电磁式大声阻活塞运动式MEMS扬声器及其制造方法

本发明属于mems声学器件声电转换领域，涉及一种电磁式mems扬声器及其制造方法，可应用于消费电子或医疗电子。

背景技术：

1、mems扬声器的核心指标是输出声压级(spl)。由于扬声器的输出声压和频率的平方以及振膜位移的一次方成正比，因此低频(20hz～1khz)时spl通常较小，在器件尺寸为mm级甚至um级的条件下，通过固支膜扬声器在低频范围内实现较高spl而言是非常困难的，因此需要使用基于驱动结构的开放式活塞运动模态的扬声器。

2、基于驱动结构的开放式活塞运动模态的扬声器运动位移范围大，但是存在前后腔体声学短路的问题。振膜在振动时，同一时刻前腔和后腔产生相位相反的音频信号，如果前后腔体之间有较大的空气缝隙，那么前后腔的音频信号通过空气缝隙叠加后会削弱扬声器产生的音频信号,这对应着前后腔体之间空气缝隙的声阻。在不影响后腔空气弹簧振动的前提下，空气缝隙越小，对应的前后腔体之间声阻越大，振膜机械运动产生的能量转化成前腔向空气辐射声音的能量的转换系数就越大，从而能够产生更大的spl。

3、常用的mems扬声器的驱动机理主要包括静电式mems扬声器、电磁式mems扬声器、压电式mems扬声器、电热式mems扬声器。其中，电磁式mems扬声器具有驱动电压低、驱动力大、制备工艺成熟、器件功耗低等优势。因此，有必要提供一种基于电磁式驱动结构的大声阻活塞运动式扬声器及制造方法，所述基于电磁式驱动结构的大声阻活塞运动式扬声器既能够使振膜产生大位移运动，也能够提供足够大的声阻，进而提升能量转化效率，提升扬声器的输出声压级。

技术实现思路

1、本发明的主要目的之一是提供电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器。不同于传统活塞式扬声器中与振膜共面的连接结构，本发明公开的电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器，采用与振膜不共面的隐藏式连接结构，振膜垂直方向的位移范围在沿基座厚度方向延伸的支撑结构所形成的空腔高度范围内。在维持活塞式扬声器具有的运动位移大优势的基础上，隐藏式连接结构能够明显缓解由于结构和工艺限制而造成的空气泄露严重的问题，增大活塞运动式扬声器在工作状态下的前后腔声阻值，从而有效提高活塞运动式扬声器的输出声压级。此外，通过优化具有上述隐藏式连接结构的活塞式扬声器的振膜结构、支撑结构等组件，能够调节前后腔之间空气缝隙的长度、横截面积和基座的开口，进一步提高声阻和输出声压级。

2、针对所述电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器尚无具有可实现性的制造方法的技术问题，本发明的主要目的之二是提供一种电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器制造方法，采用mems表面微加工技术和mems体微加工技术，利用soi、具有空腔结构的cavity-soi，降低加工工艺对于刻蚀精确度的要求，实现电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器制造。

3、本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：

4、本发明公开的电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器，其特征在于：包括基底、腔体、电磁式驱动组件、连接组件、振膜；所述基底包括基座和沿所述基座厚度方向延伸的支撑结构，所述支撑结构的四周围合从而形成所述腔体；所述连接组件用于连接所述振膜和所述支撑结构；所述振膜为悬空结构且悬设于所述腔体中；所述振膜与所述连接组件不共面，所述振膜位于所述连接组件与所述支撑结构的连接点的上方或者下方；所述振膜的垂直方向的位移范围一般不超过所述空腔高度范围；所述电磁式驱动组件包括可动部件和固定部件；所述可动部件构成所述振膜的一部分；所述可动部件包含线圈和磁性材料中的一种；所述固定部件位于所述基底中；所述电磁式驱动组件通过电磁力带动所述振膜沿垂直方向做活塞式运动。

5、本发明公开的电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器，其特征在于：所述连接组件包含一层或多层材料，所述连接组件在其工艺制作工程中产生热应力而产生形变，其形变量可通过对材料、厚度、长度、生长工艺的改变而调整，从而预置所述振膜所处的位置。

6、本发明公开的电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器，其特征在于：所述连接组件包含不少于一层材料和加热电阻，器件制备完成后，通过调节对所述电阻注入的电流大小调节所述连接组件的形变量，从而调节所述振膜所处的位置。

