MEMS扬声器、电子设备及MEMS扬声器的制备方法与流程

mems扬声器、电子设备及mems扬声器的制备方法
技术领域
1.本发明涉及微机电系统(mems)技术领域，更具体地，本发明涉及一种mems扬声器、电子设备及mems扬声器的制备方法。


背景技术：

2.现有技术中通常采用mems扬声器来实现声音信号的输出，比如可以采用压电式mems扬声器来实现。其工作原理为：在压电式mems扬声器中，通常使用压电薄膜作为有源元件,当施加电压时压电薄膜会发生机械变形，这种机械变形会使周围的空气也发生位移并产生声波，从而实现声音信号的输出。
3.但是，对于大多数的压电式mems扬声器而言，受压电薄膜的压电系数较低的影响，大多数压电式mems扬声器都需要比较大的驱动电压，才能够实现声音信号的输出。


技术实现要素：

4.鉴于上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种新型的mems扬声器、电子设备及mems扬声器的制备方法，旨在解决现有技术中的至少一个问题。
5.根据本发明的一个方面，提供了一种mems扬声器。所述mems扬声器包括：
6.基板；
7.mems模块，所述mems模块包括衬底和压电振膜，所述衬底设置于所述基板上，所述压电振膜设置于所述衬底远离所述基板的一侧，所述压电振膜与所述衬底之间形成真空间隙，且所述压电振膜靠近所述衬底的一侧设置有第一电极，所述压电振膜远离所述衬底的一侧设置有第二电极，所述第一电极和所述第二电极相对，所述第一电极和所述第二电极均与所述基板电连接。
8.可选地，所述mems模块还包括支撑层，所述支撑层设置于所述压电振膜与所述衬底之间，所述支撑层具有中空区域，所述支撑层与所述压电振膜、所述衬底共同形成包括所述中空区域的所述真空间隙。
9.可选地，所述真空间隙的厚度范围为5微米至100微米。
10.可选地，所述压电振膜包括至少一层压电材料。
11.可选地，所述压电材料为氮化铝材料、氮化镓材料和锆钛酸铅材料中的至少一种。
12.可选地，所述压电振膜的厚度范围为0.2微米至2微米。
13.可选地，所述压电振膜的长度范围为0.3毫米至3毫米。
14.可选地，所述衬底朝向所述压电振膜的一侧具有凸起，所述mems模块还包括支撑层，所述支撑层夹设于所述压电振膜与所述凸起之间，所述支撑层将所述真空间隙划分为第一真空间隙和第二真空间隙。
15.可选地，所述mems扬声器还包括盖板，所述盖板设置于所述基板上且覆盖所述mems模块，所述盖板上开设有声孔。
16.根据本发明的另一个方面，提供了一种电子设备。该电子设备包括上述任意一项
所述的mems扬声器。
17.根据本发明的再一个方面，提供了一种mems扬声器的制备方法。所述制备方法包括：
18.制作第一衬底；
19.在所述第一衬底上沉积压电振膜，并在所述压电振膜上沉积第一电极；
20.制作第二衬底，并释放部分所述第二衬底；
21.翻转所述第一衬底并与所述第二衬底键合，使得所述压电振膜与所述第二衬底之间形成真空间隙；
22.去除所述第一衬底，并在所述压电振膜上沉积第二电极，得到mems模块；
23.将所述mems模块装配于基板上。
24.可选地，在所述并在所述压电振膜上沉积第一电极之后，还包括：
25.沉积第一电介质层；
26.在所述第一电介质层上沉积第一粘接层。
27.可选地，在所述制作第二衬底之后，还包括：
28.在所述第二衬底上沉积第二电介质层；
29.在所述第二电介质层上沉积第二粘接层。
30.可选地，所述翻转所述第一衬底并与所述第二衬底键合，包括：
31.翻转所述第一衬底，并将所述第一粘接层与所述第二粘接层键合。
32.本发明的一个技术效果在于，通过设置mems模块的压电振膜与衬底之间形成真空间隙，以能够降低压电振膜与衬底之间间隙内的阻力，进而能够降低压电振膜振动时的阻力，以能够降低压电振膜的驱动电压。
33.通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
34.构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。
