CN117939375A - 用于产生声压的微机电装置及包括其的微机电扬声器*** - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式大体上涉及可以在微机电***(MEMS)中实现的用于产生声压的微机电装置的驱动。致动器的可移动的支脚通过连接元件的方式彼此连接并且形成侧表面，致动器的容积可以通过支脚的移动而改变以产生声压。

Description

用于产生声压的微机电装置及包括其的微机电扬声器***

技术领域

本发明的实施方式大体上涉及可以在微机电***(MEMS)中实现的用于产生声压的微机电装置的驱动。在本发明的一些实施方式中，用于产生声压的微机电装置例如以片上***(SoC)或***级封装(SiP)的形式在芯片/管芯中实现。本发明的其它实施方式涉及这种用于产生声压的微机电装置在微机电扬声器***中(例如在耳机、助听器等中)的使用。

背景技术

WO 2012/095185 A1中描述了纳米级静电驱动器(NED)的工作原理。NED以基于MEMS的致动器原理为基础。形成致动器的可移动的元件由具有至少两个彼此间隔开的电极的半导体材料(例如硅材料)形成。在这方面没有限制，也可以使用其它半导体材料。电极的长度远大于电极的厚度和电极的高度，即沿着硅材料的深度方向的尺寸。这些杆形电极彼此间隔开，并且以彼此局部电绝缘的方式固定。通过施加电势，在这些电极之间产生电场，这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。该材料试图通过呈现低应力状态来使这些应力均匀化，这引发移动。通过电极的特定的几何形状和形貌，可以以电极改变长度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。

现有技术中(例如WO 2016/202790 A2、WO 2020/078541 A1、WO 2022/117197A1、WO 2021/223886 A1等中，其中的每个通过引用并入本文中)描述了使用NED的微机电装置的实现和改进。在这些微机电装置中，在平面内移动多个致动器引起位于致动器之间的空气容积的变化，并且因此产生声压。这些微机电装置可以用作佩戴在耳朵中的声学换能器***。致动器之间的空气容积的调制在耳道内部产生可听声音。

WO 2022/117197 A1示出了一种MEMS部件，其包括具有多个MEMS层的层堆叠。MEMS部件包括形成在第一MEMS层中的可移动的元件(致动器)，该第一MEMS层布置在层堆叠的第二MEMS层和第三MEMS层之间的腔中。此外，提供了一种驱动装置，其具有机械地固定连接到可移动元件的第一驱动结构和机械地固定连接到第二MEMS层的第二驱动结构。驱动装置在可移动的元件上产生垂直于层的方向的驱动力。驱动力使可移动的元件偏转。

WO 2021/223886 A1也示出了一种MEMS部件，其包括具有多个MEMS层的层堆叠。MEMS包括沿着平面方向可移动地布置在第一MEMS平面中和腔中的相互作用结构，以便与腔中的流体(例如空气)相互作用。相互作用结构的移动与流体的通过至少一个开口的移动有因果关系。MEMS还包括在第二MEMS平面中垂直于平面方向布置的有源结构。有源结构机械地联接到绝缘结构并且配置为使得在有源结构的电接触处的电信号与有源结构的变形有因果关系。有源结构的变形又反过来与流体的移动有因果关系。

WO 2016/202790 A2示出了用于与流体的容积流量相互作用的另一MEMS换能器，其包括具有腔的基板。MEMS换能器还包括在所述腔中连接到基板并且具有可沿着横向移动方向变形的元件的机电换能器(致动器)。可变形元件沿着横向移动方向的变形和流体的容积流量彼此有因果关系。

发明内容

提供本发明内容是为了以简化的方式介绍在下面的详细描述中进一步详细描述的概念的选择。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的任何关键特征或必要特征。

本发明的实施方式旨在减小使微机电装置中的有源致动器结构偏转以产生声压所需的力。在这种情况下，应尽可能地不降低微机电装置的声学性能。

本发明的一个方面是设计一种用于微机电装置中的致动器，以便以机械上更灵活的方式产生声压。为此目的，致动器可以包括封闭微机电装置的分层***的层中的腔/空隙内的可变的腔容积的结构。致动器包括例如通过(柔性)连接结构(例如，在支脚/翅片的端部)彼此连接的一对支脚/翅片，并且因此形成限定微机电装置的腔内的可变的腔容积的侧表面。通过偏转支脚/翅片，可以改变腔容积并且可以产生声压。

例如，致动器可以包括大体上在第一方向(y)和垂直于第一方向的第二方向(z)上延伸并且在垂直于第一方向(y)和第二方向(z)的第三方向(x)上相对地布置的平面的第一支脚和平面的第二支脚。这两个支脚可以通过第一连接结构和第二连接结构连接，使得第一支脚、第二支脚、第一连接结构和第二连接结构封闭腔内的可变的腔容积以产生声压。

