TWI637639B - 電聲轉換器 - Google Patents

Abstract

一種電聲轉換器，包括一基座、至少一振動部及至少一分隔結構。振動部連接於基座且包括一壓電轉換層。分隔結構連接於振動部而將振動部分隔為一第一區域及一第二區域。壓電轉換層適於在第一區域將一第一聲波及一第一電訊號的其中之一轉換成第一聲波及第一電訊號的其中之另一。壓電轉換層適於在第二區域將一第二聲波及一第二電訊號的其中之一轉換成第二聲波及第二電訊號的其中之另一。第一聲波的頻率高於第二聲波的頻率。

Description

電聲轉換器

本發明是有關於一種電聲轉換器，且特別是有關於一種壓電式的電聲轉換器。

電聲轉換器(electro-acoustic transducer)可應用麥克風(microphone)等聲音輸入裝置，且可應用於揚聲器(speaker)等聲音輸出裝置。以壓電式的電聲轉換器而言，係施加電訊號於壓電材料的上下電極而利用壓電材料的壓電效應使其變形，並藉以帶動對應的振動膜振動而產生對應的聲波。反之，亦可施加聲波於振動膜而使對應的壓電材料振動變形，以利用壓電材料的壓電效應而產生對應的電訊號。

消費性電子產品，如智慧型手機(smart phone)、筆記型電腦(notebook computer)、平板電腦(tablet PC)等，一般皆配備麥克風及揚聲器，而在消費者追求高品質及多功能化之消費性電子產品的趨勢下，為了提高產品的市場競爭力，產業界皆希望應用先進技術來開發及製造應用於麥克風及揚聲器的電聲轉換器。因此，如何有效提升聲音輸入/輸出裝置的電聲轉換品質並使其在低頻輸入/輸出及高頻輸入/輸出皆有良好表現，係為電聲轉換器研發領域的重要議題。

本發明提供一種電聲轉換器，在低頻輸入/輸出及高頻輸入/輸出皆有良好表現。

本發明的電聲轉換器包括一基座、至少一振動部及至少一分隔結構。振動部連接於基座且包括一壓電轉換層。分隔結構連接於振動部而將振動部分隔為一第一區域及一第二區域。壓電轉換層適於在第一區域將一第一聲波及一第一電訊號的其中之一轉換成第一聲波及第一電訊號的其中之另一。壓電轉換層適於在第二區域將一第二聲波及一第二電訊號的其中之一轉換成第二聲波及第二電訊號的其中之另一。第一聲波的頻率高於第二聲波的頻率。

在本發明的一實施例中，上述的第一區域的共振頻率高於第二區域的共振頻率。

在本發明的一實施例中，上述的壓電轉換層適於在第一區域接收第一電訊號而在第一區域變形，以帶動振動部在第一區域振動而產生第一聲波，且壓電轉換層適於在第二區域接收第二電訊號而在第二區域變形，以帶動振動部在第二區域振動而產生第二聲波。

在本發明的一實施例中，上述的振動部適於接收第一聲波而在第一區域振動，以帶動壓電轉換層在第一區域變形而產生第一電訊號，且振動部適於接收第二聲波而在第二區域振動，以帶動壓電轉換層在第二區域變形而產生第二電訊號。

在本發明的一實施例中，上述的分隔結構是一框體，框體圍繞第一區域，且第二區域圍繞框體。

在本發明的一實施例中，上述的壓電轉換層包括一上電極層、一壓電材料層及一下電極層，且壓電材料層配置於上電極層與下電極層之間。

在本發明的一實施例中，上述的上電極層包括至少一第一電極及至少一第二電極，第一電極配置於第一區域且適於接收或輸出第一電訊號，且第二電極配置於第二區域且適於接收或輸出第二電訊號。

在本發明的一實施例中，上述的基座上具有至少一電性接點，第一電極藉由一線路而連接於電性接點，線路通過第二區域，且第二電極的一寬度大於第二區域上的線路的一寬度的1.5倍。

