热双晶振膜的制作方法及MEMS扬声器与流程

本发明涉及声电转换技术领域，更为具体地，涉及一种热双晶振膜(thermal bimorph diaphragm)的制作方法及微电子机械系统(MEMS)扬声器。

背景技术：

扬声器作为将电能转变为声能的常用电声换能器件，其在声放系统中起着不可或缺的作用。扬声器的种类繁多，音频电能通过电磁、压电或静电效应，使其纸盆或膜片振动并与周围的空气产生共振(共鸣)而发出声音。因此，正是有了扬声器的出现，人们才得以听到美妙的声音。

一方面，现有的扬声器的结构大多采用晶片加工和磁铁集成，这就使得扬声器的加工过程极其复杂，而连接扬声器各个部件的连接件大多采用脆性材料制成，而脆性材料不能承受大的形变，进而影响到扬声器的质量及寿命。

另一方面，现有的扬声器大多为数字化微型扬声器，其需要一个复杂的高电压集成电路(微电技术)来驱动其工作，而数字化的微型扬声器的数字开关对振膜的冲击容易影响扬声器的寿命和可靠性。

综上所述，现有的扬声器存在以下问题：

1、当前由于技术和成本以及应用到特定终端产品的限制导致传统微型扬声器在消费市场的规模不断缩小；

2、微电技术应用到扬声器中的效果不明显；

3、复杂的晶片加工过程使得生产扬声器的成本变高。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种热双晶振膜的制作方法及MEMS扬声器，以解决生产成本高、晶片加工复杂以及扬声器音效不佳的问题。

在一方面中，本发明提供一种热双晶振膜的制作方法，包括：

对基板热氧化以在该基板上获得绝缘层，并且在所述绝缘层上设置金属层；

在所述金属层上设置保护层；

在所述保护层上设置热双晶第一层，且所述热双晶第一层的一侧与所述金属层接触；

在所述热双晶第一层上设置热双晶第二层，且所述热双晶第二层的一侧与所述金属层和所述绝缘层接触；

在所述金属层上未设置该保护层的位置处设置金属连接层，其中，所述金属连接层作为所述热双晶振膜的连接点；

在所述基板和所述绝缘层上形成相对应的背洞，并释放所述保护层；以及

释放所述保护层后，所述热双晶第一层和所述热双晶第二层形成弯曲的热双晶振膜。

此外，优选地，至少两个所述热双晶振膜以各自的连接点相互连接以形成热双晶振膜阵列。

可选地，在释放所述保护层之前，在所述热双晶振膜阵列的顶部上涂布连续薄膜，使得在该保护层被释放之后，所有的弯曲的热双晶振膜机械连接。这样可以有助于防止前腔与后腔之间的声漏。该连续薄膜可以是选自聚合物、塑料和电介质中的一种。

在另一方面，本发明提供一种MEMS扬声器，包括MEMS声电芯片和PCB基板，其中，

所述MEMS声电芯片包括热双晶振膜阵列，其中，

所述热双晶振膜阵列是通过上述方法制作而成，并且

所述MEMS声电芯片的至少一面被金属化，所述MEMS声电芯片的该金属化的一面与所述PCB基板连接。

此外，优选地，在所述PCB基板上设置有金属路径。

此外，优选地，所述MEMS声电芯片的金属化的一面倒装安装在所述PCB基板的所述金属路径上。在倒装安装的所述MEMS声电芯片与所述PCB基板之间的缝隙通过边缘填充工艺(edge-fill)进行填充。

此外，优选地，所述MEMS声电芯片的金属化的一面通过引线与所述PCB基板的所述金属路径连接；并且所述MEMS声电芯片的未被金属化的一面通过芯片粘接(die-attaching)与所述PCB基板连接。