35.图1是本公开实施例的一种mems扬声器的结构示意图；
36.图2是本公开实施例的另一种mems扬声器的结构示意图；
37.图3是本公开实施例的一种压电振膜的预弯曲示意图；
38.图4是本公开实施例的一种mems扬声器的制备过程示意图。
39.附图标记说明：
40.1、基板；2、mems模块；21、衬底；211、凸起；22、压电振膜；23、真空间隙；24、第一电极；25、第二电极；26、支撑层；3、盖板；31、声孔。
具体实施方式
41.现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
42.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
43.对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。
44.在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
45.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
46.本发明提供了一种mems(微机电系统)扬声器。微机电系统(mems)扬声器是基于mems技术制造的扬声器。采用微机电工艺形成的微机电系统扬声器具有体积小、灵敏度高的特点，并且微机电麦扬声器具有良好的射频干扰(rfi)及电磁干扰(emi)抑制能力。mems扬声器也常用于中高端手机等电子设备中。
47.如图1至图4所示，根据本发明的一个方面，提供了一种mems扬声器。所述mems扬声器包括：
48.基板1；
49.mems模块2，所述mems模块2包括衬底21和压电振膜22，所述衬底21设置于所述基板1上，所述压电振膜22设置于所述衬底21远离所述基板1的一侧，所述压电振膜22与所述衬底21之间形成真空间隙23，且所述压电振膜22靠近所述衬底21的一侧设置有第一电极24，所述压电振膜22远离所述衬底21的一侧设置有第二电极25，所述第一电极24和所述第二电极25相对，所述第一电极24和所述第二电极25均与所述基板1电连接。
50.如图1和图2所示，本发明实施例的mems模块2包括依次沉积的衬底21和压电振膜22。其中，压电振膜22可以为采用一种压电材料沉积而成的单层薄膜，压电振膜22也可以为采用多种压电材料沉积而成的多层薄膜。本发明实施例基于压电材料的逆压电效应，在施加驱动电压(比如交变电压)的情况下，压电振膜22的内应力能够相应发生变化，导致压电振膜22的强度也发生变化，进而使得压电振膜22能够发生机械振动。
51.如图1和图2所示，本发明实施例将压电振膜22设置于衬底21远离基板1的一侧，且使得压电振膜22与衬底21之间形成真空间隙23。具体地，可以先释放部分衬底21以形成容纳槽，之后在衬底21上沉积连接层，再在该连接层上沉积压电振膜22，并使得压电振膜22、连接层与衬底21之间形成真空间隙23。也即压电振膜22、连接层与衬底21之间形成的间隙中形成真空，通过调整容纳槽的深度和连接层的厚度能够调整真空间隙23的厚度，以能够调整mems模块2的封装尺寸。
52.如图3所示，本发明实施例通过设置压电振膜22与衬底21之间形成真空间隙23，使得压电振膜22与衬底21之间的间隙中形成真空。而压电振膜22远离衬底21的一侧通常为大气压，也即压电振膜22的一侧为大气压而另一侧为真空，这使得在未施加驱动电压的情况下，压电振膜22便能够在大气压的作用下产生朝向衬底21一侧的位移，以形成压电振膜22的预弯曲，进而能够便于后续压电振膜22在驱动电压的驱动下发生机械振动，提高了压电振膜22的振动灵敏度，也降低了该mems扬声器的驱动电压和驱动功率。
53.此外，本发明实施例通过在压电振膜22与衬底21之间形成真空间隙23，能够在利用压电振膜22两侧的压力差实现压电振膜22的预弯曲以便于驱动压电振膜22的同时，也能
够避免在压电振膜22下方再设置基层或者其它结构层导致的mems扬声器封装尺寸的增加，进而能够极大地降低mems扬声器的整体尺寸，便于mems扬声器的小型化发展。