在本發明的一實施例中，上述的基座具有一開口，振動部位於開口內且具有多個彈臂，並藉由各彈臂連接於基座。

在本發明的一實施例中，上述的至少一振動部的數量為多個，至少一分隔結構的數量為多個，這些分隔結構分別連接於這些振動部。

在本發明的一實施例中，上述的分隔結構沿振動部的一振動方向的厚度小於基座沿振動方向的厚度。

基於上述，在本發明的電聲轉換器中，振動部藉由分隔結構而被分隔為共振頻率不同的第一區域及第二區域。據此，振動部除了可藉其第一區域進行高頻的第一聲波與對應的第一電訊號之間的轉換，更可藉其第二區域進行低頻的第二聲波與對應的第二電訊號之間的轉換。從而，本發明的電聲轉換器在低頻輸入/輸出及高頻輸入/輸出皆可有良好表現。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是本發明一實施例的電聲轉換器的俯視圖。圖2是圖1的電聲轉換器的沿A-A線的剖面圖。請參考圖1及圖2，本實施例的電聲轉換器100例如是微機電製程所製作出的電聲轉換器，可應用於麥克風(microphone)等聲音輸入裝置、揚聲器(speaker)等聲音輸出裝置或超音波傳感器(ultrasound transducer)。電聲轉換器100包括一基座110、一振動部120及一分隔結構130。振動部120連接於基座110且包括一壓電轉換層122。分隔結構130連接於振動部120而將振動部120分隔為共振頻率不同的一第一區域120a及一第二區域120b。在本實施例中，分隔結構130例如是一框體，框體圍繞第一區域120a，且第二區域120b圍繞框體。

第一區域120a的一共振頻率例如相同於或近似於一第一聲波的一頻率，第二區域120b的一共振頻率例如相同於或近似於一第二聲波的一頻率，且第一區域120a的共振頻率高於第二區域120b的共振頻率。亦即，第一聲波的頻率高於第二聲波的頻率。

圖3A及圖3B繪示圖2的電聲轉換器分別進行高頻輸出及低頻輸出。藉由上述配置方式，壓電轉換層122可如圖3A所示在第一區域120a將第一聲波及一第一電訊號的其中之一轉換成第一聲波及第一電訊號的其中之另一(圖3A繪示為壓電轉換層122在第一區域120a將第一電訊號轉換成第一聲波W1)。此外，壓電轉換層122可如圖3B所示在第二區域120b將第二聲波及一第二電訊號的其中之一轉換成第二聲波及第二電訊號的其中之另一(圖3B繪示為壓電轉換層122在第二區域120b將第二電訊號轉換成第二聲波W2)。亦即，振動部120除了可如圖3A所示藉其第一區域120a進行高頻的第一聲波與對應的第一電訊號之間的轉換，更可如圖3B所示藉其第二區域120b進行低頻的第二聲波與對應的第二電訊號之間的轉換。從而，本實施例的電聲轉換器100在低頻輸入/輸出及高頻輸入/輸出皆可有良好表現。

詳細而言，壓電轉換層122適於在第一區域120a接收第一電訊號而在第一區域120a變形，以帶動振動部120在第一區域120a振動而產生第一聲波，且壓電轉換層122適於在第二區域120b接收第二電訊號而在第二區域120b變形，以帶動振動部120在第二區域120b振動而產生第二聲波。此外，振動部120適於接收第一聲波而在第一區域120a振動，以帶動壓電轉換層122在第一區域120a變形而產生第一電訊號，且振動部120適於接收第二聲波而在第二區域120b振動，以帶動壓電轉換層122在第二區域120b變形而產生第二電訊號。

舉例來說，電聲轉換器100可應用於麥克風(microphone)等聲音輸入裝置，使聲音輸入裝置具有良好的低頻輸入及高頻輸入性能，且電聲轉換器100可應用於揚聲器(speaker)等聲音輸出裝置，使聲音輸出裝置具有良好的低頻輸出及高頻輸出性能。此外，電聲轉換器100亦可應用於聲波測距裝置，使聲波測距裝置除了可發出低頻聲波(對應於上述第二聲波)進行測距，更可發出高頻聲波(對應於上述第一聲波)進行測距以獲取具有較高解析度的測距訊號(對應於上述第一電訊號)，並藉由交替以低頻聲波及高頻聲波測距而提升測距準確性。