此外，优选地，所述MEMS扬声器还包括驱动装置和密封盖。

此外，优选地，所述驱动装置为IC驱动和/或倒装芯片。

此外，优选地，所述密封盖与所述PCB基板封装形成后腔，在所述PCB基板上与所述热双晶振膜阵列相对应的位置设有MEMS扬声器的出声孔。

此外，优选地，所述密封盖与所述PCB基板封装形成前腔，在所述密封盖的前部或侧部设置有MEMS扬声器的出声孔。

从上面的技术方案可知，本发明的热双晶振膜的制作方法及MEMS扬声器，采用由不同材料制作的具有驱动力的振膜，不但能够降低扬声器的生产成本，还能够提高扬声器的声学性能。由于热双晶振膜采用不同热膨胀系数和热稳定性的薄膜材料组成，使扬声器具有较好的音效。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的热双晶振膜的制作方法流程示意图；

图2-1为根据本发明实施例的金属层结构示意图；

图2-2为根据本发明实施例的保护层结构示意图；

图2-3为根据本发明实施例的热双晶第一层结构示意图；

图2-4为根据本发明实施例的热双晶第二层结构示意图；

图2-5为根据本发明实施例的金属连接层结构示意图；

图2-6为根据本发明实施例的蚀刻背洞及释放保护层结构示意图；

图2-7为根据本发明实施例的热双晶结构示意图；

图2-8为根据本发明实施例的热双晶振膜阵列结构示意图；

图3-1为根据本发明实施例的典型热双晶振膜结构示意图；

图3-2为根据本发明实施例的典型热双晶振膜阵列结构示意图；

图4为根据本发明实施例的MEMS扬声器示例一结构示意图；

图5为根据本发明实施例的MEMS扬声器示例二结构示意图；

图6为根据本发明实施例的MEMS扬声器示例三结构示意图。

其中的附图标记包括：基板1、绝缘层2、金属层3、保护层4、热双晶第一层5、热双晶第二层6、金属连接层7、热双晶振膜阵列8、Si基板9、PCB基板10、金属路径101、驱动装置11、倒装芯片111、IC驱动112、引线113、密封盖12、出声孔13、边缘填充物14、芯片粘接15、背洞16。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。

针对前述提出的生产成本高、晶片制作复杂、振膜驱动稳定性问题，本发明提供了一种热双晶振膜的制作方法及MEMS扬声器，此扬声器采用简单的振膜制作方法，因此降低了扬声器的生产成本。由于热双晶振膜采用不同的两层薄膜材料组成，这种振膜本身具有驱动力，以及材料的热膨胀系数的不同，使得热双晶振膜振动幅度增大，扬声器的声音效果更佳。

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。在下面的描述中，为了清楚简明起见，大量的工艺细节，诸如设备、条件、参数等，考虑到它们为本领域中的技术人员所公知，不再逐一进行说明。

为了说明本发明提供的热双晶振膜的制作方法，图1示出了根据本发明实施例的热双晶振膜的制作方法流程。

如图1所示，本发明提供的热双晶振膜的制作方法包括：

S110：对基板进行热氧化以在该基板上获得绝缘层，在该绝缘层上设置金属层。

在本发明中，通过对Si基板热氧化来得到绝缘层，需要说明的是，基板中的多晶硅与氧化剂发生反应生成二氧化硅作为绝缘层，然后在二氧化硅的绝缘层上设置金属层，此金属层作为导体(MEMS扬声器中MEMS声电芯片的金属化一面上的金属导体)与MEMS扬声器中的驱动装置连接。

为了说明在绝缘层上设置的金属层的结构，图2-1示出了根据本发明实施例的金属层结构。如图2-1所示，基板1通过热氧化得到绝缘层2，也就是说，基板1中的多晶硅与氧化剂发生反应生成二氧化硅作为绝缘层2，在绝缘层2上设置金属层3，金属层3作为导体将与MEMS扬声器中的驱动装置连接。

S120：在该金属层上设置保护层。

为了说明在金属层上设置的保护层的结构，图2-2示出了根据本发明实施例的保护层结构。如图2-2所示，在金属层3上设置保护层4。保护层4的设置是为了将金属层3与在如下步骤中将要形成的热双晶第一层5能够完全分离，保护层4在热双晶振膜的结构中并不显现，只出现在制作热双晶振膜的过程中，并且是制作过程中不可或缺的一个重要的步骤。金属层3与热双晶第一层通过保护层4分离，以便于热双晶振膜在预应力的作用下能够弯曲，具有更大的变形量。

