声电换能器的制作方法

专利名称：声电换能器的制作方法
技术领域：
本发明涉及声电换能器，如扬声器和扩音器。本申请要求日本专利申请No. 2006-222382的优先权，其内容在此引入 以作参考。
背景技术：
传统地，如扬声器和扩音器的声电换能器需要减小尺寸和重量。美国专 利申请公报No. 2003/0044029讲授了适合于MEMS技术的声电换能器。这 种声电换能器使用固定电极(具有平面形状)和振动膜电极而形成，其中固 定电极和振动膜电极的外周部分固定到环形壳体上且因此被设置成彼此相 对，其间具有间距，且其中固定电极和振动膜电极设置在壳体内部。当具有上述构造的声电换能器作为扬声器时，振动膜电极由于弹性变形 而振动，响应施加在固定电极和振动膜电极之间的 一定电压。因为振动膜电极的外周部分固定在上述声电换能器内，当声电换能器作 为扬声器时很难产生足够的振幅；因此，很难产生具有高声压的声音。发明内容本发明的目的是提供具有尺寸和重量减小的声电换能器，其导致振动膜 的振动具有相对较高的振幅。本发明的声电换能器包括具有在外表敞开的腔的壳体，平面形状的固定 电极，其被设置与开口相对且形成壳体的一部分，具有电极的振动膜，其被 设置在开口和固定电极之间，以及弹性变形部，其用于相对于壳体支撑振动 膜，且允许振动膜沿其厚度方向振动，其中固定电极与振动膜的电极电绝缘，形部受到弹性变形，使得振动膜开始接触固定电极。当声电换能器作为扬声器时，直流电压预先施加在固定电极和振动膜之 间，因此由于作用在其间的静电引力，振动膜被吸引且附着到固定电极上。
在吸引且附着状态下，弹性变形部产生弹性力用于将振动膜与固定电极隔 开。通过增加静电引力使得其大于弹性力，可维持这种吸引且附着状态。因 为振动膜的电极与固定电极电绝缘，可防止电流在吸引且附着状态下在振动 膜的电极和固定电极之间流动。通过释放施加在固定电极和振动膜之间的电压，声电换能器可产生声 音。此#—,— 由于弹性变形部的弹性力，振动膜与固定电极隔开，因此弹性变形部置于平衡状态下；然后，弹性变形部进一步变形，因此由于其惯性振动 膜朝向与吸引且附着位置相反的方向移动。由于仍作用在弹性变形部的弹性力以及振动膜的惯性，弹性变形部进一步变形，因此振动膜移动接近固定电 极且随后返回到吸引且附着位置。如上所述，振动膜振动来产生声音，声音 从壳体的开口向外部传播。当振动膜振动且再次返回接近固定电极，有必要再次在固定电极和振动 膜的电极之间施加相对较高的电压。因此，即使由于空气压力振动膜的振动 能量损失使得振动膜不能通过弹性变形部的弹性力和振动膜的惯性而返回 到吸引且附着位置，振动膜也可以可靠地被吸引到固定电极上。声电换能器进一步包括电源单元，用于选择性地施加交流电压或直流电 压到固定电极和振动膜的电极之间，其中交流电压的频率与振动膜的基于弹 性变形部的弹性模量和振动膜的重量的共振频率大致相等。当电源单元在平衡状态下在固定电极和振动膜的电极之间施加频率与 共振频率大致相等的交流电压时，振动膜可被有效地吸引且附着到固定电 极。这是因为交流电场产生在固定电极和振动膜的电极之间而使振动膜的振 幅逐渐增加，因此振动膜被移动接近固定电极。当振动膜开始接触固定电极， 或当振动膜移动到非常接近固定电极时，电源单元施加直流电压在固定电极 和振动膜的电极之间，因此振动膜被吸引且附着到固定电极。在上述中，先于声音的产生，通过施加交流电压或直流电压振动膜被吸 引且附着到固定电极。这使得振动膜可被强制地吸引且附着到固定电极，与 预先的弹性变形部的弹性力无关。通过释放振动膜的吸引且附着状态，振动 膜振动来产生声音时，通过使用弹性力可以可靠地增加振动膜的振动位移。振动膜和固定电极中至少一个采用驻极体薄膜。即当施加电压使得极性 与驻极体薄膜的永久电荷的极性相反的电荷施加到振动膜和固定电极上时， 由于电压的施加而产生静电引力，并且另一静电引力作用在驻极体薄膜和振