更詳細而言，分隔結構130的作用方式為在第一區域120a與第二區域120b的交界處提供較高的結構強度，使第一區域120a成為獨立於第二區域120b的振動結構，從而第一區域120a能夠以較高頻率獨立地振動(如圖3A所示)。此外，當第二區域120b以較低頻率振動時，連接於第二區域120b中央的第一區域120a例如會如圖3B所示隨著第二區域120b的低頻率振動而產生位移。

所述第一聲波及所述第二聲波可為分別具有適當較高頻率與較低頻率的聲波，本發明不對其實際頻率值加以限制。亦即，本發明不對第一區域120a的共振頻率及第二區域120b的共振頻率加以限制，其可依設計上的需求而改變。例如，可藉由改變第一區域120a的尺寸及第二區域120b的尺寸而改變第一區域120a的共振頻率及第二區域120b的共振頻率。

以下詳細說明本實施例的振動部120及其壓電轉換層122的具體結構。請參考圖2，本實施例的振動部120包括一承載層124，壓電轉換層122配置於承載層124的一側(圖2中的承載層124的上側)，且分隔結構130配置於承載層124的另一側(圖2中的承載層124的下側)。在其他實施例中，壓電轉換層122及分隔結構130可配置於承載層124的同一側，本發明不對此加以限制。承載層124例如是絕緣體上矽晶(silicon on insulator，SOI)形式的結構層(device layer)或由其他適當的非壓電材料所構成，然本發明不以此為限。基座110亦例如是絕緣體上矽晶(silicon on insulator，SOI)形式的基板層(handle layer)或由其他適當材料所構成，本發明不對此加以限制。

壓電轉換層122包括一上電極層122a、一壓電材料層122b及一下電極層122c，且壓電材料層122b配置於上電極層122a與下電極層122c之間。在本實施例中，壓電材料層122b例如亦覆蓋於基座110上。上電極層122a的材質例如是但不限制為金(Au)，下電極層122c的材質例如是但不限制為鉑(Pt)。以聲音輸出而言，上電極層122a及下電極層122c適於接收電訊號(如所述第一電訊號或所述第二電訊號)而產生電壓差，從而驅使在其之間的壓電材料層122b變形，進而使振動部120振動而輸出聲波(如所述第一聲波或所述第二聲波)。以聲音輸入而言，當聲波(如所述第一聲波或所述第二聲波)輸入至振動部120而使振動部120振動並帶動壓電材料層122b變形時，上電極層122a及下電極層122c之間的壓電材料層122b產生電壓差而使上電極層122a及下電極層122c產生電訊號(如所述第一電訊號或所述第二電訊號)。

進一步而言，上電極層122a如圖1及圖2所示包括一第一電極122a1及多個第二電極122a2(繪示為四個)，第一電極122a1配置於第一區域120a且用以接收或輸出所述第一電訊號，且第二電極122a2配置於第二區域120b且用以接收或輸出所述第二電訊號。此外，基座110上具有一電性接點112、多個電性接點114及一電性接點116，第一電極122a1藉由一線路126a而連接於電性接點112，各第二電極122a2藉由一線路126b而連接於電性接點114，下電極層122c連接於電性接點116，使第一電極122a1、第二電極122a2及下電極層122c可分別透過電性接點112、電性接點114及電性接點116進行電訊號之接收或輸出。

本發明不對電聲轉換器中的振動部及分隔結構的數量加以限制，舉例說明如下。圖4是本發明另一實施例的電聲轉換器的俯視圖。圖4的電聲轉換器100’與圖1的電聲轉換器100的不同處在於，電聲轉換器100’的振動部120的數量為多個(繪示為四個)且陣列地排列，分隔結構130的數量亦相應地為多個(繪示為四個)，且這些分隔結構130分別連接於這些振動部120。據此，電聲轉換器100’的聲音輸入/輸出效能可藉由振動部120之數量增加而提升。

