MEMS压电扬声器的制作方法

mems压电扬声器
技术领域
1.本技术涉及芯片封装技术领域，尤其涉及一种mems压电扬声器。


背景技术：

2.扬声器是一种将电学信号转换为声音信号的换能器件，微型扬声器现已大量应用在消费性电子产品中。mems扬声器为通过微电子和微机械加工技术制造出来的一类扬声器，由于使用了mems工艺，相较传统微型扬声器制备工艺，使其具有可批量生产、易集成、尺寸精度高且易控制、成本低等优点。mems扬声器从工作原理上一般分为三类：电磁式mems扬声器、静电式mems扬声器和压电式mems扬声器。其中mems压电扬声器结构简单、无需软磁等特殊材料，使得加工工艺及整合技术更为简单，故在实现轻薄化微型高性能扬声器方面有更大优势。
3.传统mems扬声器将mems执行器与音膜相连，使得音膜能借助于mems执行器产生振动形成声波，最终实现声音重放。然而，传统mems扬声器第一谐振频率(即固有频率)较高，导致低频性能不好，主要原因在于：mems执行器引入了额外的自身刚度，故相较于传统音圈式微型扬声器，器件的整体刚度更大。而器件的第一谐振频率与刚度的平方根成正比，故使用相同的音膜时，mems扬声器较传统微型扬声器第一谐振频率更高。若器件第一谐振频率高，会导致其低频性能不好，重放频带也会更窄，难以满足器件的音质需求。
4.一般的，降低器件的第一谐振频率有两种实现方式：
5.其一，降低mems执行器的刚度；
6.其二，降低音膜的刚度。
7.若减小mems执行器的刚度，在不增加mems尺寸的前提下会同时降低器件的机电耦合系数，从而减小了器件的灵敏度；而增加mems尺寸则会增加成本且不利于器件的小型化。
8.若降低音膜刚度，则需采用杨氏模量更低的音膜，在更高声压级输出要求时，则要求音膜产生更大的形变，此时器件更易发生失效，可靠性更低；另一方面，音膜更软时，其与mems执行器的刚度差异更大，使得mems执行器的能量难以传递到音膜，导致器件整体的机电转换效率降低，最终会降低器件的输出灵敏度。因此，要在不影响器件输出灵敏度的情况下，降低器件的第一谐振频率，传统的实现方法难以实现。
9.因此，有必要提供一种改进的mems压电扬声器来解决上述问题。


技术实现要素：

10.鉴于上述不足，本技术的一个目的是提供一种mems压电扬声器，不仅能使输出的声学性能更佳，而且能够提高器件整体的可靠性。
11.达到上述至少一个目的，本技术采用如下技术方案：
12.一种mems压电扬声器，所述mems压电扬声器包括：
13.mems压电执行器，将电学信号转化为振动信号；
14.pcb板，用于激励所述mems压电执行器；
15.音膜，其能够被所述mems压电执行器驱动而相对于所述pcb板沿着第一方向振动产生声波，所述第一方向为所述pcb板的厚度方向；
16.耦合板，用于将所述mems压电执行器连接至所述音膜；
17.支撑结构件，用于固定所述音膜的四周；所述支撑结构件在所述第一方向具有活动自由度，能使所述音膜在所述第一方向产生活塞运动。
18.作为一种优选的实施方式，所述支撑结构件在垂直于所述第一方向的第二方向被限位。
19.作为一种优选的实施方式，所述pcb板具有相对的第一侧和第二侧；所述支撑结构件位于所述pcb板的第一侧，所述pcb板的第二侧设置有防尘网，所述防尘网与所述pcb板、mems压电执行器之间形成有后腔。
20.作为一种优选的实施方式，所述支撑结构件为沿着所述第一方向能伸缩的弹簧结构。
21.作为一种优选的实施方式，所述支撑结构件在垂直于所述第一方向的第二方向完全连通。
22.作为一种优选的实施方式，所述支撑结构件在沿着所述第一方向上设置有至少一层具有预定厚度的弹性层，所述弹性层为杨氏模量在预设范围内的材料层。
23.作为一种优选的实施方式，所述杨氏模量的预设范围为100kpa-100mpa，所述弹性层包括下述中的任意一种或其组合：泡沫层、橡胶层。