动膜或固定电极之间。这使得对于振动膜可被吸引且附着到固定电极，即使 施加在振动膜和固定电极之间的电压减小。当施加电压使得极性与驻极体薄 膜的永久电荷的极性相同的电荷施加到振动膜和固定电极上时，在振动膜和固定电极之间可产生排斥；因而，可实现声电换能器的有效操作。另一个备选方案是，声电换能器包括具有在外表敞开的腔的壳体；平面 形状的固定电极，其被设置与开口相对且形成壳体的一部分；被设置在开口 和固定电极之间的振动膜；以及弹性变形部，其用于相对于壳体支撑振动膜， 且允许振动膜沿其厚度方向振动，其中在平衡状态下振动膜通过弹性变形部 与固定电极隔开，其中弹性变形部产生弹性变形而使振动膜开始接触固定电 极，并且振动膜由驻极体构成，其充有正极性或负极性。在上述中，当声电换能器作为扬声器时，施加直流电压使得极性与驻极 体的永久电荷的极性相反的电荷施加到固定电极上，因此振动膜由于作用在 振动膜和固定电极之间的静电引力被吸引且附着到固定电极。在吸引且附着 状态下，在弹性变形部内产生弹性力，因此振动膜与固定电极被隔开。然而， 通过增加静电引力而大于弹性力，可维持吸引且附着状态。当声电换能器产生声音时，上述电压释放或施加电压使得极性与驻极体 的永久电荷的极性相同的电荷施加到振动膜被吸引到其上的固定电极，因此 振动膜由于其中的惯性和弹性变形部的弹性力振动，且因此返回到吸引且附 着状态。即振动膜振动因此声音从壳体的开口向外部传播。当振动模再次移动接近固定电极时，施加相对较高的电压使得与永久电 荷的极性相反的电荷施加到固定电极，因此振动膜被可靠地吸引且附着到固 定电极上。因为振动膜被强制地自吸引且附着状态振动，其最初在与弹性变形部的 弹性力无关的情况下形成，振动膜有可能产生相对较大振幅的振动；因此， 可产生具有相对较高声压的声音。因为声电换能器具有简单的结构，其中固 定电极、振动膜以及弹性变形部安装在壳体内，可轻易减小声电换能器的尺 寸和重量。此外，当减小的电压施加在振动膜和固定电极之间时，该声电换 能器能用低功率操作。


本发明的这些及其它目的、方面和实施例将参考附图更详细地予以描
述，其中图1是本发明的第 一 实施例的声电换能器的结构的截面图； 图2A是用于说明图1所示的声电换能器的振动膜和弹性变形部的制造 方法的第一步的截面图；图2B是用于说明声电换能器的制造方法的第二步的截面图；图2C是用于说明声电换能器的制造方法的第三步的截面图；图3是声电换能器中振动膜被吸引且附着到固定电极上的截面图；图4是声电换能器中振动膜与固定电极被隔开的截面图；图5是本发明的第二实施例的声电换能器的结构的截面图；图6是从壳体的开口看去声电换能器的水平剖面图；图7是本发明一个变形的声电换能器的水平剖面图；图8是本发明另一个变形的声电换能器的水平剖面图；图9是示出由上基片和下基片组合而成的声电换能器的结构的截面图；图IOA是示出上基片的结构的截面图；图IOB是沿图10A中的B-B线的水平剖面图；图IOC是示出上基片的俯视图；图IIA是示出下基片的结构的截面图；图IIB是下基片的俯视图；图12A是示出声电换能器的制造方法的第一步的截面图； 图12B是示出声电换能器的制造方法的第二步的截面图； 图12C是示出声电换能器的制造方法的第三步的截面图； 图12D是示出声电换能器的制造方法的第四步的截面图； 图12E是示出声电换能器的制造方法的第五步的截面图； 图12F是示出声电换能器的制造方法的第六步的截面图； 图12G是示出声电换能器的制造方法的第七步的截面图； 图13A是示出声电换能器的制造方法的第八步的截面图； 图13B是示出声电换能器的制造方法的第九步的截面图； 图13C是示出声电换能器的制造方法的第十步的截面图； 图13D是示出声电换能器的制造方法的第十一步的截面图； 图13E是示出声电换能器的制造方法的第十二步的截面图； 图14A是示出声电换能器的制造方法的第十三步的截面图14B是示出声电换能器的制造方法的第十四步的截面图；以及 图14C是示出声电换能器的制造方法的第十五步的截面图。
具体实施方式