圖5是本發明另一實施例的電聲轉換器的部分結構俯視圖。為使圖式較為清楚，圖5未繪示出電聲轉換器200的電極及電性接點。在圖5所示的電聲轉換器200中，基座210、振動部220、第一區域220a、第二區域220b、分隔結構230的配置與作用方式類似圖1的基座110、振動部120、第一區域120a、第二區域120b、分隔結構130的配置與作用方式，於此不再贅述。電聲轉換器200與電聲轉換器100的不同處在於，振動部220、第一區域220a、第二區域220b、分隔結構230並非如圖1的振動部120、第一區域120a、第二區域120b、分隔結構130為矩形，振動部220、第一區域220a、第二區域220b、分隔結構230為圓形。在其他實施例中，振動部、第一區域、第二區域、分隔結構可為其他適當形狀，本發明不對此加以限制。

圖6是本發明另一實施例的電聲轉換器的部分結構俯視圖。圖7是圖6的電聲轉換器沿B-B線的剖面圖。在圖6及圖7所示的電聲轉換器300中，基座310、電性接點312、電性接點314、電性接點316、振動部320、第一區域320a、第二區域320b、壓電轉換層322、上電極層322a、第一電極322a1、第二電極322a2、壓電材料層322b、下電極層322c、承載層324、線路326a、分隔結構330的配置與作用方式類似圖1及圖2的基座110、電性接點112、電性接點114、電性接點116、振動部120、第一區域120a、第二區域120b、壓電轉換層122、上電極層122a、第一電極122a1、第二電極122a2、壓電材料層122b、下電極層122c、承載層124、線路126a、分隔結構130的配置與作用方式，於此不再贅述。

電聲轉換器300與電聲轉換器100的不同處在於，基座310具有一開口310a，振動部320位於開口310a內且具有多個彈臂328(繪示為四個)，並藉由各彈臂328連接於基座310。各彈臂328為第二區域320b的一部分，這些第二電極322a2分別位於這些彈臂328上。進一步而言，線路326a延伸通過第二區域320b的彈臂328，且第二電極322a2的寬度大於第二區域320b的彈臂328上的線路326a的寬度的1.5倍，以避免線路326a面積過大而產生非預期的壓電效應。

以下將以圖6及圖7所示電聲轉換器300為例，說明其製造流程。圖8A至圖8D是圖7的電聲轉換器的製造流程圖。首先，如圖8A所示在一基材50上形成下電極層322c及壓電材料層322b。接著，如圖8B所示將壓電材料層322b圖案化以暴露出局部的下電極層322c。然後，沉積金屬層至壓電材料層322b及被暴露的下電極層322c，並將所述金屬層圖案化以如圖8C所示形成第一電極322a1、第二電極322a2及電性接點316(圖6所示的電性接點312、314亦於此時形成)。如圖8D所示將壓電材料層322b、下電極層322c及部分基材50圖案化，以形成彈臂328。最後，從整體結構的下側將基材50圖案化，以形成圖7所示的電聲轉換器300。

此外，可依設計上的需求改變分隔結構的厚度，具體說明如下。圖9A及圖9B繪示本發明另一實施例的電聲轉換器的部分製造流程。在進行至圖8D所示製造流程之後，可如圖9A所示先對基材50進行第一階段的圖案化(繪示為對區塊R1進行圖案化)，然後如圖9B所示對基材50進行第二階段的圖案化(繪示為對區塊R2進行圖案化)，以使所形成的電聲轉換器300’的分隔結構330’沿振動部320的振動方向D的厚度小於基座310沿振動方向D的厚度。

綜上所述，在本發明的電聲轉換器中，振動部藉由分隔結構而被分隔為共振頻率不同的第一區域及第二區域。據此，振動部除了可藉其第一區域進行高頻的第一聲波與對應的第一電訊號之間的轉換，更可藉其第二區域進行低頻的第二聲波與對應的第二電訊號之間的轉換。從而，本發明的電聲轉換器在低頻輸入/輸出及高頻輸入/輸出皆可有良好表現。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