本发明的一些实施方式涉及一种用于产生声压的微机电装置。声压可以是例如在可听范围内或在超声范围内的声学声压。微机电装置可以在微机电***(MEMS)中实现。该装置包括包含多个层的分层***。分层***的层可以包括：平面的盖、平面的底部、以及布置成封闭盖与底部之间的腔的侧壁。此外，一个或多个可移动的致动器形成在分层***的层中的腔中。一个或多个致动器可被驱动以产生声压。致动器中的每个可以包括：平面的第一支脚和平面的第二支脚，两者大体上在第一方向(y)和垂直于第一方向的第二方向(z)上延伸，并且在垂直于第一方向(y)和第二方向(z)的第三方向(x)上相对地布置；以及第一连接结构和第二连接结构，连接第一支脚和第二支脚的相应的相对端部，使得第一支脚、第二支脚、第一连接结构和第二连接结构封闭腔内的可变的腔容积以产生声压。本公开中的术语“方向”并不总是严格地在数学意义上理解，而是也可以在沿着多个空间轴(左/右、顶部/底部、前/后)中的一个的方向的意义上理解。

在另一示例性实施方式中，在分层***的层中还形成有多个驱动部。这些驱动部可以配置为独立地移动每个致动器的第一支脚和第二支脚，以改变相应的致动器的封闭的腔容积。在一个示例性实施方式中，第一驱动部连接到致动器的第一支脚，并且第二驱动部连接到致动器的第二支脚。第一驱动部和第二驱动部配置为分别在第三方向(x)上在相反的方向上(即，在沿着空间轴的相反的方向上)移动致动器的支脚。通过由两个驱动部的方式来移动致动器的支脚，腔容积可以因此而改变，并且可以产生声压。

在示例性实施方式中，例如，分层***的其中形成有驱动部的一个或多个层可以形成在盖的一个或多个层与一个或多个致动器的一个或多个层之间，或者可以形成在盖的层中。例如，致动器的驱动可以因此形成在分层***的盖侧上。可替换地或附加地，分层***的其中形成有驱动部的一个或多个层也可以位于其中形成有底部的一个或多个层和形成一个或多个致动器的一个或多个层之间，或者形成在底部的层中。因此，也可以在底部侧上或者在盖侧和底部侧两者上实现驱动。另一示例性可替换实现提供了分层***的其中形成有驱动部的一个或多个层位于其中形成有致动器的层中。

在微机电装置的另一实施方式中，每个致动器经由连接元件连接到驱动部中的至少一个。这里，每个致动器可以通过连接元件保持在腔中。

根据另一实施方式，例如，致动器可以悬挂在侧壁上。这里，可以提供基于物质对物质接合的悬挂/连接或者基于形状锁定接合的悬挂/连接。例如，每个致动器可以经由连接元件连接到微机电装置的至少一个侧壁，并且可以通过连接元件保持在腔中。

在另一实施方式中，一个或多个致动器的支脚可以在第三方向(x)上是柔性的。这里，第三方向(x)不应被理解为数学意义，例如而是旨在描述与由第一方向和第二方向跨越的平面垂直的支脚的柔性。

根据微机电装置的其它实施方式，由致动器封闭的相应的腔容积在第二方向上由盖和底部界定。这里，可以在盖和每个致动器之间设置间隙，并且可以在底部和每个致动器之间设置间隙。这里，间隙的尺寸可以被设计成使得间隙用作其通带在微机电装置产生声压的声学频率范围之外的声滤波器。可替换地或同时，间隙可以形成得很小使得其流体闭合，即，当致动器的支脚移动时，流体(例如空气)的粘度不再足以流过间隙。

根据其它实施方式，可以在盖中设置与一个或多个致动器相关联的一个或多个开口。这里，致动器中的每个可以与盖中的至少一个开口相关联，该至少一个开口在第三方向(x)上位于相应的致动器的第一支脚和第二支脚之间，并且在相应的腔容积中产生的音压可以通过该至少一个开口由微机电装置发射。

在其它实施方式中，在底部中(也)可以设置在第三方向(x)上布置在一个或多个致动器旁边的一个或多个开口。例如，可以在底部中在第三方向(x)上在彼此直接相邻的两个致动器之间分别设置至少一个开口。在示例性实现中，与每个致动器相关联的至少一个开口可以于相应的致动器的腔容积的在第二方向(z)和第三方向(x)上延伸的区域(例如，由支脚的移动产生的最小区域)内形成在盖中。

在微机电装置的其它实施方式中，致动器的第一连接结构和第二连接结构与第一支脚和第二支脚一起限定可变形的侧表面，该侧表面在侧表面的平行于第一方向(y)延伸的轴的圆周方向(x，y)上封闭腔容积。