本发明将参考附图通过例子被进一步详细描述。 第一实施例根据本发明的第一实施例的声电换能器将参考图1、图2A-C、图3和4 给予描述。即，声电换能器1被设计成振动膜5设置在具有对外敞开的腔 Sl的壳体3的内部。壳体3由矩形形状的固定电极7 (形成与开口 3a相对 的壳体3的底部)、形成在固定电极7的表面7a的外周的圆柱形侧壁9、以 及固定在侧壁9的上部且具有开口 3a的盖ll组成。固定电极7由导电材料组成，其中驻极体薄膜13形成在与振动膜5相 对设置的表面7a上。驻极体薄膜13被电绝缘薄膜15覆盖。驻极体薄膜13 由有机材料组成，如含氟树脂，或由无机材料组成，如二氧化硅。振动膜5设置在开口 3a和固定电极7之间，大致与固定电极7平行， 其中其通过与振动膜5 —体形成的弹性变形部17被壳体3支撑。弹性变形 部17包括大致圓柱形的蛇腹部(bellows portion) 19以及具有膜形状的凸缘 21，其沿半径方向从上部向外伸出。凸缘21的外圆周部被固定且夹在侧壁9 的上部和盖ll之间。因此，蛇腹部19的上端固定在盖11的开口 3a的圓周 部。蛇腹部19的下端与振动膜5的外圓周部整体地互相连接，其中振动膜5 通过蛇腹部19从盖11的开口 3a的圆周部向下悬挂。蛇腹部19以弹性变形 方式形成，因此振动膜5能沿厚度方向(即A-B方向)振动。在平衡状态下，没有弹性力作用在蛇腹部19，弹性变形部17使振动膜 5缩回远离固定电极7。如图3所示，弹性变形部17的蛇腹部19由于弹性 变形能展开，因此振动膜5开始接触固定电极7。具有上述结构的振动膜5和弹性变形部17能通过使用图2A所示的模具 F而一体形成。才莫具F具有凹下的远离表面Fl的凹部F2，其中凹部F2的内 壁以波紋样式形成。在通过使用模具F形成振动膜5和弹性变形部17中，膜状的聚酰亚胺 薄膜23设置在加热的模具F的表面Fl上；凹部F2内的空气被排出，因此聚酰亚胺薄膜23被成形来匹配凹部F2的底部和波紋，如同图2B所示。被 成形为与凹部F2的形状一致的聚酰亚胺薄膜23被冷却然后从凹部 F2中取出，由此可整体形成具有圆柱形底部25和凸缘21的蛇腹部19。最后，如图2C所示，进行固化，通过引入液态玻璃环氧树脂到圆柱形 底部25的底部，由此在蛇腹部19的底端形成不能弹性变形的平面振动膜5。如图l所示，振动膜5具有电极29，其形成在振动膜5的表面5a上， 与驻极体薄膜13和固定电极7相对设置。电极29连接到形成在蛇腹部19 的外圆周表面和凸缘21的表面上的导线31。电极29和导线31能通过电镀 或沉淀金而形成。固定电极7和振动膜5的电极29都连接到电源单元35,其能在固定电 极7和电极29之间选择性地施加交流电压或直流电压。电源单元35设计成 开启或关闭施加到固定电极7和电极29上的电压。在此，电源单元35提供 的交流电压的频率与振动膜5的基于蛇腹部19的弹性模量和振动膜5的重 量的共振频率大致相等。即使蛇腹部19弹性变形由此振动膜5开始接触固定电极7，如图3所示， 振动膜5的电极29开始接触固定电极7的绝缘薄膜15，因此固定电极7与 振动膜5的电极29电绝缘。因为此原因，即使电源单元35在固定电极7和 振动膜5的电极29之间施加电压，也不太可能在其间发生电短路。通过具有上述结构的振动膜5和弹性变形部17，壳体3的腔Sl被分成 空间S2 (设置成接近开口 3a)和后空间S3 (设置成接近固定电极7)。多个 孔形成在侧壁9内使得允许后空间S3和外部之间连通，周此防止由于作用 到后空间S3的压力的增加和减小而使振动膜5的振动被扰乱。由于孔9a形 成在侧壁9内，由于振动膜5的振动可从孔9a传出声音。接下来，将描述具有上述结构的作为扬声器的声电换能器1的操作。在声电换能器l中，通过预先高压或电晕放电，永久电荷形成在驻极体 薄膜13内。特定地，负电荷聚集在驻极体薄膜13与振动膜5相对的表面上， 同时正电荷聚集在接触固定电极7的驻极体薄膜13的背面。在声音传播之前，在弹性变形部17的蛇腹部19 4^弹性变形和展开，由 此振动膜5接触固定电极7，如图3所示，电源单元35在固定电极7和振动 膜5的电极29之间施加直流电压，因此，由于作用在"fe动膜5和固定电极7 之间的静电引力，振动膜5被吸引且附着到固定电极7上。 在吸引且附着的状态下，施加直流电压使得极性与聚集在驻极体薄膜13 的表面上的永久电荷的极性相反的电荷聚集在振动膜5的电极29上。例如， 当负电荷聚集在驻极体薄膜13的表面上时，施加直流电压而使正电荷聚集 到振动膜5。这实现了作用在驻极体薄膜13和振动膜5之间的静电引力，除 了通过施加直流电压产生静电引力以外；因此，即使施加在振动膜5和固定 电极7上的电压减小，仍可以可靠地固定振动膜5到固定电极7上。在上述状态下，弹性力施加到蛇腹部19，因此振动膜5与固定电极7 分离。通过增加静电引力总和以致大于弹性力，可维持这种吸引且附着状态。 