50：基材 100、100’、200、300、300’：電聲轉換器 110、210、310：基座 112、114、116、312、314、316：電性接點 120、220、320：振動部 120a、220a、320a：第一區域 120b、220b、320b：第二區域 122、322：壓電轉換層 122a、322a：上電極層 122a1、322a1：第一電極 122a2、322a2：第二電極 122b、322b：壓電材料層 122c、322c：下電極層 124、324：承載層 126a、126b、326a：線路 130、230、330、330’：分隔結構 310a：開口 328：彈臂 D：振動方向 R1、R2：區塊

圖1是本發明一實施例的電聲轉換器的俯視圖。 圖2是圖1的電聲轉換器的沿A-A線的剖面圖。 圖3A及圖3B繪示圖2的電聲轉換器分別進行高頻輸出及低頻輸出。 圖4是本發明另一實施例的電聲轉換器的俯視圖。 圖5是本發明另一實施例的電聲轉換器的部分結構俯視圖。 圖6是本發明另一實施例的電聲轉換器的部分結構俯視圖。 圖7是圖6的電聲轉換器沿B-B線的剖面圖。 圖8A至圖8D是圖7的電聲轉換器的製造流程圖。 圖9A及圖9B繪示本發明另一實施例的電聲轉換器的部分製造流程。

Claims (8)

1. 一種電聲轉換器，包括：一基座；至少一振動部，連接於該基座且包括一壓電轉換層；以及至少一分隔結構，連接於該振動部而將該振動部分隔為一第一區域及一第二區域，其中該壓電轉換層適於在該第一區域將一第一聲波及一第一電訊號的其中之一轉換成該第一聲波及該第一電訊號的其中之另一，該壓電轉換層適於在該第二區域將一第二聲波及一第二電訊號的其中之一轉換成該第二聲波及該第二電訊號的其中之另一，且該第一聲波的頻率高於該第二聲波的頻率，其中該壓電轉換層包括一上電極層、一壓電材料層及一下電極層，且該壓電材料層配置於該上電極層與該下電極層之間，其中該上電極層包括至少一第一電極及至少一第二電極，該第一電極配置於該第一區域且適於接收或輸出該第一電訊號，且該第二電極配置於該第二區域且適於接收或輸出該第二電訊號，其中該基座上具有至少一電性接點，該第一電極藉由一線路而連接於該電性接點，該線路通過該第二區域，且該第二電極的一寬度大於該第二區域上的該線路的一寬度的1.5倍。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電聲轉換器，其中該第一區域的一共振頻率高於該第二區域的一共振頻率。
3. 如申請專利範圍第1項所述的電聲轉換器，其中該壓電轉換層適於在該第一區域接收該第一電訊號而在該第一區域變形，以帶動該振動部在該第一區域振動而產生該第一聲波，且該壓電轉換層適於在該第二區域接收該第二電訊號而在該第二區域變形，以帶動該振動部在該第二區域振動而產生該第二聲波。
4. 如申請專利範圍第1項所述的電聲轉換器，其中該振動部適於接收該第一聲波而在該第一區域振動，以帶動該壓電轉換層在該第一區域變形而產生該第一電訊號，且該振動部適於接收該第二聲波而在該第二區域振動，以帶動該壓電轉換層在該第二區域變形而產生該第二電訊號。
5. 如申請專利範圍第1項所述的電聲轉換器，其中該分隔結構是一框體，該框體圍繞該第一區域，且該第二區域圍繞該框體。
6. 如申請專利範圍第1項所述的電聲轉換器，其中該基座具有一開口，該振動部位於該開口內且具有多個彈臂，並藉由各該彈臂連接於該基座。
7. 如申請專利範圍第1項所述的電聲轉換器，其中該至少一振動部的數量為多個，該至少一分隔結構的數量為多個，該些分隔結構分別連接於該些振動部。
8. 如申請專利範圍第1項所述的電聲轉換器，其中該分隔結構沿該振動部的一振動方向的厚度小於該基座沿該振動方向的厚度。