S130：在该保护层上设置热双晶第一层。

具体地，在本发明中，该热双晶第一层为高导热的双晶材料，具有高导热性。因此，该热双晶第一层为金属，如金属铝、钨钛合金等。在本发明中，该热双晶第一层作为热双晶振膜的第一层材料。

为了说明在保护层上设置的热双晶第一层的结构，图2-3示出了根据本发明实施例的热双晶第一层的结构。如图2-3所示，在保护层4上设置热双晶第一层5，由于热双晶层为高导热的双晶材料，热双晶第一层5为金属，如金属铝、钨钛合金等。即：在保护层4上设置铝薄膜或者钨钛薄膜，该铝薄膜或者钨钛薄膜作为热双晶第一层5。

S140：在该热双晶第一层上设置热双晶第二层。

具体地，在本发明中，该热双晶为高导热的双晶材料，具有高导热性。该热双晶第二层为半导体材料，如氮化硅等。在本发明中，在该热双晶第一层上设置氮化硅薄膜，该氮化硅薄膜作为热双晶振膜的第二层。

为了说明在热双晶第一层上设置的热双晶第二层的结构，图2-4示出了根据本发明实施例的热双晶第二层的结构。如图2-4所示，在热双晶第一层5上设置热双晶第二层6。由于热双晶为高导热的双晶材料，在本发明中的一个实施例中，热双晶第二层6采用氮化硅这种材料，即，在热双晶第一层5上设置氮化硅薄膜，该氮化硅薄膜作为热双晶第二层6。

需要说明的是，在本发明中，热双晶第一层和第二层的材料可以根据实际需要来确定。

S150：在该金属层未设置保护层的位置上设置金属连接层，其中，该金属连接层作为热双晶振膜的连接点。

热双晶第二层设置完成后，在保护层未设置金属层的位置上设置金属连接层，需要说明的是，该金属连接层将作为热双晶振膜阵列的连接点。

为了说明金属连接层的结构，图2-5示出了根据本发明实施例的金属连接层的结构。如图2-5所示，在保护层3未设置金属层4的位置上设置金属连接层7，金属连接层7将作为热双晶振膜的连接点。

金属连接层7将作为热双晶振膜的连接点，在热双晶振膜阵列之间是通过热双晶振膜的金属连接层7连接的。可以将热双晶振膜阵列看成MEMS扬声器的MEMS声电芯片的一个较大的整体振膜。

S160：在该基板和该绝缘层上形成相对应的背洞，并释放保护层。

通过蚀刻，在基板和绝缘层上形成相对应的背洞，同时并释放保护层，即将保护层完全清除干净，在金属层与热双晶第一层之间形成间隙。

为了说明背洞的结构和释放保护层后的结构，图2-6示出了根据本发明实施例的蚀刻背洞及释放保护层的结构。如图2-6所示，在基板1和绝缘层2上的背洞是通过蚀刻形成的，并且释放保护层4。

S170：释放保护层后，热双晶第一层和热双晶第二层形成弯曲的热双晶振膜。

具体地，释放保护层后，由于热双晶第一层和热双晶第二层中的预应力的作用，热双晶第一层和热双晶第二层发生弯曲，形成热双晶振膜。

为了说明热双晶弯曲结构，图2-7示出了根据本发明实施例的热双晶结构。如图2-7所示，热双晶第一层5与金属层3之间没有束缚力，释放保护层后，由于热双晶第一层5和热双晶第二层6中预应力的作用，热双晶第一层5和热双晶第二层6发生弯曲，形成向上弯曲的热双晶振膜。

可选地，在释放保护层之前，在热双晶振膜阵列的顶部上涂布连续薄膜，使得在释放该保护层之后，所有弯曲的热双晶振膜机械连接，这样可以防止在前腔与后腔之间发生声漏。该连续薄膜可以是选自聚合物、塑料和电介质中的一种。