因为固定电极7与振动膜5的电极29通过绝缘薄膜而电绝缘，在此吸引且 附着状态下，大致上没有电流可在固定电极7和振动膜5的电极29之间流 动。为了通过声电换能器1产生声音，在上述状态下电源单元35解除施加 在固定电极7和振动膜5之间的电压。同时，由于蛇腹部19的弹性力，振 动膜5与固定电极7分开；因此，蛇腹部19位于图1所示的平衡状态下； 然后，由于振动膜5的惯性，蛇腹部19朝向吸引且附着位置的相对位置进 一步变形。在此状态下，弹性力仍作用在蛇腹部19上；因此，由于蛇腹部 19的弹性和振动膜5的惯性，振动膜5沿朝向固定电极7的方向变形，由此 再次返回到图3中所示的吸引且附着位置。如上所述，振动膜5的振动产生 声音，从壳体3的开口 3a传播到外部。当振动膜5振动且由此返回接近固定电极7,有必要再次施加高的直流 电压在固定电极7和振动膜5的电极29之间。因此，即使在振动膜5的振 动期间由于空气阻尼导致能量损失，仍可以可靠地吸引和固定振动膜5到固 定电极7上，因此振动膜5不能由于蛇腹部19的弹性和振动膜5的惯性而 返回到吸引且附着位置。为了通过声电换能器1产生声音，可施加预定电压到振动膜5的电极29 上，极性与聚集在驻极体薄膜13的表面上的永久电荷的极性相同的电荷产 生。这导致振动膜5和固定电极7之间的排斥；因此，可实现声电换能器l 的有效动作。对于再次设置在如图1所示的平衡状态下的振动膜5，为了被吸引且附 着到声电换能器1内的固定电极7上，如图3所示，对于电源单元35有必 要施加频率大致等同于振动膜5的共振频率的交流电压。
即，在振动膜5的平衡状态下，当上述交流电压施加在固定电极7和振 动膜5之间时，由于交流电场施加在固定电极7和振动膜5的电极29之间， 振动膜5的振幅逐渐增加；因此，振动膜5可移动接近固定电极7。当振动 膜5接触固定电极7时，或当振动膜5移动到非常接近固定电极7时，电源 单元35施加直流电压在固定电极7和振动膜5的电极29之间，因此振动膜 5可靠地吸引且附着到固定电极7上。为了实现吸引和固定，有必要施加预定电压，因此静电引力被作用在处 于平衡状态下的振动膜5的电极29和固定电极7之间。在此情况下，可通 过作用在振动膜5的电极29和驻极体薄膜13之间的静电引力移动振动膜5。 这使得与没有驻极体薄膜13的其它声电换能器相比可减小声电换能器1内 的施力口电压。先于声音的传播，上述声电换能器1能导致振动膜5振动，其被强制地 吸引且附着到固定电极7上，与蛇腹部19的预先弹性无关；因此，振动膜5 可实现相对高的振幅。这使得可增加振动膜5的位移，以产生具有相当高声 压的声音。因为声电换能器1具有简单结构，其中壳体3包括固定电极7、振动膜 5、以及弹性变形部17，其尺寸和重量能被容易地减小。即使振动膜5处于平衡状态，电源单元35施加频率大致与振动膜5的 共振频率相同的交流电压，因此振动膜5能被有效地吸引且附着到固定电极 7上。由于驻极体薄膜13的设置，可减小施加到声电换能器1上的电压，例 如用于吸引和固定起初处于平衡状态下的振动膜5到固定电极7上的预定电 压，以及用于维持振动膜5的吸引且附着状态的预定电压。即，本实施例使 得声电换能器1可以低功率操作。本实施例被设计成先于声音传播而施加交流电压在振动膜5和固定电极 7之间，振动膜5被吸引且附着到固定电极7上。然而，本发明不是必然地 限于本实施例。即，本实施例可被修改，通过施加直流电压在振动膜5和固 定电极7之间，振动膜5可被吸引且附着到固定电极7上。本实施例被设计成驻极体薄膜13形成在固定电极7的表面7a上，与振 动膜5相对。相反地，本实施例可被修改，驻极体薄膜13形成在振动膜5 的表面5a上，与固定电极7相对。在此结构中，最好是驻极体薄膜13被安 装来覆盖振动膜5的电极29。此外，优选地驻极体薄膜13覆盖有绝缘薄膜 15。采用此修改，可减小施加在振动膜5和固定电极7之间的电压；这使得 声电换能器1可以低功率操作。本实施例被设计成通过形成驻极体薄膜13的方式形成振动膜5和固定 电极7;然而，驻极体薄膜13不是必须被形成。当驻极体薄膜13没有形成 时，需要在振动膜5的表面5a上或固定电极7的表面7a上形成绝缘薄膜15, 因此避免在固定电极7和振动膜5的电极29之间发生短路。