜的中心轴周围，且前述同轴段部通过前述第二层相互电连接。前述第二层对称地设置于前述振膜的中心轴周围。
在一些实施例中，前述多层线圈包括铝硅合金、铝或铜。前述振膜包括大分子材料，且前述大分子材料的杨氏模数(Young’s modulus)介于1MPa至100GPa的范围内。在一些实施例中，一沟槽形成在前述振膜周围。前述电路板具有气孔，且前述气孔允许前述中空腔室与外界环境连通。
本发明的一些实施例提供一种微型扬声器，包括：基底、振膜、电路板、永久磁性元件、多层线圈以及软磁元件。前述基底具有中空腔室。前述振膜设置于前述基板上，且覆盖前述中空腔室。前述电路板接合至前述基板。前述永久磁性元件设置于前述电路板上，且设置于前述中空腔室中。前述多层线圈嵌入于前述振膜中。前述软磁元件设置于前述基板上，且嵌入于前述振膜中。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出优选实施例，并配合所附的附图，做详细说明如下。
附图说明
图1为本发明一些实施例的可动嵌入式微结构的俯视示意图；
图2为图1所示的区域I的放大示意图；
图3A至图3E为图1所示的可动嵌入式微结构的制造过程的剖视示意图；
图4为本发明另一些实施例的可动嵌入式微结构的俯视示意图；
图5为图4所示的区域J的放大示意图；
图6为沿图4所示的线D-D、E-E的剖视示意图。
符号说明
10、20 可动嵌入式微结构
100、200 基板
101、102、201、202 绝缘层
110、210 振膜
111、211 开口
120、220 多层线圈
121、221 第一层
121A 螺旋结构
121B S形结构
122、222 第二层
130、230 介电层
130A、230A 通孔
131、231 籽晶层
132、232 软磁元件
140、240 沟槽
150、250 电路板
151、251 气孔
160、260 永久磁性元件
221A 同轴段部
A-A、B-B、C-C、D-D、E-E 线
I、J 区域
O 中心轴
S 中空腔室
具体实施方式
以下说明本发明实施例的可动嵌入式微结构。然而，可轻易了解本发明实施例提供许多合适的发明概念而可实施于广泛的各种特定背景。所揭示的特定实施例仅仅用于说明以特定方法使用本发明，并非用以局限本发明的范围。
除非另外定义，在此使用的全部用语(包括技术及科学用语)具有与此篇揭露所属的一般技术者所通常理解的相同涵义。能理解的是这些用语，例如在通常使用的字典中定义的用语，应被解读成具有一与相关技术及本揭露的背景或上下文一致的意思，而不应以一理想化或过度正式的方式解读，除非在此特别定义。
请参照图1，图1显示根据本发明一些实施例的可动嵌入式微结构10的俯视示意图。举例而言，可动嵌入式微结构10为电声转换器(例如动圈式扬声器)，且可设置于一般的电子产品中。如图1所示，可动嵌入式微结构10包括基板100、振膜110、多层线圈120及软磁元件132。举例而言，基板100可以是由硅或任何适合的材料制成。振膜110设置于基板100上，且可相对于基板100移动。应注意的是，在本实施例中，振膜110绘示成透明的，以显示可动嵌入式微结构10的内部结构。
此外，多层线圈120及软磁元件132嵌入于振膜110中，意即多层线圈120及软磁元件132并不会显露出来。多层线圈120配置以传输电信号，并驱使振膜110根据前述电信号相对于基板100产生形变。在振膜110中形成有两个开口111。多层线圈120包括第一层121及第二层122，且第一层121在开口111的至少其中一者中与第二层122电连接。第一层121和第二层122位于不同的平行于X-Y平面的水平面上。在本实施例中，第二层122高于第一层121。亦即，第二层122相较于第一层121更接近振膜110的顶部。
应注意的是，第一层121在开口111的至少其中一者中与第二层122电连接，以从控制单元(未图示)传递电信号，用于控制可动嵌入式微结构10的运作。在本实施例中，第一层121还包括螺旋结构121A及S形结构121B。应理解的是，在图1中示意性地绘示多层线圈120(例如螺旋结构121A)，而多层线圈120的详细结构则显示于图2中。螺旋结构121A设置于振膜110的中心轴O周围，且S形结构121B将螺旋结构121A连接至开口111的其中一者。传输至多层线圈120中的电信号可驱使振膜110相对于基板100形变。通过设置S形结构121B，振膜110可更具有弹性，并可降低振动的难度。此外，第二层122也包括S形结构。