根据另一实施方式，致动器的第一连接结构和第二连接结构可以在第三方向(x)和/或第二方向(z)上具有比致动器的第一支脚和第二支脚在第三方向(x)上的刚度低的刚度。

在微机电装置的实施方式中，致动器的第一连接结构和第二连接结构可以分别由关节状结构和/或弹性结构形成。

根据其它实施方式，致动器的第一连接结构和第二连接结构可以形成在分层***的其中形成有致动器的支脚的层中。

本发明的其它实施方式涉及一种包括根据本文中所描述的实施方式的用于产生声压的微机电装置的、实现为片上***或***级封装的微机电扬声器***。

附图说明

从以下根据附图阅读的详细描述中将更好地理解本说明书，在附图中，相同的附图标记在整个所附说明书中用于表示相同的部件。

图1示出了来自WO 2016/202790 A2的MEMS换能器的示意性立体图；

图2A和图2B示出了根据本发明的实施方式的致动器的示例性结构；

图3示出了根据本发明的实施方式的致动器的另一示例性结构；

图4示出了根据本发明的实施方式的用于产生声压的基于MEMS的装置400的剖面；

图5A和图5B示出了根据本发明的实施方式的根据图4的装置400的沿着图4中的剖面线A-A和B-B的剖面；

图6A和图6B示出了根据本发明的另一实施方式的装置600的沿着图4中的剖面线A-A和B-B的剖面；

图7A和图7B示出了根据本发明的另一实施方式的装置700的沿着图4中的剖面线A-A和B-B的剖面；

图8示出了根据本发明的实施方式的图7A和图7B中的装置700中的用于驱动致动器的示例性梭***；以及

图9示出了根据本发明的实施方式的示例性微机电扬声器***。

具体实施方式

下面更详细地描述本发明的各种实施方式。用于产生声压的微机电装置和/或包括该微机电装置的扬声器***可以实现为芯片/管芯，例如实现为片上***(SoC)或***级封装(SiP)。

本发明的一个方面是设计一种用于微机电装置中的使用的致动器，以便以机械上更灵活的方式产生声压。本发明的各种实施方式提供了致动器的结构，以在微机电装置的分层***的层中的腔/空隙内封闭可变的腔容积(也可以称为容积可变的局部腔)。为此目的，致动器可以包括一对支脚/翅片，其通过(柔性)连接结构(例如支脚/翅片的端部)的方式彼此连接，并且因此形成限定微机电装置的腔的局部腔的侧表面。为了产生声压，可以改变局部腔的容积。在所示的实施方式中，致动器的支脚/翅片是可驱动的或可偏转的，从而可以改变局部腔的容积。通过封闭微机电装置的腔的容积可变的局部腔，致动器限定其自身的可变的腔容积，这使得能够减少/防止微机电装置的腔内的声学短路。

在本发明的实施方式中的一些中，连接结构是更柔性的或更不刚性的，即致动器的支脚/翅片和致动器的支脚/翅片不连接或紧固到基板(特别是微机电装置的腔的侧壁)，从而需要相对较低的力来(例如在相反的方向上)移动致动器的支脚/翅片，并且因此可以实现由致动器限定的腔容积的期望容积变化。因此，致动器的支脚/翅片或致动器本身可以“自由地”悬挂在微机电装置的腔中。例如，致动器的支脚/翅片可以在底部侧和/或盖侧上连接到驱动装置，该驱动装置通过连接结构(例如，梭布置(也称为：滑架布置))移动致动器的支脚/翅片。连接结构可以将致动器的支脚/翅片保持在微机电装置的腔中。根据本发明的各种实施方式，致动器可以包括平面的第一支脚和平面的第二支脚。两个支脚可以大体上在第一方向(y)和垂直于第一方向的第二方向(z)上延伸，并且在垂直于第一方向(y)和第二方向(z)的第三方向(x)上相对地布置。这两个支脚可以通过第一连接结构和第二连接结构的方式连接，使得第一支脚、第二支脚、第一连接结构和第二连接结构封闭腔内的可变的腔容积以产生声压。

在本公开中，“大体上”在三个相互垂直的方向中的两个方向上(例如第一方向和第二方向上)延伸的结构(例如致动器的支脚)是指该结构是在两个方向上延伸的(大体上)板形结构或平坦结构。尽管当在垂直于由两个方向跨越的平面的方向上观察时，“大体上”在两个方向上延伸的这种结构可以具有(大体上)矩形轮廓，但是本发明的实施方式不限于此，并且还可以包括能够实现期望的功能的任何平坦结构。“平坦”是指结构在(不同于第一方向和第二方向的)第三方向上的厚度显著小于结构在两个方向上的延伸。由于可以使用半导体制造工艺在MEMS中实现用于产生声压的微机电装置，所以术语“大体上”还用于表示由于制造工艺中的公差，结构的平面和边缘可能不是数学意义上完美地平坦或笔直的。

本发明的实施方式(亦即，在引言中以示例的方式提及的使用NED的微机电发声装置)可以例如通过分层***中的硅基半导体制造工艺的方式来实现。在这种其致动器使用翅片(也称为：支脚)的微机电发声装置的制造中，致动器的翅片/支脚可以通过在晶片中蚀刻沟槽来制造。在这种情况下，(在x方向上)所需要的最小翅片宽度相对宽，使得翅片/支脚可以由于制造而因此(在x方向上)具有相对大的刚度。如果翅片/支脚以形状配合的方式在一个侧或两个侧上(例如，在发声装置的腔中的侧壁上)被连接或夹紧到基板以便将它们保持在腔中，则可能需要相对大的力来偏转致动器的翅片/支脚。可替换的是使用自由地悬挂的或非夹紧的翅片。然而，在微机电发声装置中使用这种结构可能降低声学性能，因为腔的盖、底部和侧壁与翅片之间的(实现自由(翅片)端部所需要的)间隙可能引起声学短路。