54.并且，本发明实施例通过设置压电振膜22与衬底21之间形成真空间隙23，能够避免在压电振膜22与衬底21之间的间隙中留存气体，以能够极大地降低压电振膜22与衬底21之间间隙内的阻力，进而能够降低压电振膜22振动时的阻力，以能够在保证压电振膜22振动幅度和灵敏性的同时降低压电振膜22的驱动电压，降低了该mems扬声器的驱动功率。通过降低压电振膜22与衬底21之间间隙内的阻力，也能够降低mems扬声器工作时的噪音，增强mems扬声器的信噪比。
55.另外，本发明实施例通过将压电振膜22与衬底21之间的间隙设置为真空间隙23，使得能够通过该真空间隙23降低压电振膜22的振动阻力，因此也能够在保证压电振膜22振动幅度和灵敏性的同时减小压电振膜22与衬底21之间的间隙尺寸，以能够降低mems扬声器的封装尺寸，提高了该mems扬声器的声学可靠性。
56.如图1和图2所示，本发明实施例的mems扬声器中，在压电振膜22靠近衬底21的一侧设置有第一电极24，压电振膜22远离衬底21的一侧设置有第二电极25，即压电振膜22的两侧分别设置第一电极24和第二电极25两个电极层。
57.并且，设置第一电极24和第二电极25相对，第一电极24和第二电极25均与基板1电连接，以能够通过基板1对压电振膜22两侧的第一电极24和第二电极25施加驱动电压。而基于压电材料的逆压电效应，在施加驱动电压(比如交变电压)的情况下，压电振膜22的内应力能够相应发生变化，导致压电振膜22的强度也发生变化，进而使得压电振膜22能够发生机械振动，从而带动压电振膜22处的空气也发生振动并产生声波，以实现电信号至声音信号的转换。
58.在一个实施例中，基板1可以为pcb(printed circuit board)，也即印制电路板，使得能够在利用pcb连接压电振膜22两侧的第一电极24和第二电极25以施加驱动电压的同时，pcb还能够支撑其上设置的mems模块2，以保证mems扬声器的整体强度。
59.在另一个实施例中，还可以设置基板1为硬质支撑层，并在基板1靠近衬底21的一侧设置fpc(flexible printed circuit)，也即柔性电路板。将mems模块2设置于fpc上并与fpc电连接，同样能够利用fpc向压电振膜22两侧的第一电极24和第二电极25施加驱动电压。
60.可选地，所述mems模块2还包括支撑层26，所述支撑层26设置于所述压电振膜22与所述衬底21之间，所述支撑层26具有中空区域，所述支撑层26与所述压电振膜22、所述衬底21共同形成包括所述中空区域的所述真空间隙23。
61.具体地，本发明实施例设置压电振膜22与衬底21之间的支撑层26具有中空区域，比如可以设置支撑层26为支撑环、或者释放部分支撑层26以形成该中空区域。并且，本发明实施例设置支撑层26与压电振膜22、衬底21共同形成包括中空区域的真空间隙23，也即压电振膜22能够直接暴露于真空间隙23之中，使得压电振膜22朝向衬底21的一侧为真空，而压电振膜22远离衬底21的一侧为大气压，从而能够利用压电振膜22两侧的压力差实现压电振膜22的预弯曲，便于后续对压电振膜22的驱动。
62.另外，本发明实施例通过设置支撑层26与压电振膜22、衬底21共同形成包括中空区域的真空间隙23，省去了压电振膜22靠近衬底21一侧的部分结构，使得也能够根据需求
灵活调整支撑层26的厚度，避免支撑层26过厚带来的mems扬声器的封装尺寸过大的问题，便于mems扬声器的小型化发展。
63.可选地，所述真空间隙23的厚度范围为5微米至100微米。
64.如图1和图2所示，本发明实施例设置压电振膜22与衬底21之间形成的真空间隙23的厚度h的范围为5微米至100微米，使得能够利用该真空间隙23极大地降低压电振膜22的振动阻力，以能够在保证压电振膜22振动幅度和灵敏性的同时极大地降低压电振膜22的驱动电压，极大地降低该mems扬声器的驱动功率。同时通过该设置也能够避免该真空间隙23的厚度h过大带来的mems扬声器的封装尺寸过大，提高mems扬声器的声学可靠性。
65.可选地，所述压电振膜22包括至少一层压电材料。