24.作为一种优选的实施方式，所述音膜设置有多个顶角，所述顶角与所述pcb板之间的第一位置设置有固定层，所述音膜在非顶角的第二位置设置弹性层，所述固定层的杨氏模量大于所述弹性层的杨氏模量。
25.作为一种优选的实施方式，所述耦合板与所述mems压电执行器之间还设置有质量块，所述质量块的个数为一个，所述质量块位于所述mems压电执行器和所述音膜的中心位置。
26.作为一种优选的实施方式，所述耦合板与所述mems压电执行器之间还设置有质量块，所述mems压电执行器的中部设置有结构梁，所述质量块的个数为多个，多个所述质量块间隔分布在所述结构梁至所述音膜之间。
27.有益效果：
28.本技术实施方式中所提供的mems压电扬声器，核心改进点在于使用了一种软支撑结构件，该结构可以不限制音膜的纵向振动；此外，其可以限制音膜的横向移动，使得音膜产生活塞运动的位移最大化。该软支撑结构件的设置相当于将音膜的边界条件由常规的固定变为至少部分自由，从而在不改变音膜结构和材料的情况下降低器件的整体刚度；最终可以在不影响器件输出灵敏度和可靠性的情况下，大幅降低器件的第一谐振频率，提高了器件的低频性能。
29.参照后文的说明和附图，详细公开了本实用新型的特定实施方式，指明了本实用新型的原理可以被采用的方式。应该理解，本实用新型的实施方式在范围上并不因而受到限制。
30.针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
31.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
32.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1是本技术第一实施方式中提供的一种设置有mems压电扬声器的扬声器示意图；
34.图2是本技术第二实施方式中提供的一种设置有mems压电扬声器的扬声器示意图；
35.图3是本技术第三实施方式中提供的一种设置有mems压电扬声器的扬声器示意图；
36.图4是带软支撑结构的mems扬声器和现有的mems扬声器的输出声压级频率响应仿真结果。
37.附图标记说明：
38.1、mems压电执行器；
39.2、pcb板；
40.3、音膜；
41.4、耦合板；41、质量块；
42.5、支撑结构件；51、弹性层；52、固定层；
43.6、防尘网；
44.7、后腔。
具体实施方式
45.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
46.需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
47.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
48.与相关技术相比，本技术说明书中所提供的mems压电扬声器，核心改进点在于使用了一种软支撑结构件，该结构可以不限制音膜的纵向振动；此外，其可以限制音膜的横向移动，使得音膜产生活塞运动的位移最大化。该软支撑结构件的设置相当于将音膜的边界条件由常规的固定变为至少部分自由，从而在不改变音膜结构和材料的情况下降低器件的整体刚度；最终可以在不影响器件输出灵敏度和可靠性的情况下，大幅降低器件的第一谐振频率，提高了器件的低频性能。
49.以下将结合具体的实施方式和附图详细说明该mems压电扬声器。
50.请结合参阅图1至图4，本技术说明书中提供一种mems压电扬声器，该mems压电扬声器主要包括：mems压电执行器1，将电学信号转化为振动信号；pcb板2，用于激励所述mems压电执行器1；音膜3，其能够被所述mems压电执行器1驱动而相对于所述pcb板2沿着第一方向振动产生声波，所述第一方向为所述pcb板2的厚度方向；耦合板4，用于将所述mems压电执行器1连接至所述音膜3；支撑结构件5，用于固定所述音膜3的四周；所述支撑结构件5在所述第一方向具有活动自由度，能使所述音膜3在所述第一方向产生活塞运动。