另外，在振膜110中形成有沟槽140，且可动嵌入式微结构10由沟槽140所围绕。由于可动嵌入式微结构10可形成在晶片上，沟槽140界定出每一个可动嵌入式微结构10的区域。如此一来，沟槽140可有助于利用切割方法(例如激光)将此些可动嵌入式微结构10分隔开来。
图2显示图1所示的区域I的放大示意图。如图2所示，第二层122跨越螺旋结构121A。在第一层121和第二层122之间设置有介电层130，以防止在第一层121和第二层122之间产生短路。在介电层130中形成有通孔130A，且第一层121通过通孔130A与第二层122电连接。以下将配合图3A至图3E说明可动嵌入式微结构10的详细结构。
图3A至图3E显示图1所示的可动嵌入式微结构10的制造过程的剖视示意图。应了解的是，图3A至图3E的每一者都包括沿图1所示的线A-A、B-B及C-C的剖视图。如此一来，可在单一附图中绘示可动嵌入式微结构10不同部分的制造过程。在图3A至图3E中提供两组坐标轴，其中在左侧的一组坐标轴对应至线A-A的剖视图，而在右侧的另一组坐标轴则对应至线B-B及C-C的剖视图。
如图3A所示，提供基板100。在基板100上形成有两层绝缘层101、102，其中绝缘层101设置于绝缘层102和基板100之间。可以由热氧化、化学气相沉积(chemical vapordeposition；CVD)、等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapordeposition；PECVD)或任何其他的方法来形成绝缘层101、102。通过物理气相沉积(physical vapor deposition；PVD)，例如溅镀(sputter)或蒸镀(evaporation)，在绝缘层102上形成多层线圈120的第一层121。接着，对第一层121执行光刻制作工艺，以将第一层121图案化。举例而言，产生图1所示的螺旋结构121A及S形结构121B。第一层121的材料包括铝硅合金、铝、铜或任何其他适合的导电材料。通过炉管制作工艺(furnace process)或化学气相沉积制作工艺，在第一层121及绝缘层102上形成有介电层130。介电层130可以是掺碳(carbon-doped)氧化物或任何其他适合的绝缘材料。
接下来，如图3B所示，对介电层130执行光刻制作工艺及/或蚀刻制作工艺，可在介电层130中形成通孔130A，并显露出第一层121。接着，通过物理气相沉积(例如溅镀或蒸镀)，在介电层130和第一层121上形成多层线圈120的第二层122。相似地，对第二层122执行光刻制作工艺，以将第二层122图案化，留下位于介电层130上或在通孔130A中的部分。第二层122的材料包括铝硅合金、铝、铜或任何其他适合的导电材料。
通过物理气相沉积(例如溅镀或蒸镀)，在介电层130上形成籽晶层131，且对籽晶层131执行光刻制作工艺，以将籽晶层131图案化。籽晶层131位于螺旋结构121A(如图1所示)周围。籽晶层131的材料包括钛(titanium；Ti)及/或铜(copper；Cu)。软磁元件132电镀至籽晶层131上。软磁元件132可包括镍铁合金(nickel-iron alloy；NiFe)或任何其他适合的导磁性材料。
此外，介电层130通过光刻制作工艺而切割成分离的片段，留下必要的部分以使第一层121与第二层122绝缘。通过移除介电层130的非必要的部分，振膜110可更具有弹性，并提升可动嵌入式微结构10的性能。