66.具体地，本发明实施例设置压电振膜22包括至少一层压电材料，即压电振膜22可以包括单层压电材料以形成单层振膜，压电振膜22也可以包括多层压电材料以形成多层振膜。
67.基于压电材料的逆压电效应，在施加驱动电压(比如交变电压)的情况下，压电振膜22的内应力能够相应发生变化，导致压电振膜22的强度也发生变化，进而使得压电振膜22能够发生振动，从而带动压电振膜22处的空气也发生振动并产生声波，以实现电信号至声音信号的转换。
68.可选地，所述压电材料为氮化铝材料、氮化镓材料和锆钛酸铅材料中的至少一种。
69.具体地，本发明实施例设置压电材料为氮化铝材料、氮化镓材料和锆钛酸铅材料中的至少一种，即压电材料可以为氮化铝材料、氮化镓材料或者锆钛酸铅材料，压电材料也可以为氮化铝材料、氮化镓材料和锆钛酸铅材料中的两种的组合，压电材料还可以为氮化铝材料、氮化镓材料和锆钛酸铅材料三种的组合，均能够使得压电振膜22在驱动电压的作用下发生振动，从而带动压电振膜22附件的空气也发生振动并产生声波，以实现电信号至声音信号的转换。
70.在一个实施例中，压电振膜22为多层压电材料沉积而成的多层振膜，该多层振膜可以包括氮化铝材料层、氮化镓材料层和锆钛酸铅材料层中的至少两种层结构，以能够在利用压电材料的逆压电效应实现电信号至声音信号的转换的同时，降低单层压电材料层的厚度，进而能够降低压电振膜22的驱动电压。
71.可选地，所述压电振膜22的厚度范围为0.2微米至2微米。
72.具体地，本发明实施例设置压电振膜22的厚度范围为0.2微米至2微米，以能够在利用压电材料的逆压电效应实现电信号至声音信号的转换的同时，避免压电振膜22的厚度过大而导致mems扬声器的封装尺寸过大，提高了mems扬声器的声学可靠性。
73.可选地，所述压电振膜22的长度范围为0.3毫米至3毫米。
74.如图3所示，本发明实施例设置压电振膜22的长度l的范围为0.3毫米至3毫米。比如，在压电振膜22为圆形振膜时，可以设置圆形振膜的直径范围为0.3毫米至3毫米；在压电振膜22为矩形振膜时，可以设置矩形振膜长边的长度范围为0.3毫米至3毫米；在压电振膜22为不规则形状振膜时，可以设置该不规则形状振膜的最长边的长度范围为0.3毫米至3毫米。
75.本发明实施例设置压电振膜22的长度l的范围为0.3毫米至3毫米，以能够保证压电振膜22的总面积，进而能够保证在驱动电压下发生振动的压电振膜22的总面积，以保证
压电振膜22的灵敏度，提高mems扬声器的声学可靠性。
76.在一个实施例中，可以将压电振膜22的长度和压电振膜22的硬度结合来调整压电振膜22的灵敏度。比如，对于较硬的压电振膜22，可以适当增大压电振膜22的长度，以提高在驱动电压下发生振动的压电振膜22的总面积，以增强压电振膜22的灵敏度；而对于较软的压电振膜22，可以适当减小压电振膜22的长度，以保证共振频率，进而也能保证压电振膜22的灵敏度。
77.在另一个实施例中，还可以设置mems扬声器包括多个压电振膜22，且多个压电振膜22形成mems单元阵列，也能够保证在驱动电压下发生振动的压电振膜22的总面积，以保证压电振膜22的灵敏度，提高mems扬声器的声学可靠性。
78.可选地，所述衬底21朝向所述压电振膜22的一侧具有凸起211，所述mems模块2还包括支撑层26，所述支撑层26夹设于所述压电振膜22与所述凸起211之间，所述支撑层26将所述真空间隙23划分为第一真空间隙和第二真空间隙。
79.如图1和图2所示，本发明实施例设置衬底21朝向压电振膜22的一侧具有凸起211，该凸起211可以为在制作衬底21的过程中刻蚀而成的结构。mems模块2还包括支撑层26，支撑层26设置于该凸起211上，使得支撑层26能够夹设于压电振膜22与凸起211之间。
80.并且，通过设置支撑层26，能够利用支撑层26将真空间隙23划分为第一真空间隙和第二真空间隙，以能够在利用第一真空间隙和第二真空间隙降低压电振膜22的振动阻力，以在保证压电振膜22振动幅度和灵敏性的同时降低压电振膜22的驱动电压。还能够通过支撑层26将其上沉积的压电振膜22划分为小振膜单元，以保证小振膜单元的谐振频率，提高压电振膜22的灵敏度，进而提高mems扬声器的声学可靠性。