例如，如在除了空间坐标的指定之外与WO 2016/202790 A2中的图1对应的图1中所示，在z方向上观察时，与在翅片中央或在翅片的非夹紧端部处在x方向上可能的移动相比，夹紧在一侧上的翅片在翅片(可变形元件22)的夹紧区中在x方向(横向移动方向24)上仅移动非常小。此外，本发明人已经认识到翅片长度(在z方向上)的延伸可能引起谐波失真。因此，通常使声换能器的声学性能降低。在某些环境下，改变翅片刚度可以减少由于翅片长度较大以及由于其延伸而发生的这种谐波失真。所产生的声压与翅片的平均偏转有关。下面描述的本发明的实施方式中的一些允许致动器的翅片(也称为：支脚)以类似于活塞移动的方式移动，使得致动器的翅片(在图1中的x方向上)的最大偏转与致动器的翅片的平均偏转对应。

图2A和图2B示出了根据本发明的实施方式的致动器的示例性结构。致动器200包括第一支脚202和第二支脚204。两个支脚202和204大体上沿着图中所示的y方向和z方向延伸。致动器200的两个端部通过连接结构206和连接结构208的方式彼此连接。在所示的示例性实施方式中，连接结构206和208大体上在x方向和y方向上延伸。在图2A和图2B的示例性实施方式中，连接结构206和连接结构208通过示例的方式被示出为将致动器200的支脚202和204的相应端部彼此连接的平坦结构。连接结构206和208以及支脚202和204可以(在y方向上)具有大体上相同的高度。连接结构206和208与支脚202和204一起形成侧表面，该侧表面在侧表面的平行于第一方向(y)延伸的轴的圆周方向(x，y)上封闭腔容积。如果在用于产生声音的基于MEMS的装置的腔中设置多个这些致动器200，则各个致动器200限定其可变容积由侧表面限定的局部腔。致动器200的两个支脚202和204可以通过驱动装置的方式偏转。这在图2B中以示例的方式示出。在所示的示例性实施方式中，两个支脚202和204在横向方向(x方向)上在相反的方向上移动，以便改变封闭的腔容积。因此，限定在腔容积中的流体(例如空气)可以被“调制”，并且可以因此实现期望的声压。在图2中所示的示例性实施方式中，两个支脚，即支脚202和204，两者都被偏转。

然而，还可以想到，两个支脚202、204中仅一个移动以调制腔容积中的流体，其中，这减小了在支脚202、204的相同横向偏转下的腔容积的最大容积变化，并且因此也减小了最大可能声压。换句话说，在这种可替换的方式中，为了产生相同的容积变化，与图2B中所示的变型相比，一个支脚202、204必须在横向方向(x方向)上偏转大约两倍远，以便实现相同的容积变化。

图3示出了根据本发明的实施方式的致动器的另一示例性结构，其中使用了示例性弹簧状结构的连接元件306、308，其将在横向方向(x方向)上彼此相对放置的支脚302、304的两个端部彼此连接，并且因此形成包括腔容积的侧表面。

限定(可以通过支脚202、204或302、304的移动来改变的)腔容积的侧表面应当能够利用尽可能小的驱动力来实现尽可能大的容积改变。因为这个原因，致动器200、300的两个连接结构206、208或306、308可以在x方向上和/或在z方向上具有比致动器200、300的支脚202和204或306和308在x方向上的刚度低的刚度。致动器200、300的连接结构206、208或306、308不限于特定实施方式，而可以以各种各样的实施方式实现。致动器200、300的连接结构206、208或306、308可以例如类似于图3由关节状结构和/或弹性结构形成。连接元件的实施方式的目的是实现能够以尽可能小的力变形的结构。在用于设计连接元件的半导体工艺的使用中，并且在包含致动器的基于MEMS的设备的小型化的背景下，如果连接元件可以在尽可能小的芯片区域上实现，则是有利的。由于结构的几何形状和/或工艺限制，可以限制或预定可蚀刻沟槽的最小宽度，并且因此还可以限制或预定最小结构宽度。

图4示出了根据本发明的实施方式的用于产生声压的基于MEMS的装置400(在x-z平面中)的剖面。图5A和图5B示出了根据本发明的实施方式的根据图4的装置的沿着图4中的剖面线A-A和B-B的剖面。图4可以被认为是在x-z平面中穿过一个或多个梭层506(参见图5A)的剖面，然而，其中示出了位于该平面外部的基于MEMS的装置400的更多特征。仅仅为了说明而假设在所示的实施方式中，基于MEMS的装置400以分层***实现，该分层***例如可以通过基于硅的半导体工艺来制造。然而，本发明不限于此。分层***包括多个层。在每种情况下，分层***的一个或多个层可以在功能上/逻辑上被分组为层区502、504、506、508和510。层的堆叠可以具有(大约)800μm至(大约)1700μm的(y方向)(总)高度。层区504和可选的另一层区506也可以被认为是层区502的局部区。分层结构的层区502、504、506、508和510中的层，特别是与半导体工艺兼容的层可以包括诸如硅、砷化镓等的不同的材料和/或材料组合。可以至少局部地包括掺杂材料和/或可以提供附加材料，例如，诸如金属的导电材料。可替换地或附加地，诸如氮化物材料和/或氧化物材料的电绝缘材料也可以形成层的至少一部分。