为了用低电压 吸引振动膜5到固定电极7上，最好是减小绝缘薄膜15的厚度。具体地说， 最好是绝缘薄膜15的厚度设置成几个微米。在本实施例中，弹性变形部17由聚酰亚胺薄膜23构成；然而，这不是 限定。即，要求弹性变形部17由实现弹性变形的指定材料构成。在本实施例中，振动膜5由聚酰亚胺薄膜23和玻璃环氧树脂27组成； 然而，这不是限定。即，要求振动膜5形成平面形状而不产生弹性变形。在本实施例中，电极29连接到振动膜5的表面5a上；然而，这不是限 定。即，可使用导电材料形成振动膜5，因此振动膜5能完全作为电极。第二施例根据本发明第二实施例的声电换能器将参考图5和6予以说明。第二实 施例的声电换能器41与第一实施例的声电换能器1在振动膜和弹性变形部 的构造方面不同。在接下来的描述中，仅描述第一和第二实施例之间的不同， 然而第一和第二实施例的那些相同部分用相同的标号示出，因此，其说明将 省略。在图5中，声电换能器41的壳体43包括盖47，除了固定电极7(被用 于声电换能器1中)之外，其具有圓柱形侧壁45和开口 43a。盖47由导电材料组成以形成电极49与固定电极7相对。与声电换能器 1类似，用在声电换能器41中的固定电极7和电极49 ^C连接到电源单元35。 即，电源单元35在声电换能器41内施加电压在固定电极7和电极49之间。 多个弹性变形部53固定到侧壁45的内部。如图5和6所示，振动膜51安装在包括开口 43a的盖47和固定电极7 之间，因此其被设置成大致平行固定电极7和电极49。具体地说，振动膜 51通过四个弹性变形部53被壳体43支撑。具有圆形外形的振动膜51的直 径在俯一见图中比开口 43a的直径大。
弹性变形部53沿平面方向从振动膜51的圓周^皮拉长，弹性变形部53 的远端固定到壳体43的侧壁45上。每个弹性变形部53从振动膜51蜿蜒到 侧壁45;因此，它们中的每个能轻易地弹性变形。与振动膜51—起整体形 成的弹性变形部53沿振动膜51的圆周方向等间距设置。由于弹性变形部53的弹性变形，振动膜51能沿厚度方向(即显示在图 5中的C-D方向)振动，其中弹性变形部53允许振动膜51弹性变形和展开 接触固定电极7或电极49。在平衡状态下，弹性力不施加到每个弹性变形部 53，振动膜51分别远离固定电极7和电极49。具体地说，在平衡状态下， 振动膜51被设置在分别与固定电极7和电极49相同距离处。通过由有机材料如含氟树脂组成或由无机材料如二氧化硅构成的驻极 体55,振动膜51和弹性变形部53—起整体形成。通过使用抗蚀图形，蚀刻 平面形状的驻极体55形成振动膜51和弹性变形部53,振动膜51和弹性变 形部53能被整体形成。因此，对于弹性变形部53蚀刻完成，每个弹性变形 部53的厚度减小来实现弹性变形。因为振动膜51由驻极体55(即绝缘体)组成，即使振动膜51接触固定 电极7或电极49,电荷不会在振动膜51和固定电极7或电极49之间移动。伸入侧壁45的内部的多个分隔板57形成而填充形成在振动膜51和侧 壁45之间的间隙。振动膜51和分隔板57被设置成将腔S1分隔成接近开口 43a的腔S2和接近固定电极7的后腔S3。即，它们防止空气流动在腔S2和 后腔S3之间发生。接下来，将描述作为扬声器的声电换能器41的操作。在声电换能器41 中，由驻极体55构成的振动膜51受到高压或电晕放电，且因此预先充有正 极性或负极性。此外，直流电压施加到固定电极7上，因此，在弹性变形部53弹性变 形或展开由此振动膜51接触固定电极7的状态下，极性与驻极体55的永久 电荷的极性相反的电荷施加到固定电极7上，因此由于静电引力作用在振动 膜51和固定电极7之间，振动膜51被吸引且附着到固定电极7上。在此吸 引且附着状态下，弹性变形部53产生弹性力来将振动膜51与固定电极7隔 开。然而，通过增加静电引力使其大于弹性力，这种吸引且附着状态能被维 持。与第一实施例类似，在第二实施例中，当电源单元35解除施加在固定