81.可选地，所述mems扬声器还包括盖板3，所述盖板3设置于所述基板1上且覆盖所述mems模块2，所述盖板3上开设有声孔31。
82.如图1和图2所示，本发明实施例设置mems扬声器还包括盖板3，盖板3设置于基板1上且覆盖mems模块2，使得能够通过盖板3保护内部的mems模块2和其它连接结构，提高mems扬声器的结构可靠性。
83.并且，在盖板3上开设有声孔31。基于压电材料的逆压电效应，在施加驱动电压(比如交变电压)的情况下，压电振膜22的内应力能够相应发生变化，导致压电振膜22的强度也发生变化，进而使得压电振膜22能够发生振动，从而带动压电振膜22处的空气也发生振动并产生声波，该声波能够从声孔31传出，以实现电信号至声音信号的转换。其中，根据盖板3的实际设计，声孔31可以开设在盖板3顶壁上，也可以开设在盖板3侧壁上。
84.根据本发明的另一个方面，提供了一种电子设备。该电子设备包括上述任意一项所述的mems扬声器。应用上述mems扬声器的电子设备能够将电信号转换为声音信号，该电子设备也应当具有上述mems扬声器所具有的技术效果。
85.如图4所示，根据本发明的再一个方面，提供了一种mems扬声器的制备方法。所述制备方法包括：
86.第一步，制作第一衬底(未示出)；
87.其中，第一衬底可以采用硅、蓝宝石、氮化硅、玻璃等材料沉积而成。
88.第二步，在所述第一衬底上沉积压电振膜22，并在所述压电振膜22上沉积第一电极24，如图4中a所示；
89.其中，第一电极24可以为采用钼、钛钨等材料沉积而成的薄膜。
90.第三步，制作第二衬底，并释放部分所述第二衬底，如图4中e所示；
91.其中，第二衬底也可以采用硅、蓝宝石、氮化硅、玻璃等材料沉积而成。释放部分第二衬底可以为，在第二衬底上刻蚀以形成容纳槽。
92.第四步，翻转所述第一衬底并与所述第二衬底键合，使得所述压电振膜22与所述第二衬底之间形成真空间隙23，如图4中f所示；
93.其中，键合可以采用金属热压、金属共熔、熔接等其它工艺。
94.第五步，去除所述第一衬底，并在所述压电振膜22上沉积第二电极25，得到mems模块2，如图4中g-i所示；
95.其中，可以通过研磨、刻蚀、激光玻璃等其它工艺去除第一衬底。第二电极25可以为采用钼、钛钨等材料沉积而成的薄膜，且保持第二电极25与第一电极24相对。
96.第六步，将所述mems模块2装配于基板1上(未示出)。
97.比如，可以在第二电极25上沉积形成焊点，设置第一焊点与第一电极24相连，第二焊点与第二电极25相连，以将mems模块2与基板1连接，以能够通过基板1对mems模块2施加驱动电压。
98.可选地，在所述并在所述压电振膜22上沉积第一电极24之后，还包括：
99.沉积第一电介质层，如图4中b所示；
100.在所述第一电介质层上沉积第一粘接层，如图4中c所示。
101.可选地，在所述制作第二衬底之后，还包括：
102.在所述第二衬底上沉积第二电介质层；
103.在所述第二电介质层上沉积第二粘接层，如图4中e所示。
104.可选地，所述翻转所述第一衬底并与所述第二衬底键合，包括：
105.翻转所述第一衬底，并将所述第一粘接层与所述第二粘接层键合。
106.其中，第一电介质层和第二电介质层可以采用二氧化硅、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、氮化硅、多聚体等材料选择性地沉积而成，第一粘接层和第二粘接层可以采用金属选择性地沉积而成，比如金、铝、铜或者其它金属。
107.如图4所示，将第一电介质层沉积于压电振膜22的两端和中部，以使第一电介质层与第一电极24相连，而第一粘接层沉积于第一电介质层上并与第一电介质层相对。同样，将第二电介质层也沉积于第二衬底的两端和中部，第二粘接层与第二电介质层相对，使得在翻转第一衬底后，第一粘接层与第二粘接层能够贴合以进行键合。
108.上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。
109.虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。