S180：令至少两个所述热双晶振膜以各自的连接点相互连接形成热双晶振膜阵列。

为了说明热双晶振膜阵列的结构，图2-8示出了根据本发明实施例的热双晶振膜阵列结构。如图2-8所示，由四个热双晶振膜组成一个热双晶振膜阵列。一般来说，根据扬声器的实际需要，热双晶振膜阵列可以并联，可以串联，也可以串并联相结合组成。

上述图2-1至图2-8中形成的振膜和振膜阵列是本发明中一个具体的实施例，在本发明中，可以根据需要设计其他的振膜和振膜阵列。为了说明其他振膜的结构和振膜阵列的结构，图3-1和图3-2分别示出了根据本发明实施例的典型热双晶振膜结构和典型热双晶振膜阵列结构。

如图3-1和图3-2所示，典型热双晶振膜为矩形的结构，具体包括矩形的金属层3、矩形的保护层4、环形的热双晶第一层5和环形的热双晶第二层6，以及金属连接层7。各层的形成工艺细节，与上述制作振膜的制作方法大致相同，在这里不再逐一进行说明。

如图3-2所示，典型热双晶振膜阵列采用了3×3的矩阵，各个热双晶振膜之间通过金属连接层相互连接。振膜阵列的大小根据MEMS扬声器的实际需要来设定，即，若MEMS扬声器需要较大功率，可以采用较多的振膜连接形成振膜阵列，若MEMS扬声器需要较小功率，可以采用较少的振膜连接形成振膜阵列。

在本发明中提供的MEMS扬声器，包括MEMS声电芯片和PCB基板。MEMS声电芯片包括热双晶振膜阵列，该热双晶振膜阵列根据上述方法制作而成，并且MEMS声电芯片的至少一面被金属化，MEMS声电芯片的该金属化的一面与PCB基板连接，同时，PCB基板上设置有金属路径。

为了说明MEMS扬声器的结构，图4示出了根据本发明实施例的MEMS扬声器示例一结构。

如图4所示，MEMS扬声器包括MEMS声电芯片和PCB基板10、驱动装置11和密封盖12。MEMS声电芯片包括热双晶振膜阵列8和Si基板9，其中，热双晶振膜阵列8根据上述方法制作而成。

热双晶振膜阵列8采用的高导热性的双晶材料。即：热双晶振膜阵列8采用两层不同的薄膜组成，每层薄膜的材料不同，一般来说，热双晶振膜阵列8中的第一层薄膜材料采用金属或者是金属合金，热双晶振膜阵列8中的第二层薄膜材料采用非金属。

在预应力的作用下，本身具有驱动力的热双晶振膜阵列8具有较大的振幅(振膜振动较大)，这种本身具有驱动力的热双晶振膜阵列8减少了空气阻尼电阻，使MEMS扬声器声效性能更好。也就是说，本身具有驱动力的热双晶振膜阵列8，在低电压时，也能够产生较大的振幅，产生较好的声学性能。

由于热双晶振膜阵列8采用的高导热性的双晶材料和其本身的尺寸较小(一般的尺寸为宽-长，20um-50um)，使得热双晶结构的振膜具有热稳定时间，因此这种热双晶结构的振膜的MEMS扬声器能够在长时间工作和较高温度时，也能够保持很好的声音效果。

另外，热双晶振膜阵列8两层薄膜采用热膨胀系数差别较大的材料，采用热膨胀系数差别较大材料的热双晶振膜阵列8，可以保证扬声器在一定的温度下振膜能够较大幅度的振动，使其保持良好的声效。

MEMS声电芯片的至少一面被金属化，MEMS声电芯片的该金属化的一面与PCB基板10连接，并且，PCB基板10上设置有金属路径101。其中，需要说明的是，MEMS声电芯片金属化的一面倒装安装在PCB基板的金属路径101上。

其中，需要说明的是，MEMS声电芯片金属化的一面即为上述制作振膜方法中在绝缘层上设置的金属层，金属层是通过蒸镀的方式设置在绝缘层上的。

另外，通过边缘填充的工艺(edge-fill)将倒装的MEMS声电芯片与PCB基板10之间的缝隙进行填充。也就是说，将边缘填充物14通过边缘填充的方法将倒装的MEMS声电芯片与PCB基板10之间的空隙完全填充，更好地进行密封，以防止扬声器密封腔漏气。