电极7和电极49之间的电压时，声电换能器41能产生声音，因为振动膜51 由于弹性变形部53的弹性力和其惯性而振动，由此振动膜51返回到吸引且 附着位置。即振动膜51的振动产生声音，其从壳体43的开口 43a向外部传播。当振动膜51振动且由此移动接近固定电极7时，直流电压再次施加在 固定电极7和电极49之间，因此可靠地固定振动膜51到固定电极7上。附带地，在施加电压使得在振动膜51的吸引且附着状态下极性与驻极 体55的永久电荷的极性相同的电荷施加到固定电极7上时，声光换能器41 能产生声音。在此情况下，振动膜51和固定电极7之间产生排斥，由此实 现声电换能器41的有效操作。在声电换能器41内，当电源单元35施加频率与振动膜51的共振频率 相同的交流电压在固定电极7和电极49之间时，再次处于平tf状态下的振 动膜51被吸引且附着到固定电极7上。在振动膜51的平衡状态下，当交流电压施加在固定电极7和电极49之 间时，由于交流电场施加在固定电极7和振动膜51之间或电极49与振动膜 51之间，振动膜51的振幅逐渐增大，由此振动膜51移动接近固定电极7 或电极49。当振动膜51开始接触固定电极7，或当振动膜51移动到非常接 近固定电极7时，电源单元35施加电压在固定电极7和电极49之间，以此 方式极性与驻极体55的永久电荷的极性相反的电荷施加到固定电极7上， 由此振动膜51可靠地吸引到固定电极7上。第二实施例的声电换能器41具有与第一实施例的声电换能器1相似的 效果。在此结构中，在振动膜51的平衡状态下，当电源单元35施加频率与 振动膜51的共振频率相同的交流电压在固定电极7和电极49之间时，由于 除了交流电场施加在固定电极7和振动膜51之间以外，交流电场施加在电 极49和振动膜51之间，可以有效地增大振动膜51的振幅。与第一实施例 的声电换能器1相比，第二实施例的声电换能器41允许振动膜51在较短时 间内吸引且附着到固定电极7上。第二实施例的声电换能器41设计使得盖47的整个面积形成电极49与 固定电极7相对设置；但是这不是限制。即，第二实施例要求至少对应壳体 43的开口 43a的外周部的盖47的预定部分形成与固定电极7相对设置的电 极，且由于弹性变形部53的弹性变形，允许振动膜51接触电极。
每个弹性变形部53不是必需沿振动膜51的半径方向被拉长形成蜿蜒形 状。例如，沿振动膜51的外边缘的一部分被拉长形成蜿蜒形状，或形成波 紋形状。在第二实施例中，每个弹性变形部53采用驻极体55形成，其也用于振 动膜51的形成；但这不是限制。即，弹性变形部53和振动膜51能使用同 样的材料而形成，或它们可用不同的材料形成。即，第二实施例仅要求弹性 变形部53与振动膜51 —起通过适当地选择其形状和材料而能弹性变形。在第二实施例中，振动膜51完全采用驻极体55形成；但这不是限制。 即，第二实施例要求至少振动膜51的一部分采用驻极体55而形成。变形弹性变形部53并不需要直接连接到振动膜51，即可设计如图7和8所 示的变形，其中弹性变形部53通过支撑件60连接到振动膜51，每个支撑件 沿振动膜51的圆周外周的预定部分拉长。在图7的情况中，每个弹性变形 部53形成直线形状，沿振动膜51的半径方向延伸，其中它们通过支撑件60 连接到振动膜51。每个支撑件60设置在两相邻设置的弹性变形部53之间、 其中每个支撑件60的一端通过间隙与一个弹性变形部53连接，同时每个支 撑件60的另一端与另一个弹性变形部53连接。每个弹性变形部53和支撑 件60由分隔板57围绕，在其间具有预定的间隙，其中以适合于弹性变形部 53的形状和支撑件60的形状而形成分隔板57。即振动膜51通过支撑件60 连接到弹性变形部53，并且支撑件60和弹性变形部53的外周由分隔板57 围绕，由此振动膜51的振幅可进一步增加，并且由于分隔板57和弹性变形 部53以及支撑件60之间的间隙形成了空气阻力。这使得当振动膜51从固 定电极7移动到电极49时，可控制空气朝向接近固定电极7的后腔S3流动。在图8的情况中，每个弹性变形部53形成朝向侧壁45的蜿蜒形状，其 中它们通过多个支撑件61连接到振动膜51,每一个支撑件61沿振动膜51 的圆周的预定部分拉长。这使得可进一步增加振动膜51的振幅。在各变形中，每个弹性变形部53采用驻极体55而形成，驻极体55也 用于形成振动膜51,但这不是限制。即弹性变形部53和振动膜51都可使用 相同的材料形成，或者它们可使用不同的材料形成。更确切地说，各变形仅 仅需要弹性变形部53通过合适地选择其形状和材料而与振动膜51 —起可弹