如图3C所示，通过旋转涂布或任何其他适合的方法在上述结构上形成振膜110。亦即，第一层121、第二层122、介电层130、籽晶层131和软磁元件132嵌入于振膜110中。振膜110的材料可以是聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane；PDMS)、SU-8材料或任何其他适合的大分子材料。举例而言，前述大分子材料的杨氏模数(Young’s modulus)介于1MPa至100GPa的范围内。在一些实施例中，振膜110的杨氏模数小于聚酰亚胺(Polyimide；PI)的杨氏模数。
如图3D所示，对振膜110执行光刻制作工艺。如此一来，在振膜110中形成有开口111，且在振膜110周围形成沟槽140。开口111可显露出第二层122。第一层121于开口111中与第二层122电连接。换言之，由一垂直方向(Z轴)观察，振膜110的开口111与通孔130A的其中一者会重叠。此外，对基板100执行深反应离子式蚀刻(deep reactive-ion etching)制作工艺或利用蚀刻剂的蚀刻制作工艺，以在基板100中形成中空腔室S。振膜110覆盖中空腔室S。应注意的是，绝缘层101和102可作为蚀刻停止层。因此，可保护振膜110与多层线圈120而不会被蚀刻。由于绝缘层101和102之间的蚀刻程度不同，沿Z轴观察蚀刻后的绝缘层101和102可能不会完全地重叠。举例而言，可在绝缘层101面向中空腔室S的一侧形成凹槽。
如图3E所示，电路板150例如为印刷电路板(printed circuit board；PCB)，且接合至基板100。亦即，基板100位于电路板150和绝缘层101之间。电路板150具有至少一气孔151，其允许中空腔室S与外接环境连通。永久磁性元件160设置于电路板150上，且位于中空腔室S中。应注意的是，永久磁性元件160和软磁元件132位于不同的水平面上(其平行于X-Y平面)。永久磁性元件160配置以与多层线圈120合作来产生Z轴方向的力，且振膜110可根据所产生的力相对于基板100振动。软磁元件132可引导永久磁性元件160所产生的X-Y平面磁场。因此，可增强多层线圈120所产生的Z轴方向的力，且振膜110的频率响应会提高。
图4显示根据本发明另一些实施例的可动嵌入式微结构20的俯视示意图。应理解的是，可动嵌入式微结构20可包括与图1所示的可动嵌入式微结构10相同或相似的部分，且此些相同或相似的部分将以相似的标号表示。举例而言，可动嵌入式微结构20包括基板220、振膜210、多层线圈220及软磁元件232。相似地，应注意的是，在本实施例中振膜210绘示成透明的，以显示可动嵌入式微结构20的内部结构。
此外，多层线圈220嵌入于振膜210中，并包括第一层221和第二层222，其中第一层221和第二层222位于平行于X-Y平面的不同的平面上。可动嵌入式微结构20与图1所示的可动嵌入式微结构10的不同之处在于：在本实施例中，第一层221包括多个同轴段部221A，设置于振膜210的中心轴O周围。前述同轴段部221A通过第二层222相互电连接。应理解的是，在图4中示意性地绘示多层线圈220，而多层线圈220的详细结构(例如同轴段部221A)显示于图5中。另外，第二层222对称地设置于振膜210的中心轴O周围。
图5显示图4所示的区域J的放大示意图。如图5所示，第二层222将第一层221的分离的同轴段部221A相互连接。介电层230设置在第一层221和第二层222之间，以防止在第一层221和第二层222之间产生短路。在介电层230中形成有开口230A，且第一层221在开口230A中与第二层222电连接。
图6显示沿图4所示的线D-D、E-E的剖视示意图。应了解的是，图6包括沿图4所示的线D-D、E-E的剖视图。在图6中提供两组坐标轴，其中在左手边的一组坐标轴是对应于沿线D-D的剖视图，而在右手边的另一组坐标轴则对应于沿线E-E的剖视图。
可动嵌入式微结构20的详细结构显示于图6中。可动嵌入式微结构20的制造过程与可动嵌入式微结构10的制造过程大致相同，并将不再详细说明。如图6所示，第二层222大致上平均分布于振膜210中。当振膜210相对于基板200振动时，振动力的分布可更为平均。因此，可降低可动嵌入式微结构20的总谐波失真(total harmonic distortion；THD)值，且可延长可动嵌入式微结构20的生命周期。