MEMS扬声器的驱动装置11为集成电路驱动(IC驱动)112和/或倒装芯片111。当驱动装置11为集成电路驱动112时，还需要引线113将集成电路驱动112与金属路径101连接，同时金属路径101与倒装的MEMS声电芯片的金属化一面直接连接，即倒装的MEMS声电芯片的金属化一面设置在PCB基板上。

密封盖12与PCB基板10封装形成后腔，在PCB基板上与热双晶振膜阵列8相对应的位置设有MEMS扬声器的出声孔13。

为了说明MEMS扬声器的结构，图5和图6分别示出了根据本发明实施例的MEMS扬声器示例二和示例三的结构。

如图5和图6所示，MEMS扬声器包括MEMS声电芯片和PCB基板10、驱动装置11和密封盖12。MEMS声电芯片包括热双晶振膜阵列8和Si基板9，其中，热双晶振膜阵列8根据上述方法制作而成。

热双晶振膜阵列8采用高导热性的双晶材料。即，热双晶振膜阵列8采用两层不同的薄膜组成，每层薄膜的材料不同，一般来说，热双晶振膜阵列8中的第一层薄膜材料采用金属或者是金属合金，热双晶振膜阵列8中的第二层薄膜材料采用非金属。

在预应力的作用下，本身具有驱动力的热双晶振膜阵列8具有较大的振幅(振膜振动较大)，这种本身具有驱动力的热双晶振膜阵列8减少了空气阻尼电阻，使MEMS扬声器声效性能更好。也就是说，本身具有驱动力的热双晶振膜阵列8，在低电压时，也能够产生较大的振幅，产生较好的声学性能。

由于热双晶振膜阵列8采用高导热率的双晶材料和其本身的尺寸较小(一般的尺寸为宽-长，20um-50um)，使得热双晶的振膜具有热稳定时间，因此这种热双晶结构的振膜的MEMS扬声器能够在长时间工作和较高温度时，也能够保持很好的声音效果。

另外，热双晶振膜阵列8的两层薄膜采用热膨胀系数差别较大的材料，采用热膨胀系数差别较大材料的热双晶振膜阵列8，可以保证扬声器在一定的温度下振膜能够较大幅度地振动，使其保持良好的声效。

MEMS声电芯片的金属化的一面通过引线113与PCB基板的金属路径101连接。MEMS声电芯片的未金属化的一面与PCB基板10之间通过芯片粘接(die-attaching)15来连接。MEMS声电芯片为正常设置在PCB基板10上，而不是倒装在PCB基板10上。

MEMS扬声器的驱动装置11为集成电路驱动112和/或倒装芯片111。当驱动装置11为集成电路驱动112时，还需要引线113将集成电路驱动112与金属路径101连接。

在本实施例中，MEMS声电芯片的金属化的一面也通过引线113与PCB基板上的金属路径101连接，即，MEMS声电芯片和集成电路驱动112均通过引线113连接。

密封盖12与PCB基板10封装形成前腔，在密封盖的前部或侧部设置有MEMS扬声器的出声孔13。图5所示的示例中的出声孔13设置在密封盖12的侧部，图6所示的示例中的出声孔13设置在密封盖12的前部。

此外，需要说明的是，本发明的方法与原理不仅仅适用于MEMS扬声器，也适用于MEMS接收器。

通过上述实施方式可以看出，本发明提供的热双晶振膜的制作方法及MEMS扬声器，采用不同材料制作的具有驱动力的振膜，不但能够降低扬声器的生产成本，还能够提高扬声器的声学性能。由于热双晶振膜采用不同热膨胀系数和热稳定性的薄膜材料组成，使扬声器具有较好的音效。

如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明提出的热双晶振膜的制作方法及MEMS扬声器。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的热双晶振膜的制作方法及MEMS扬声器，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。