7、在具有隐藏式连接结构的电磁式活塞运动式mems扬声器的基础上，进一步优化所述扬声器的振膜结构、支撑结构，即优化所述基座在平行于所述振膜方向上的开口形状、大小以及数量，尽可能减小所述振膜与沿所述基座厚度方向延伸的支撑结构在平行于所述振膜方向上的间距，尽可能增大所述振膜与沿所述基座厚度方向延伸的支撑结构在垂直于所述振膜方向上的重叠距离，优化沿所述基座厚度方向延伸的支撑结构的形状，从而控制扬声器工作过程中的空气泄露现象，进一步增大前后腔的声阻和扬声器输出声压级。电磁式mems执行器具有驱动电压低、驱动力大、制备工艺成熟等优势。采用mems表面微加工技术和mems体微加工技术，通过利用soi、具有空腔结构的cavity-soi，降低加工工艺中对于刻蚀精确度的要求，降低加工工艺的复杂程度，提高器件可实现性，提高器件结构一致程度，从而能够更加准确地减小所述振膜与沿所述基座厚度方向延伸的支撑结构在平行于所述振膜方向上的间距、增大所述振膜与沿所述基座厚度方向延伸的支撑结构在垂直于所述振膜方向上的重叠距离，从而控制支撑结构的形状。

8、本发明公开的电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器的工作方法为：在磁性材料产生的磁场环境中，改变通电线圈的外加电信号方向，从而产生垂直于振膜方向的电磁力，带动振膜沿垂直方向做活塞式运动振动。沿垂直方向做活塞式运动的振膜带动振动腔体内部空气运动，从而产生声波信号，由于所述振膜为悬空结构且悬设于所述振动腔体中，所述振膜与连接组件不共面，且振膜边缘与基底侧壁之间的空气缝隙宽度很小，振膜边缘与基底侧壁之间的空气缝隙的长度很大，因此减小振膜在沿垂直方向做活塞式运动的过程中的空气泄露，增大声阻，从而降低声压级损失，提升声音输出的声压级。利用mems扬声器具有器件微型化、功耗低、易于集成的优势，提高mems扬声器的续航能力，拓宽mems扬声器的应用范围。

9、作为优选，所述电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器，根据磁性材料、金属线圈的位置布局包括两种结构。结构一：所述金属线圈内嵌入振膜结构中，所述磁性材料位于所述扬声器的基底，所述可动部件为线圈，所述固定部件为磁性材料，即为线圈-振膜一体型电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器。结构二：所述磁性材料内嵌入振膜结构中，所述金属线圈位于所述扬声器的基底，所述可动部件为磁性材料，所述固定部件为线圈，即为磁性材料-振膜一体型电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器。

10、本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：

11、本发明公开的电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器制造方法，用于制造所述线圈-振膜一体型电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器，包括如下步骤：

12、步骤一：提供常规soi晶片，所述soi晶片包括第一硅层、第二硅层以及夹设于所述第一硅层以及所述第二硅层之间的氧化硅层；

13、步骤二：在所述soi晶片的第一硅层表面沉积并图形化连接组件的弹性层材料，在第一硅层表面形成具有特定形状的连接组件以及振膜组件。连接组件包括一组、两组或多组连接单元，其中一组连接单元由弹性层以及导电金属层构成，其余连接单元由弹性层构成，保证振膜做垂直于振膜方向的运动。振膜组件由预定厚度的第一硅层或预定厚度的第一硅层、弹性层、导电金属层构成。在水平方向上，振膜组件位于第一硅层的中心位置，连接组件覆盖于第一硅层，并围绕振膜组件均匀分布于振膜外侧。此时连接组件覆盖在第一层硅表面，不能自由运动；

14、步骤三：对所述soi晶片中的所述第一硅层从接近第一硅层的方向，对所述振膜位置的第一硅层进行刻蚀，刻蚀形成凹槽结构；

15、步骤四：对所述第一硅层刻蚀形成的凹槽结构进行电镀，形成金属线圈结构；

16、步骤五：从第一硅层方向沉积并图形化形成连接组件的导电金属层，连接组件的导电金属层覆盖金属线圈结构的外围起始位置，从而通过连接组件的导电金属层为振膜组件中的金属线圈供电；