分层***的层包括装置400的以下元件。装置400的平面的盖512形成在装置400的层区502中。盖512的层区502可以具有例如大约200μm至400μm的(y方向)高度，但是本发明不限于此。在所示的示例性实施方式中，设置了在y方向上位于其下面的另一层区504，其可以被描述为驱动平面516。该驱动平面516可以包括例如一个或多个驱动装置，用该驱动装置可以偏转装置400的不同致动器的支脚402、404。致动器的两个支脚402、404通过对两个支脚使用相同的阴影线来表示。驱动装置在驱动平面516中的确切配置以及还有它们在层区504的x-z平面中的定位不限于所示的特定实施方式。在图5A和图5B中，作为示例，假定不同致动器的各个支脚402、404可以与驱动装置一起在x方向上横向地单独移动。在这种情况下，每个致动器的两个支脚402、404通过相应的驱动装置彼此相向地移动或彼此远离地移动，以便改变相应的致动器的封闭的腔容积418。在图5A和图5B中，可以在层区504下面设置层区506。层区506包括将驱动平面516中的相应的驱动装置连接到致动器的相关联的支脚402、404的连接元件。这些连接元件在图5A和图5B中由附图标记420、422和424表示。层区504和506可以具有例如仅大约30μm至75μm的高度(y方向)，但是本发明不限于此。

装置400的致动器形成在层区508中。层区508可以具有例如大约400μm至750μm的(y方向)高度，但是本发明不限于此。致动器可以通过如图2A、图2B和图3中所示的示例的方式来形成。侧壁414在装置400的两个横向端部处形成在层区508中。装置400的侧壁414的部分可以与层区506和/或层区504相关联。其中形成有装置400的底部514的另一层区510设置在层区508下面。底部514的层区510可以具有例如大约200μm至400μm的(y方向)高度，但是本发明不限于此。

盖512(确切地说，层区502、504和506)、底部514(层区510)和侧壁414(层区508)封闭致动器200、300定位在其中的腔416。如结合图2A、图2B和图3所描述的，每个致动器200、300包括两个支脚402、404，两个支脚402、404中的两者大体上在y方向和垂直于y方向的z方向上延伸。支脚402、404在垂直于y方向和z方向的x方向上相对地布置。通过连接结构406、408的方式连接402、404，使得每个致动器在装置400的腔416内封闭可变的腔容积418，以产生声压。

在由致动器200、300限定的横向表面剖面区域(x-z平面)内，孔的输出开口410位于盖512中(具体地，层区502、504和506)，该输出开口将通过支脚402、404的移动(参见箭头426)在每个致动器200、300的腔容积418中产生的声压引导到外部。在所示的示例性实施方式中，输出开口410与每个致动器200、300相关联。然而，还可以为致动器200、300中的每个设置多个输出开口410。其它开口或孔412在致动器200、300之间或者在横向侧壁414和横向外部致动器200、300之间位于装置400的底部514(层区510)中。这里也可以在装置400的底部514中在z方向上设置多个开口或孔412。

由致动器200、300封闭的腔容积418在y方向上由盖512(具体地，由层区506)和底部514界定。从y方向观察，在致动器200、300之间，特别是在支脚402、404的端部(以及连接结构406、408)与装置400的盖侧结构和底部侧结构之间设置有间隙。该间隙的尺寸可以被设计成使得间隙用作其通带在设备400产生声压的声学频率范围之外的(例如，带通或低通)声滤波器。通过封闭装置400的腔416的容积可变的局部腔418，每个致动器限定其自身的可变的腔容积418，这使得即使在与现有技术相比间隙宽度较大的情况下也能够减少微机电装置400的腔内的声学短路。

在图4、图5A和图5B的示例性实施方式中，致动器200、300的位于横向方向上的左边的支脚404各自通过两个连接元件420、422的方式连接到驱动平面516中的驱动装置。致动器200、300的位于横向方向上的右侧的支脚402各自通过连接元件424的方式连接到驱动平面516中的驱动装置。然而，该实施方式被认为仅仅是示例性的而不是限制性的。每个致动器200、300的支脚402、404中的每个可以通过一个或多个连接元件420、422、424的方式连接到驱动平面516中的相应驱动装置。

如从图4可以看出的，与图1中所示的示例相比，致动器200、300的支脚402、404在一侧或两侧上不刚性连接到装置400的一个或多个侧壁414。根据本发明的实施方式，致动器200、300悬挂在装置400的腔416中，而没有支脚402、404到侧壁414的这种刚性连接。例如，致动器可以通过相应设计的连接元件406、408的方式(图4中未示出)连接到侧壁414。下面结合图7A、图7B和图8描述致动器200、300在基于MEMS的装置400(或装置600)的腔416中的可替换的安装。

图6A和图6B示出了根据本发明的另一实施方式的装置600的沿着图4中的剖面线A-A和B-B的剖面。图6A和图6B的基于MEMS的装置600大体上与图4、图5A和图5B的装置400对应。与装置400相比，在装置600中除了盖侧驱动平面516之外，还提供了另一层区604中的另一底部侧驱动平面606。在这种情况下，驱动平面606可以在功能和/或配置方面与驱动平面516对应。此外，还通过示例示出了包括附加的连接元件608、610的层区602，连接元件608、610将致动器的支脚402、404连接到驱动平面606中的驱动装置。在这种情况下，层区602可以在功能和/或配置方面与层区506对应，其中，连接元件608、610的布置可以不同于层区506中的连接元件420、422、424的布置。层区604和可选的另一层区602两者也可以被认为是底部514的层的一部分(或层区510的一部分)。通过使用两个驱动平面516、606，可以在基于MEMS的装置600的容积大体上不改变的情况下对支脚402、404的横向移动(x方向)施加更高的力。因此，装置600的声压可以相对于装置400增加大约+6dB。