51.在本说明书中，提供了一种包括软支撑结构的mems压电扬声器，其可以包括：支撑结构件5，该支撑结构件5用于固定音膜3的四周；音膜3，其能够相对于pcb板2垂直振动；耦合板4，用于连接mems压电执行器1和音膜3；mems压电执行器1，将电学信号转化为振动信号，并驱动音膜3产生声波；pcb板2，用于激励mems压电执行器1。
52.此外，该mems压电扬声器还可以包括防尘网6和后腔7。具体的，所述pcb板2具有相对的第一侧和第二侧；所述支撑结构件5位于所述pcb板2的第一侧，所述pcb板2的第二侧设置有防尘网6，所述防尘网6与所述pcb板2、mems压电执行器1之间形成有后腔7。
53.在本说明书中所提供的mems压电扬声器其核心为采用了一种软支撑结构件5，该结构可以限制音膜3的横向(第二方向)移动，而不限制音膜3的纵向(即第一方向)振动(即所述支撑结构件5在所述第一方向具有活动自由度，能使所述音膜3在所述第一方向产生活塞运动，所述支撑结构件5在垂直于所述第一方向的第二方向被限位)，使得音膜3产生活塞运动的位移最大化，而不引入额外噪声。
54.以下结合具体的实施例和附图详细说明该mems压电扬声器的支撑结构件5是如何实现上述功能的。
55.实施例一：
56.该支撑结构件5可以采用如图1所示的纵向弹簧结构，即为沿着所述第一方向能伸缩的弹簧结构。进一步的，所述支撑结构件5在垂直于所述第一方向的第二方向可以完全连通，即该弹簧可以在横向完全连通，在周向构成环形结构。该弹簧在纵向可以设置有多个重复的折叠结构，例如单个折叠结构可以呈s形、z形等弹簧形状。该弹簧形式的支撑结构件5的材料可以为不锈钢等金属材质，通过传统冲压成形工艺实现制作。由于该部件结构上的设计，使得音膜3更易发生纵向运动，而不易发生横向移动。
57.进一步的，该支撑结构件5的两端在与pcb板2和音膜3连接处进行加固处理，从而使得器件可靠性更好。具体的，该弹簧形式的支撑结构件5在与音膜3和pcb板2的连接处可以通过倒圆角处理，使得纵向弹簧与音膜3的连接面积增加，从而在弹簧进行上下伸缩运动时，该连接处不易脱落。
58.实施例二：
59.如图2所示，所述支撑结构件5在沿着所述第一方向上设置有至少一层具有预定厚度的弹性层，所述弹性层为杨氏模量在预设范围内的材料层。
60.具体的，该支撑结构件5可以部分或整体采用复合材料制备而成。该支撑结构件5的部分或整体可以为杨氏模量很低的材料，例如聚亚酰胺泡沫、橡胶等。具体的，该杨氏模量范围100kpa-100mpa。理论上，当材料杨氏模量越低时，越不会限制音膜3的上下运动，从而可产生输出声压级更大的声音；但材料杨氏模量过低时，会导致该支撑结构件5刚度不够，器件稳定性降低。因此，综上而言，材料杨氏模量在上述范围内时能够达到性能的最优化。
61.进一步的，该支撑结构件5同时可以包含一些特定方向的纤维材料，用于限制音膜3的横向移动。其中，该特定方向指的是主要方向为上下的第一方向，左右的第二方向可有一定角度偏转(＜30
°
)随机排布，该角度范围内的偏转可以理解为在空间范围内的角度偏转。其中，纤维材料可以是玻璃纤维、金属纤维、植物纤维等，其特点是从微观上观察，形状为长条状，很容易发生弯曲形变，但不易发生拉伸形变。
62.一般而言，在mems压电扬声器工作时，mems压电执行器1使得中间的质量块41上下运动，从而使音膜3也发生上下运动，即音膜3的主要运动为上下运动，故支撑结构件5主要也是发生纵向拉伸与压缩。当音膜3产生横向移动时，必然会伴随着支撑结构件5较大的纵向拉伸形变。若要限制该横向位移，则需要限制支撑结构件5较大的纵向位移，故将纵向分布的纤维材料分布其中，可产生该效果。
63.当该纤维材料以特定方向分布在支撑结构件5内部时，若音膜3需要发生较大的位移时，这些纤维单元会限制主体材料的拉伸，从而避免该支撑件产生过大的横向移动。但该限制能力是有限的，因此主体材料的杨氏模量也不能过低。同时，这些纤维材料的存在也会影响音膜3的纵向运动，故纤维材料的密度不能过大(例如：体积密度＜40％)。