17、步骤六：对所述soi晶片中的所述第一硅层从接近第一硅层的方向，在连接组件的外侧进行刻蚀，刻蚀至所述氧化硅层，确定所述器振膜的尺寸；

18、步骤七：对所述soi晶片从第二硅层的方向进行深反应离子背腔刻蚀，刻蚀至氧化硅层停止，形成所述振动空腔，即所述振膜做活塞运动的区域。通过调节深反应离子刻蚀的速率，形成预定形状类别的所述振动空腔。通过设定背腔刻蚀过程中在第二硅层表面沉积的掩模层的尺寸，确定所述基底的尺寸，形成所述基底；

19、步骤八：对所述soi晶片从第二硅层的方向进行深反应离子背腔刻蚀，对空腔外围的支撑结构进行刻蚀，形成空腔；

20、步骤九：对所述支撑结构刻蚀形成的空腔进行磁性材料的填充，提供磁场环境，填充的磁性材料与电镀形成的线圈共同构成电磁式活塞运动式扬声器的驱动组件；

21、步骤十：对所述soi晶片从靠近第二硅层的方向刻蚀氧化硅层；

22、步骤十一：对所述第一硅层从所述soi晶片接近第一硅层的方向，在第一硅层表面所述连接组件位置与所述振膜位置之间的缝隙之间进行刻蚀，将连接组件下方的第一硅层中部分厚度的硅刻蚀，从而分离连接组件与所述第一硅层。围绕振膜组件均匀分布于振膜组件外侧的连接组件下方的第一硅层未被完全刻蚀，在被部分被刻蚀的第一硅层下方仍有预定厚度的第一硅层保留，靠近外侧保留的较薄的第一硅层与中心位置处未被刻蚀的较厚的第一硅层形成振膜组件。从第二硅层的方向看，振膜组件部分遮挡连接组件，即所述隐藏式连接结构。制备完成线圈-振膜一体型电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器。

23、本发明公开的电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器制造方法，用于制造所述磁性材料-振膜一体型电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器，包括如下步骤：

24、步骤一：提供soi晶片，所述soi晶片包括第一硅层、第二硅层以及夹设于所述第一硅层以及所述第二硅层之间的氧化硅层；

25、步骤二：在所述soi晶片的第一硅层表面沉积并图形化连接组件的弹性层材料，在第一硅层表面形成具有特定形状的连接组件以及振膜组件。电磁式连接组件包括一组、两组或多组连接单元，连接单元由弹性层构成，保证振膜做垂直于振膜方向的运动。振膜组件由预定厚度的第一硅层或预定厚度的第一硅层、弹性层构成。在水平方向上，振膜组件位于第一硅层的中心位置，连接组件覆盖于第一硅层，并围绕振膜组件均匀分布于振膜外侧。此时连接组件覆盖在第一层硅表面，不能自由运动；

26、步骤三：对所述soi晶片中的所述第一硅层从接近第一硅层的方向，对所述振膜位置的第一硅层进行刻蚀；

27、步骤四：对所述第一硅层刻蚀形成的凹槽结构进行磁性材料的填充，提供磁场环境；

28、步骤五：对所述soi晶片中的所述第一硅层从接近第一硅层的方向，在连接组件的外侧进行刻蚀，刻蚀至所述氧化硅层，确定所述器振膜的尺寸；

29、步骤六：对所述soi晶片从第二硅层的方向进行深反应离子背腔刻蚀，刻蚀至氧化硅层停止，形成所述振动空腔，即所述振膜做活塞运动的区域。通过调节深反应离子刻蚀的速率，形成预定形状类别的所述振动空腔。通过设定背腔刻蚀过程中在第二硅层表面沉积的掩模层的尺寸，确定所述基底的尺寸，形成所述基底；

30、步骤七：对所述soi晶片从第二硅层的方向进行深反应离子背腔刻蚀，对空腔外围的支撑结构进行刻蚀，形成凹槽结构；

31、步骤八：对所述支撑结构刻蚀形成的凹槽结构进行电镀，形成金属线圈结构。电镀形成的线圈与填充的磁性材料共同构成电磁式活塞运动式扬声器的驱动组件；

32、步骤九：对所述soi晶片从靠近第二硅层的方向刻蚀氧化硅层；

33、步骤十：对所述第一硅层从所述soi晶片接近第一硅层的方向，在第一硅层表面所述连接组件位置与所述振膜位置之间的缝隙之间进行刻蚀，将连接组件下方的第一硅层中部分厚度的硅刻蚀，从而分离连接组件与所述第一硅层。围绕振膜组件均匀分布于振膜组件外侧的连接组件下方的第一硅层未被完全刻蚀，在被部分被刻蚀的第一硅层下方仍有预定厚度的第一硅层保留，靠近外侧保留的较薄的第一硅层与中心位置处未被刻蚀的较厚的第一硅层形成振膜组件。从第二硅层的方向看，振膜组件部分遮挡连接组件，即所述隐藏式连接结构。制备完成电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器。