性变形。在各变形中，振动膜51使用驻极体55而一体形成，但这不是限制。即 各变形要求至少振动膜51的一部分使用驻极体55而形成。振动膜51和弹性变形部53中的每一个都是静电电容类型，其中其部分 地使用驻极体55形成，但这不是限制。即振动膜51可设计成电容器类型， 其中振动膜51使用传导材料形成，并且与外部终端(未示出)连接。在此， 通过改变施加在振动膜51、固定电极7及相对电极49之间的电压，振动膜 51可振动。制造方法接下来，使用硅基片通过半导体制造工艺制造的声电换能器41的制造 方法将参考图9、图IOA、 10B和10C以及图11A和11B给予描述。上基片70(参见图IOA)以绝缘薄膜102形成在厚度为500lim到600nm (参见图12A)的p型多晶硅基片的表面上的方式而形成。优选的是通过在 氧化硅薄膜上垂直层叠氮化硅薄膜形成绝缘薄膜102。绝缘薄膜102的厚度 分布在从5pm到25nm范围内，优选的是设置成lO)iim。以使用抗蚀掩模执行蚀刻形成凹部S (参见图12B和12C )的方式形威 接近开口 43a的分隔板57。蚀刻完成之后去除抗蚀掩才莫。使用适合于开口 43a的形状的抗蚀膜104执行磷掺杂(或植入磷离子)， 以在具有凹部S(参见图12D)的基片101的表面上形成多个环形传导层201, 由此形成混杂扩散区(或n+掺杂区)105。掺杂完成之后，抗蚀膜104从基 片IOI上移去，然后经受热处理，形成传导层(或扩散层)201(参见图12E)。厚度分布在IOOA。到250A。范围内的氧化硅(实现衬垫氧化(pad oxidation ))沉积在基片101的表面上，然后沉积厚度分布在1000A。到3000A° 范围内的氮化硅(实现绝缘薄膜)，以此方式在传导层201上形成绝缘薄膜 202。在此，选择性地实施蚀刻将每个氧化硅和氮化硅加工成预定形状。然 后，使用抗蚀掩模106实施蚀刻，将每个前述的层加工成预定形状(参见图 12G和图BA)。蚀刻完成之后去除抗蚀掩模106。之后，氧化硅沉积形成阻挡层107(参见图13B)，通过化学机械抛光 (CMP)方法经受所需要的均夷作用(参见图13C)。0.5^m厚的多晶硅薄膜108掺有杂质比如磷，形成振动膜51和弹性变 形部53,该薄膜沉积在阻挡层107的表面上(参见图13D)。 在多晶硅薄膜108上使用光刻胶掩模实施各向异性蚀刻比如反离子蚀刻 (reactive ion etching RIE)，由此选4奪性地蚀刻和加工振动膜51和弹性变形 部53 (参见图13E)。氧化硅沉积形成阻挡层110,以覆盖经受蚀刻的多晶硅薄膜108。在此， 必需实施均夷作用(参见图14A)。附带地，当分隔板57优选的是具有传导 性时，可通过沉积的方法形成多晶硅薄膜108。通过在经受沉积的基片101上实施蚀刻可形成上基片70。在此，基片 101的背面通过蚀刻多晶硅薄膜108使氧化硅薄膜暴露的方式，经受各向异 性蚀刻，例如深度反离子蚀刻，以与孔43a—致。使用光刻胶掩模实施各向 异性蚀刻，以多晶硅薄膜108经受选择性的蚀刻使氧化硅薄膜暴露的方式， 在基片101的表面上实现分隔板57的外形和孔300的外形。在氧化硅(或衬垫氧化)和氮化硅(或绝缘薄膜)上实施蚀刻与孔43a 相一致之后，使用緩冲的氬氟酸(或緩冲的氟化氢)实施湿蚀刻，以在振动 膜51的外周内选择性地除去氧化硅(或阻挡层110)(参见图14C)。因此， 可形成上基片70。接下来，如图IIA和IIB所示制造下基片80。在此，在厚度分布从500iam 到600|im范围内的与振动膜51的外形一致的多晶硅基片101的表面上掺杂 磷，形成传导层401,在其上面部分地形成了绝缘层401。通过将上基片70和下基片80粘附在一起，可完成声光换能器41的制造。在前述的制造方法中，振动膜51和弹性变形部53中的每一个都使用掺 有杂质比如磷(P)的多晶硅薄膜而形成，但这不是限制。例如，振动膜51 可使用氮化硅薄膜(SiN薄膜)和氮氧化硅薄膜(SiON薄膜)而形成；其 可结合SiN薄膜和SiON薄膜形成分层的结构；其可形成分层的结构，其 中多晶硅薄膜覆盖有绝缘薄膜，比如SiN薄膜和SiON薄膜；其可使用氧 化硅薄膜而形成。然后，使用上述绝缘材料而形成的振动膜51通过高压应 用或者电暈放电的方法而充有正极性或负极性，由此可通过半导体装置制造 方法制造出静电电容类型的声光换能器41。每个前述的实施例和变形教导了单个声光换能器，但是这不是限制。即， 多个声光换能器可排列成一个阵列，由此实现用于再现模拟波形的数字扬声 器。在此，包括多个声光换能器的阵列可作为单个扬声器用于产生相对较高