综上所述，本揭露的一些实施例提供一种具有多层线圈的可动嵌入式微结构。前述可动嵌入式微结构通过微机电***(MEMS)技术来制造。因此，可大幅缩小可动嵌入式微结构的尺寸。此外，通过对称地设置多层线圈的第二层，可降低可动嵌入式微结构的总谐波失真(THD)值。因此，可提升可动嵌入式微结构的性能。
虽然结合以上优选实施例公开了本发明，但应该了解的是，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作更动、替代与润饰。此外，本发明的保护范围并未局限于说明书内所述特定实施例中的制作工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，任何所属技术领域中具有通常知识者可从本发明揭示内容中理解现行或未来所发展出的制作工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，只要可以在此处所述实施例中实施大抵相同功能或获得大抵相同结果都可根据本发明使用。因此，本发明的保护范围包括上述制作工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤。另外，每一权利要求构成个别的实施例，且本发明的保护范围也包括各个权利要求及实施例的组合。

Claims (20)

1.一种可动嵌入式微结构，其特征在于，包括：
基底，具有中空腔室；
振膜，设置于该基板上且覆盖该中空腔室；
电路板，接合至该基板
永久磁性元件，设置于该电路板上且设置于该中空腔室中；以及
多层线圈，嵌入于该振膜中。
2.如权利要求1所述的可动嵌入式微结构，还包括绝缘层，形成于该基板和该振膜之间。
3.如权利要求2所述的可动嵌入式微结构，还包括籽晶层及软磁元件，其中该籽晶层设置于该绝缘层和该软磁元件之间。
4.如权利要求3所述的可动嵌入式微结构，其中该籽晶层及该软磁元件嵌入于该振膜中。
5.如权利要求3所述的可动嵌入式微结构，其中该软磁元件及该永久磁性元件位于不同的水平面上。
6.如权利要求3所述的可动嵌入式微结构，其中该籽晶层包括钛及/或铜。
7.如权利要求3所述的可动嵌入式微结构，其中该软磁元件包括镍铁合金。
8.如权利要求1所述的可动嵌入式微结构，其中该多层线圈包括第一层及第二层，且该第一层与该第二层部分重叠。
9.如权利要求8所述的可动嵌入式微结构，还包括介电层，形成于该第一层和该第二层之间。
10.如权利要求9所述的可动嵌入式微结构，其中该介电层具有多个通孔，且该第一层通过该多个通孔与该第二层电连接。
11.如权利要求10所述的可动嵌入式微结构，其中在垂直方向上，位于该介电层上的该多个通孔的其中数者会与该振膜的开口重叠。
12.如权利要求8所述的可动嵌入式微结构，其中该第一层具有螺旋结构，设置于该振膜的中心轴周围，且该第二层越过该螺旋结构。
13.如权利要求12所述的可动嵌入式微结构，其中该第一层于该振膜的开口中与该第二层电连接，且该第一层具有S形结构，将该螺旋结构连接至该开口。
14.如权利要求8所述的可动嵌入式微结构，其中该第一层包括多个同轴段部，设置于该振膜的中心轴周围，且该多个同轴段部通过该第二层相互电连接。
15.如权利要求14所述的可动嵌入式微结构，其中该第二层对称地设置于该振膜的该中心轴周围。
16.如权利要求1所述的可动嵌入式微结构，其中该多层线圈包括铝硅合金、铝或铜。
17.如权利要求1所述的可动嵌入式微结构，其中该振膜包括大分子材料，且该大分子材料的杨氏模数介于1 MPa至100 GPa的范围内。
18.如权利要求1所述的可动嵌入式微结构，其中一沟槽形成在该振膜周围。
19.如权利要求1所述的可动嵌入式微结构，其中该电路板具有多个气孔，且该多个气孔允许该中空腔室与外界环境连通。
20.一种微型扬声器，其特征在于，包括：
基底，具有中空腔室；
振膜，设置于该基板上且覆盖该中空腔室；
电路板，接合至该基板；
永久磁性元件，设置于该电路板上且设置于该中空腔室中；
多层线圈，嵌入于该振膜中；以及
软磁元件，设置于该基板上且嵌入于该振膜中。
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