一种压电MEMS扬声器的制作方法

一种压电mems扬声器
技术领域
1.本技术涉及微机械技术领域，具体来说，涉及一种压电mems(micro-electro-mechanical system)扬声器。


背景技术：

2.压电mems扬声器是一种用压电材料作为声音转换元件的小型电声器件，原理是利用逆压电效应，通过给具有压电材料的振膜输入电压信号，使得振膜产生振动，从而带动振膜以及周围空气振动来辐射出声音。与以往的动圈式扬声器相比，压电mems扬声器具备体积小、功耗低、工艺简单、成本低等优点，可以广泛地应用于各种便携式电子设备。
3.目前多数压电mems扬声器的低频响应较差，并且输出的声压级频响曲线不平坦，影响了用户听觉体验。


技术实现要素：

4.针对相关技术中的问题，本技术提出了一种压电mems扬声器，能够获得平坦的声压级频响曲线。
5.本技术的技术方案是这样实现的：
6.根据本技术的一个方面，提供了一种mems结构，包括：
7.衬底，包括经连杆连接的内环体和外环体，所述内环体和所述外环体之间具有第一空腔，所述内环体内具有第二空腔；
8.压电复合振动层，形成在所述衬底上方，包括形成在所述外环体上方的边缘部分和形成在所述内环体上方的中心部分，所述边缘部分和所述中心部分之间具有分割间隙。
9.其中，所述连杆位于所述衬底的底部或中部。
10.其中，所述分割间隙与所述第一空腔连通。
11.其中，所述边缘部分的固定端连接在所述外环体上方，所述边缘部分的自由端悬置在所述第一空腔上方。
12.其中，所述中心部分的外边缘连接固定于所述内环体上方。
13.其中，所述压电复合振动层包括：
14.振动支撑层，形成在所述衬底上方；
15.第一电极层，形成在所述振动支撑层上方；
16.第一压电层，形成在所述第一电极层上方；
17.第二电极层，形成在所述第一压电层上方。
18.其中，所述中心部分的振动支撑层的区域面积大于所述第一电极层的区域面积，并且所述第一电极层、所述第一压电层和所述第二电极层的区域面积相等。
19.其中，所述压电复合振动层还包括：
20.第二压电层，形成在所述第二电极层上方；
21.第三电极层，形成在所述第二压电层上方。
22.其中，所述分割间隙小于或等于5μm。
23.综上，本技术所提供的压电mems扬声器的压电复合振动层包括边缘部分和中心部分，其中，边缘部分用于产生高频声压级，中心部分用于产生低频声压级。边缘部分和中心部分的结合使得压电mems扬声器具有范围更宽的较为平坦的声压级频响曲线，提高了整个频率段的听觉效果。
附图说明
24.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1示出了根据一些实施例提供的压电mems扬声器结构的立体图；
26.图2示出了根据一些实施例提供的压电mems扬声器结构的剖面立体图；
27.图3示出了根据一些实施例提供的压电mems扬声器结构的俯视图；
28.图4示出了根据一些实施例提供的第二衬底的俯视图；
29.图5示出了特定材料以及尺寸参数下压电mems扬声器结构的边缘部分和中心部分对应的声压级频响曲线；
30.图6示出了特定材料以及尺寸参数下压电mems扬声器结构整体的声压级频响曲线。
具体实施方式
31.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
32.参见图1、图2和图3，根据本技术的实施例，提供了一种压电mems扬声器，能够提高低频声压级，并且具有范围更宽的较为平坦的声压级频响曲线。该压电mems扬声器可以但不限用其他传感器或执行器，如麦克风，超声传感器。该压电mems扬声器包括衬底10、压电复合振动层和连杆30。以下将详细说明细节。
33.衬底10包括经连杆30连接的内环体12和外环体11，内环体12和外环体11之间具有第一空腔13，内环体12内具有第二空腔14。连杆30位于衬底10的底部或中部，用于支撑并连接内环体12和外环体11。图2中仅示出了连杆30位于衬底10的底部的实施例。衬底10包括硅或任何合适的硅基化合物或衍生物(例如硅晶片、soi、sio2/si上的多晶硅)。
34.压电复合振动层形成在衬底10上方。压电复合振动层包括形成在外环体11上方的边缘部分20和形成在内环体12上方的中心部分21，边缘部分20和中心部分21之间具有分割间隙22。分割间隙22与第一空腔13连通。优选的，为防止分割间隙22过大引起的漏声，分割间隙22小于或等于5μm。