的声压。此外，通过半导体装置制造工艺可在单个晶片上同时形成多个声光 换能器。在前述的实施例中，壳体3和43由固定电极7、侧壁9和45、以及盖 11和47组成；但这不是限制。即本发明要求声电换能器包括固定电极7和 在其外表敞开的腔Sl。例如，可修改前述实施例使得侧壁9和45以及盖11 和47 —体形成。在前述的实施例中，振动膜5和51设置成大致平行于固定电极7和电 极49。本发明要求在振动膜5和51的平衡状态下以及振动膜5和51吸引且 固定到固定电极7上的吸引且附着状态下，振动膜5和51设置成大致平行 于固定电极7和电极49。此外，要求在振动期间，振动膜5和51设置成大 致平行于固定电极7和电极49，即使它们稍微相对于固定电极7和电极49 倾斜。声电换能器1和41不是必然限于扬声器，它们可用作扩音器用于检测 声音。即，声电换能器1和41能通过检测振动膜5和51的振动来检测通过 壳体3和43的开口 3a和43a传播到振动膜5和51的声音。在第一实施例 的声电换能器1中，例如响应于固定电极7和振动膜5的电极29之间的静 电电容的变化，可检测振动膜51的振动。在第二实施例的声电换能器41中， 通过检测振动膜51和固定电极7或电极49之间的静电电容的变化，可检测 振动膜51的振动。最后，本发明不是必然地限于上述实施例和变形，其可在由附加的权利 要求限定的本发明范围内以各种方式进一步修改。
权利要求
1.一种声电换能器，包括壳体，所述壳体具有在外表具有开口的腔；具有平面形状的固定电极，所述固定电极被定位成与所述开口相对且形成所述壳体的一部分；具有电极的振动膜，所述振动膜被定位在所述开口和所述固定电极之间；以及弹性变形部，所述弹性变形部用于相对于所述壳体支撑所述振动膜且允许所述振动膜沿其厚度方向振动；其中所述固定电极与所述振动膜的电极电绝缘；其中所述振动膜在平衡状态下通过所述弹性变形部与所述固定电极隔开；以及其中所述弹性变形部受到弹性变形，使得所述振动膜开始接触所述固定电极。
2. 根据权利要求1所述的声电换能器，进一步包括电源单元，所述电 源单元用于在所述固定电极和所述振动膜的电极之间选择性地施加交流电 压或直流电压，其中所述交流电压的频率与所述振动膜的基于所述弹性变形 部的弹性模量和所述振动膜的重量的共振频率大致相等。
3. 根据权利要求2所述的声电换能器，其中，先于声音的产生，在施 加所述交流电压或所述直流电压时所述振动膜被吸引且附着到所述固定电 极上。
4. 根据权利要求1所述的声电换能器，其中所述振动膜和所述固定电 极中至少 一个使用驻极体薄膜而形成。
5. —种声电换能器，包括壳体，所述壳体具有在外表具有开口的腔；具有平面形状的固定电极，所述固定电极被定位成与所述开口相对且形成所述壳体的一部分；振动膜，所述振动膜被定位在所述开口和所述固定电极之间；以及 弹性变形部，所述弹性变形部用于相对于所述壳体支撑所述振动膜且允许所述振动膜沿其厚度方向振动；其中所述振动膜在平衡状态下通过所述弹性变形部与所述固定电极隔开；其中所述弹性变形部受到弹性变形，使得所述振动膜开始接触所述固定电才及；以及其中所述振动膜由驻极体构成，其被充有正极性或负极性。
全文摘要
本发明公开了一种作为扬声器或扩音器的声电换能器，其尺寸和重量减小了且其能产生具有相当高声压的声音。该声电换能器包括壳体，其具有在外表具有开口的腔，与壳体的开口相对设置的固定电极，具有设置在开口和固定电极之间的电极的振动膜，以及弹性变形部，其用于相对于壳体支撑振动膜，且允许振动膜沿厚度方向振动。固定电极与振动膜的电极电绝缘。振动膜通过处于平衡状态下弹性变形部与固定电极隔开。当弹性变形部受到弹性变形时，振动膜用相对较大的振幅振动，由此开始接触固定电极。
文档编号H04R19/00GK101128070SQ20071014097
公开日2008年2月20日 申请日期2007年8月15日 优先权日2006年8月17日
发明者铃木利尚 申请人:雅马哈株式会社