图7A和图7B示出了根据本发明的实施方式的用于产生声压的另一基于MEMS的装置700的剖面。装置700的剖面也可以理解为沿着图4中的剖面线A-A和B-B的剖面。与结合图4、图5A、图5B、图6A和图6B讨论的装置400、600相比，装置700使用“梭***”来驱动和将致动器200、300安装在装置700的腔416中。每个致动器200、300的两个支脚402、404经由相应的连接元件716、718连接到不同的梭704、714。梭704、714依次连接到分别相关联的驱动装置708、712，通过驱动装置708、712的方式，梭704、714可以(在x方向上)横向地来回移动。梭704、714的这种移动经由连接元件716、718传递到致动器200、300，致动器200、300因此也在横向方向(x方向)上偏转。因此，梭704、714可以被认为是另外的连接元件，通过该连接元件的方式，由驱动元件708、712提供的驱动力可以被传递到致动器200、300的多个支脚402、404，并且能够实现支脚402、404的横向移动。

梭704、714在其横向端部处经由弹力/弹性连接结构706、710连接到装置700的横向侧壁414。连接结构706、710被设计成使得梭704、714在x-z平面中将连接到它们的致动器200、300保持在装置700的腔416内，但是被设计成类似于弹簧，以便能够实现梭704、714所需要的横向偏转。根据仅示例性的实施方式，梭704、714可以通过驱动装置708、712在x方向上在1μm与20μm之间(优选地在1μm与10μm之间)的范围内移动。梭704、714的移动发生在相反的方向上：如果连接到致动器200、300的第一支脚402的一个或多个梭704例如在横向方向上向左移动，则连接到致动器200、300的另一支脚、第二支脚404的一个或多个梭714在相反的方向上横向移动。这在图8中也以示例的方式示出。

梭704、714可以是基于MEMS的装置700的分层***的一部分，并且可以形成在包括分层***的一个或多个层的梭平面702中。例如，可以在连接区506和驱动平面516(层区504)之间形成梭平面702。与层区504和506类似，梭平面702也可以被认为是盖512的一部分。此外，与图6A和图6B中的实施方式相似，还可以形成在层区602和604之间有另外的梭的附加梭***，使得在底部侧上驱动致动器200、300也是可能的。

这里使用一个或多个梭***可以提供以下优点：驱动装置708、712可以在横向方向(x方向)上和在深度方向(z方向)上以更灵活的方式定位和形成。在图7A和图7B中，驱动装置708、712被实现为在侧壁414的区中在驱动平面516中横向向外偏移。因此，驱动装置708、712可以在例如层***的未在其它功能上使用的区中(例如，在侧壁的区中或在盖/底部的部分中在y方向上)形成，使得在某些环境下，MEMS的总高度可以在腔416的容积保持相同的同时减小，并且仍可获得足够高的、期望的驱动力。还可以想到，在除了图7A和图7B中所示的那些之外，驱动装置708、712至少部分地、完全地、可替换地或附加地也在层区504或604的层的区域中以及可选地也在层区502或510的层的区域中实现。例如，驱动装置也可以可替换地或附加地实现在分层***的层中的致动器上方。

图8示出了根据本发明的实施方式的图7A和图7B中的装置700中用于驱动的致动器的示例性梭***。这里，仅仅通过示例的方式假设梭***在盖侧上实现。可替换地或附加地，梭***也可以在底部侧上实现。根据图4的示例，这里通过示例的方式假设每个致动器的支脚402中的一个通过连接元件716(424)连接到梭704，而每个致动器的另一支脚404通过两个连接元件718、806(420、422)连接到两个梭714、802。这三个梭704、714、802中的每一个在这里由驱动装置708、712、804驱动。如果另外使用底部侧上的梭***，则可以确保在示例性实施方式中，每个支脚402、404连接到三个梭并且被驱动，使得所有支脚402、404可以以相同的最大力偏转。

驱动装置708、712、804的确切配置与梭驱动的构思无关。例如，驱动器可以是静电电极、压电电极和/或热机械电极，其基于所施加的电势实现致动器的翅片的变形。例如，驱动装置708、712、804可以各自具有驱动相应的梭704、714、802的多个静电驱动元件、压电驱动元件和/或热机械驱动元件。例如，驱动装置可以根据以阿里奥索***有限公司(AriosoSystems GmbH)的名义于2022年6月24日提交的欧洲专利申请EP 22180979.1中所示的驱动器来实现。