64.实施例三：
65.如图3所示，所述音膜3设置有多个顶角，所述顶角与所述pcb板2之间的第一位置设置有固定层52，所述音膜3在非顶角的第二位置设置弹性层51，所述固定层52的杨氏模量大于所述弹性层51的杨氏模量。
66.也就是说，在mems压电扬声器的顶点处用杨氏模量大的第一材料形成固定层52，进行固定，边缘则采用杨氏模量极小的第二材料形成弹性层51，用于防止声短路，而不影响音膜3的纵向振动。具体的，该第二材料的杨氏模量可以在100kpa-100mpa之间。
67.声短路是指扬声器的音膜3向上或向下运动时声波是反相的，导致声波互相抵消。当该作为弹性层51的第二材料存在时，音膜3振动产生的向下传播的声波难以通过第二材料传出扬声器与音膜3振动产生的向上传播的声波相遇，故不会发生声短路。换言之，若第二材料不存在，该支撑结构件5仅包含位于顶点处的第一材料，则音膜3振动产生的向下传播的声波会传出扬声器与音膜3振动产生的向上传播的声波相遇，发生声短路。
68.具体的，当该支撑结构件5为中间挖空的矩形，顶点位于矩形的四个角处，顶点处为第一材料，该第一材料在沿着器件边长方向上，面积范围约为器件的1/5-1/3，其余为第二材料。
69.在一些实施方式中，所述耦合板4与所述mems压电执行器1之间还设置有质量块41，所述质量块41的个数为一个，所述质量块41位于所述mems压电执行器1和所述音膜3的
中心位置。
70.在另一些实施方式中，所述耦合板4与所述mems压电执行器1之间还设置有质量块41，所述mems压电执行器1的中部设置有结构梁(图中未示出)，所述质量块41的个数为多个，多个所述质量块41间隔分布在所述结构梁至所述音膜3之间。
71.在本实施方式中，该压电扬声器装置可包含多个mems压电执行器1。多个mems压电执行器1共同与音膜3连接，驱动音膜3振动。
72.如图4所示，为仿真结果对比曲线，设置该软支撑结构后，扬声器的低频输出声压级大幅提高，中高频输出声压级几乎不变。
73.其主要原理是：器件的第一谐振频率(固有频率)正比于(e/m
eff
)
1/2
，其中e代表器件结构的整体等效刚度，m
eff
代表器件结构的等效质量。而器件的整体等效刚度与振动膜层材料的刚度和振动膜层的边界条件都相关。一般而言，材料刚度越大，边界条件越固定，则器件的整体等效刚度越大。另一方面，当器件工作频率低于第一谐振频率时，器件输出灵敏度由器件的等效刚度主导，当器件的工作频率高于第一谐振频率时，器件输出灵敏度由器件的等效质量主导。
74.本技术中振动膜层既包括mems压电执行器1中的振膜，也包括音膜3，当音膜3的边界条件由固定变为自由时，器件的整体等效刚度降低，即可降低器件的第一谐振频率。由于未对mems压电执行器1和音膜3进行任何改动，即并未改变器件的等效质量，故器件中高频(高于第一谐振频率)输出灵敏度并没变化。本技术中仅通过改变音膜3的边界条件，并未进行其他改动，故可实现该效果。仿真结果亦是验证了这一效果。
75.本文引用的任何数值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
76.除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。
77.披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由
…
构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
78.多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
79.应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的实用新型主题的一部分。