35.边缘部分20用于产生高频声压级。边缘部分20的固定端连接在外环体11上方，边缘部分20的自由端悬置在第一空腔13上方。中心部分21用于提高低频声压级，并加宽声压
级频响曲线的平坦范围。中心部分21的外边缘连接固定于内环体12上方。中心部分21的振动支撑层23的区域面积大于第一电极层24的区域面积，并且第一电极层24、第一压电层25和第二电极层26的区域面积相等，以此来产生更大的振膜振幅和声压级。
36.另外，在图1、图2和图3中示出了衬底10和压电复合振动层呈圆形的实施例。在其他实施例中，衬底10、压电复合振动层的形状可以呈三角形、方形、六边形或其他合适的形状。
37.以下将具体说明压电复合振动层的结构。
38.在压电复合振动层是单晶片的实施例中，压电复合振动层包括形成在衬底10上方的振动支撑层23、形成在振动支撑层23上方的第一电极层24、形成在第一电极层24上方的第一压电层25、形成在第一压电层25上方的第二电极层26。第一压电层25可将电能转换成声能，并且第一电极层24和第二电极层26可将电压提供至第一压电层25。
39.在压电复合振动层是双晶片的实施例中，压电复合振动层还可以包括形成在第二电极层26上方的第二压电层(图中未示出)、形成在第二压电层上方的第三电极层(图中未示出)。
40.在一些实施例中，振动支撑层23包括氮化硅(si3n4)、氧化硅、单晶硅、多晶硅构成的单层或者多层复合膜结构或其他合适的支撑材料。
41.在一些实施例中，第一压电层25和第二压电层的材料包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅(pzt)、钙钛矿型压电膜或其他合适的材料。第一电极层24、第二电极层26和第三电极层包括铝、金、铂、钼、钛、铬以及它们组成的复合膜或其他合适的材料。
42.值得注意的是，可以通过现有工艺形成不具有连杆30，并且在振动支撑层23处不具有分割间隙22的mems结构。换句话说，该mems结构与图2所示的压电mems扬声器的区别仅在于mems结构没有连杆30，mems结构的振动支撑层23没有分割间隙22。然后如图4所示，可以通过光刻和蚀刻工艺形成具有连杆30的第二衬底。该第二衬底包括经连杆30连接的内圈32和外圈31。再将第二衬底键合至上述mems结构的衬底10。最后通过蚀刻形成具有分割间隙22的振动支撑层23，以释放中心部分21和边缘部分20。从而最终获得了图1和图2所示的压电mems扬声器。
43.图5和图6代表图1结构在特定材料以及尺寸参数下压电mems扬声器的低频部分和高频部分对应的声压级频响曲线以及结构总声压级频响曲线。其中，外环体11的半径为0.5cm，内环体12的半径为0.4cm，边缘部分20的外径和内径差为0.1cm，分割间隙22的宽度5μm，振动支撑层23的厚度7μm，第一压电层25的厚度2μm，第一电极层24和第二电极层26的厚度0.1μm。其中，中心部分21的第一电极层24、第一压电层25和第二电极层26的半径0.27cm。中心部分21的振动支撑层23的半径为0.4cm。振动支撑层23的材料为硅(si)，第一压电层25的材料为压电陶瓷(pzt)，第一电极层24和第二电极层26的材料为铝(al)，施加电压大小2v，在距离压电mems扬声器的中心部分的顶表面5cm处测量声压级。
44.从图5声压级频响曲线可以看到，边缘部分20在高频段对应的声压级较高，但是在低频段有较大衰减。而中心部分21在低频段对应的声压级较高。因此，可以使两部分协同工作，中心部分21的工作频率在0hz-3900hz，而边缘部分20的工作频率在3900hz-20000hz。图6对应的是结构整体的声压级频响曲线，可以看到低频段的声压级整体提高了20db以上，在1000hz-20000hz输出声压级达到了80db以上，提高了整个频段的听觉效果。
45.以上只是给出了一种特定尺寸和材料参数下结构对应的声压级频响曲线。只是为了说明工作原理，并不代表最优结果。本领域普通技术人员可以根据需要，调节结构的尺寸参数和材料参数来得到更高的声压级输出和频率范围更宽、声压级更平坦的频响曲线。
46.综上，本技术所提供的压电mems扬声器的压电复合振动层包括边缘部分20和中心部分21，其中，边缘部分20用于产生高频声压级，中心部分21用于产生低频声压级。边缘部分20和中心部分21的结合使得压电mems扬声器具有范围更宽的较为平坦的声压级频响曲线，提高了整个频率段的听觉效果。
47.以上仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。