可以想到，不是所有致动器都连接到梭对。同样可能的是，各个梭对(或梭组)驱动致动器的不同子组。

本发明的另一方面是根据在本文中所描述的实施方式中的一个的用于产生声音的基于MEMS的装置在微机电扬声器***中的使用。例如，这种扬声器***可以被实现为片上***或***级封装。图9示出了根据本发明的实施方式的示例性微机电扬声器***900。微机电扬声器***900包括根据本文中所描述的各种实施方式中的一个的用于产生声压的基于微机电声学MEMS的装置400、600、700。在该实施方式中，由装置400、600、700产生的声压可以是例如声音、超声或语音，但是声压不限于人的可听频率范围内的声音。微机电扬声器***900可以用于例如耳机、入耳式耳机、近场扬声器、助听器等。

在示例性扬声器***900中，基于MEMS的装置400、600、700的底部514可以安装在载体(诸如可印刷电路板(PCB)904)的顶部侧上。PCB 904可以设置有开口或切口区924。基于微机电声学MEMS的装置400、600、700在PCB 904的顶部侧上的与开口或切口区924对应的区中安装在PCB 904上，使得开口或切口区924大体上设置在基于MEMS的装置400、600、700的底部514下面。基于MEMS的装置400、600、700的底部514的边缘区可以(至少部分地)与PCB904重叠，并且基于MEMS的装置400、600、700可以例如使用粘合剂910在边缘区处安装在PCB904的顶部侧上。粘合剂910可以可选地为导电粘合剂，使得粘合剂910有助于基于MEMS的装置400、600、700与PCB 904中的导电路径之间的电连接。此外，可以围绕基于MEMS的装置400、600、700的外边缘设置密封件908。

PCB 904可以提供用于传导驱动致动器200、300所需要的静态/可变电势的电连接。为此目的，驱动平面516中的一个或多个驱动装置可以处理从微机电扬声器***900的处理单元902接收的声音信号或音频信号。声音或音频信号可以是数字信号或模拟信号。处理单元902可以实现配置为控制基于MEMS的装置400、600、700的音压产生的控制***。处理单元902的功能可以由其中的全部都可以使用下面描述的技术安装在PCB 904上的几个分立电路部件(例如多于一个的DSP、ASIC、FPGA、PLD或其组合)来提供。

在图9所示的示例中，使用已知的接合技术(例如线接合、芯片接合、球接合等)将处理单元902安装在PCB 904的顶部上，以使得能够通过设置在PCB 904中的导电路径在处理单元902与基于MEMS的装置400、600、700之间进行信号的通信，并且驱动致动器200、300。可替换地或附加地，处理单元902还可以通过接合线914连接到基于MEMS的装置400、600、700，以实现信号的通信并且驱动致动器200、300。此外，可选地或可替换地，接合线916可以用于处理单元902与PCB 904的导电路径的电连接。处理单元902和可选的接合线914、916可以封装在球形顶部912中。

尽管在PCB 904的另一下表面侧上提供了接合(例如使用网格球926)，但是处理单元902与PCB 904的导电路径之间的接合可以进一步将处理单元902连接到微机电扬声器***900外部的其它装置部件。例如，微机电扬声器***900可以是较大声学装置的一部分，诸如入耳式耳机、助听器等的一部分。这种装置也可以为微机电扬声器***900提供后容积。

基于MEMS的装置400、600、700和处理单元902还可以用覆盖件920覆盖。覆盖件920例如可以是金属覆盖件或塑料覆盖件。覆盖件920可以在基于MEMS的装置400、600、700(在y方向上的)上方位置中设置有音压输出开口922，使得通过基于MEMS的装置400、600、700的空气输出开口220发射的音压通过音压输出开口922发射到微机电扬声器***900外部。可选地，可以设置多个这样的音压输出开口922。其中设置有(多个)音压输出开口922的区域可以在x-z平面中(在位置和/或尺寸方面)大体上与基于MEMS的装置400、600、700的尺寸对应。

为了防止污物颗粒进入由覆盖件920形成的围绕基于MEMS的装置400、600、700和处理单元902的腔，可以使用声布或纱布928(或其它合适的音压透明材料)来覆盖(多个)音压输出开口922。可选地，可以将一个或多个麦克风906定位在基于MEMS的装置400、600、700的开口410旁边。进一步可选地，微机电扬声器***900可以实现有源噪声消除(ANC)功能。(多个)麦克风906检测通过(多个)音压输出开口410发射的干扰噪声和音压。处理单元902可以实现控制***，该控制***配置为基于干扰噪声和由(多个)麦克风906检测到的音压来控制基于MEMS的装置400、600、700的音压产生，从而抑制检测到的干扰噪声。

如已经说明的，基于MEMS的装置400、600、700可以使用常规半导体制造中已知的材料在层工艺中制造。工艺流程的一部分可以使用拉蒂法-卢里基(Latifa Louriki)的博士论文“制造多层3D MEMS的微机械工艺(EPyC工艺)(Mikromechanischer Prozess ZurHerstellung Mehrlagiger 3D-MEMS(EPyC-Prozess))”中所描述的方法来实现，该论文于2020年1月28日在开姆尼茨工业大学电气工程与信息技术系(Department of ElectricalEngineering and Information Technology of the Technical University ofChemnitz)提交。该论文可以在https://monarch.qucosa.de/api/qucosa％3A74643/attachment/ATT-0/处获得，并且通过参考并入本文中。

Claims (19)