34、为实现具有大声阻特性的扬声器结构，作为进一步改进，步骤一所述的soi包括三层soi以及具有空腔结构的cavity-soi。cavity-soi用于增大所述电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器中的振膜与沿基座厚度方向延伸的支撑结构在垂直于所述振膜方向上的重叠距离或用于减小振膜与沿基座厚度方向延伸的支撑结构在平行于所述振膜方向上的间距。

35、为了简化工艺步骤，作为进一步改进，步骤一所述的cavity-soi的空腔结构位于器件层(device-layer)或支撑层(handle-layer)。

36、为了提高器件稳定性，作为进一步改进，步骤一所述的cavity-soi中位于器件层(device-layer)的空腔结构厚度不超过器件层厚度的50％。

37、有益效果：

38、1、本发明公开的电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器及制造方法，由于振膜通过连接组件与所述支撑结构连接，因此与边缘固支的振膜相比，振动过程中振膜能够达到的位移量不会受到所述支撑结构限制，提高振膜的振动幅度，进而提升扬声器的输出声压级。

39、2、本发明公开的电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器及制造方法，具有隐藏式连接结构，能够增大活塞式扬声器工作时前后腔体之间的声阻，提升扬声器输出声压级。利用mems扬声器具有器件微型化、功耗低、易于集成的优势，提高mems扬声器的续航能力，拓宽mems扬声器的应用范围。且mems扬声器制造方法具有晶圆级制备的特点，制备流程标准化程度高，器件一致性强。采用电磁式驱动组件，驱动电压低、运动位移大、所需耗材简单易得，能够为扬声器振膜提供大范围位移，从而得到更高的输出声压级。

40、3、本发明公开的电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器及制造方法，由于所述振膜与连接组件不共面，振膜的位移范围在振动腔体的高度范围内，减小振膜在沿垂直方向做活塞式运动的过程中前后腔之间空气缝隙的横截面积，缓解空气泄露。此外，基于增大前后腔之间空气缝隙的长度、减小前后腔之间空气缝隙的横截面积的原则，优化具有隐藏连接结构的活塞运动式扬声器种的振膜以及支撑结构，共同达到增大前后腔声阻、提升声音输出的声压级的目标。

41、4、本发明公开的电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器及制造方法，通过改变连接组件的材料、厚度、长度、生长工艺调整连接组件在其工艺制作工程中产生的热应力，改变连接组件的形变量，从而预置振膜所处的位置。此外，连接组件包含不少于一层材料和加热电阻，器件制备完成后，通过调节对所述电阻注入的电流大小调节所述连接组件的形变量，从而调节所述振膜所处的位置。通过以上方法实现预置以及改变振膜所处的位置。

42、5、针对所述电磁式活塞运动式mems扬声器、电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器尚无具有可实现性的制造方法的技术问题，本发明公开的电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器制造方法，采用mems表面微加工技术和mems体微加工技术，通过利用soi、具有空腔结构的cavity-soi，降低加工工艺中对于刻蚀精确度的要求，实现电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器制造，且便于具有不同结构的电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器制造，通过采用具有预定结构的耗材，简化工艺步骤，实现器件晶圆级量产，提高器件的一致性，便于mems扬声器的设计与制备。

43、6、本发明公开的电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器及制造方法，优选制造出两种电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器。结构一：所述金属线圈内嵌入振膜结构中，所述磁性材料位于所述扬声器的基底，即为线圈-振膜一体型电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器。结构二：所述磁性材料内嵌入振膜结构中，所述金属线圈位于所述扬声器的基底，即为磁性材料-振膜一体型电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器。本发明还根据磁性材料、金属线圈的位置布局和材料特性，分别构建对应上述两种电磁式大声阻活塞运动式mems扬声器结构的制造方法，优化工艺步骤，能够实现器件晶圆级量产，提高器件的一致性，便于mems扬声器的设计与制备。