1.一种在微机电***中实现的用于产生声压的微机电装置，所述装置包括：

分层***，包括多个层，所述分层***的所述层包括：

平面的盖、平面的底部和侧壁，所述侧壁布置成封闭所述盖和所述底部之间的腔；以及

一个或多个致动器，能够在所述腔中移动并且能够被驱动以产生声压，以及

其中，每个致动器包括：

平面的第一支脚和平面的第二支脚，两者在第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向上延伸，并且在垂直于所述第一方向和所述第二方向的第三方向上相对地布置；以及

第一连接结构和第二连接结构，连接所述第一支脚和所述第二支脚的相应的相对端部，使得所述第一支脚、所述第二支脚、所述第一连接结构和所述第二连接结构封闭所述腔内的可变的腔容积以产生声压。

2.根据权利要求1所述的微机电装置，其中，所述分层***的所述层还包括多个驱动部，所述多个驱动部配置为独立地移动每个致动器的所述第一支脚和所述第二支脚以改变相应的致动器的封闭的所述腔容积。

3.根据权利要求2所述的微机电装置，其中，第一驱动部连接到致动器的所述第一支脚，并且第二驱动部连接到所述致动器的所述第二支脚，以及

其中，所述第一驱动部和所述第二驱动部配置为分别在所述第三方向上在相反的方向上移动所述致动器的支脚。

4.根据权利要求2或3所述的微机电装置，其中，所述分层***的其中形成有所述驱动部的一个或多个层形成在所述盖的一个或多个层与所述一个或多个致动器的一个或多个层之间，或者形成在所述盖的层中。

5.根据权利要求2或3所述的微机电装置，其中，所述分层***的其中形成有所述驱动部的一个或多个层位于其中形成有所述底部的所述一个或多个层与形成所述一个或多个致动器的所述一个或多个层之间，或者形成在所述底部的层中。

6.根据权利要求2所述的微机电装置，其中，每个致动器经由连接元件连接到所述驱动部中的至少一个，并且通过所述连接元件保持在所述腔中。

7.根据权利要求2所述的微机电装置，其中，每个致动器经由连接元件连接到所述微机电装置的至少一个侧壁，并且通过所述连接元件保持在所述腔中。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的微机电装置，其中，所述一个或多个致动器的支脚在所述第三方向上是柔性的。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的微机电装置，其中，由致动器封闭的相应的腔容积在所述第二方向上由所述盖和所述底部界定，其中，在所述盖与每个致动器之间设置有间隙，并且在所述底部与每个致动器之间设置有间隙。

10.根据权利要求9所述的微机电装置，其中，所述间隙的尺寸被设计成使得所述间隙用作其通带在所述微机电装置产生所述声压的声学频率范围之外的声滤波器。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的微机电装置，其中，在所述盖中设置有与所述一个或多个致动器相关联的一个或多个开口，

其中，所述致动器中的每个与所述盖中的至少一个开口相关联，所述至少一个开口在所述第三方向上位于相应的致动器的第一支脚和第二支脚之间，并且在相应的腔容积中产生的声压能够通过所述至少一个开口由所述微机电装置发射。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的微机电装置，其中，在所述底部中设置有在所述第三方向上布置在所述一个或多个致动器旁边的一个或多个开口。

13.根据权利要求12所述的微机电装置，其中，在所述底部中在所述第三方向上在两个直接相邻的致动器之间分别设置有至少一个开口。

14.根据权利要求11所述的微机电装置，其中，与每个致动器相关联的所述至少一个开口于相应的致动器的腔容积的在所述第二方向和所述第三方向上延伸的区域内形成在所述盖中。

15.根据权利要求1至3中任一项所述的微机电装置，其中，致动器的所述第一连接结构和所述第二连接结构与所述第一支脚和所述第二支脚一起限定可变形的侧表面，所述侧表面在平行于所述第一方向延伸的护套轴的圆周方向上封闭所述腔容积。

16.根据权利要求1至3中任一项所述的微机电装置，其中，致动器的所述第一连接结构和所述第二连接结构在所述第三方向上和/或所述第二方向上具有比所述致动器的所述第一支脚和所述第二支脚在所述第三方向上的刚度低的刚度。

17.根据权利要求1至3中任一项所述的微机电装置，其中，致动器的所述第一连接结构和所述第二连接结构分别由关节状结构和/或弹性结构形成。

18.根据权利要求1至3中任一项所述的微机电装置，其中，致动器的所述第一连接结构和所述第二连接结构形成在所述分层***的其中形成有所述致动器的支脚的层中。

19.一种实现为片上***或***级封装的微机电扬声器***，包括用于产生声压的微机电装置，所述微机电装置包括：

分层***，包括多个层，所述分层***的所述层包括：

平面的盖、平面的底部和侧壁，所述侧壁布置成封闭所述盖和所述底部之间的腔；以及

一个或多个致动器，能够在所述腔中移动并且能够被驱动以产生声压，以及

其中，每个致动器包括：

平面的第一支脚和平面的第二支脚，两者在第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向上延伸，并且在垂直于所述第一方向和所述第二方向的第三方向上相对地布置；以及

第一连接结构和第二连接结构，连接所述第一支脚和所述第二支脚的相应的相对端部，使得所述第一支脚、所述第二支脚、所述第一连接结构和所述第二连接结构封闭所述腔内的可变的腔容积以产生声压。