一种耦合振膜的压电微机电扬声器

本技术涉及电声微扬声器领域，更具体地说，涉及一种耦合振膜的压电微机电扬声器。

背景技术：

1、微扬声器是一种将电信号转换为声信号的电声换能器件，广泛应用于真无线蓝牙耳机、手机、助听器等消费性电子产品及医疗产品中。随着主动降噪、智能语音、智能传感器等多种功能的集成，对微扬声器的尺寸、音质、续航等方面有了更高更新的要求。然而，传统的微扬声器由基于电磁感应原理的动圈、动铁式扬声器单元驱动，受限于这种结构，其体积很难进一步缩减，效率也难再提升，因此不足以满足未来产品对于声学模块的需求。

2、幸而随着材料科学和微机电加工工艺的发展，压电微机电扬声器的出现为解决这一困境提供了一个全新的方案。压电微机电扬声器不仅可以摆脱永磁体的限制，有效减小单元体积，还能够集成微机电工艺的优点，实现集成化批量生产、高精度控制和低成本制造。其基于逆压电效应，使得具有多层膜结构的振膜层产生弯曲形变，从而辐射声波。为了在音频范围内产生相对较高的声压级输出，压电振膜层需要产生极大的弯曲形变，尤其在中低频范围内位移振幅需要达到十个微米的量级。因此，辐射足够的中低频响应是压电微机电扬声器亟待解决的问题。

3、最初的压电微机电扬声器普遍基于四周固支的圆形或正多边形振膜，产生类似于鼓膜振动的模式。这类扬声器结构简单，通过控制振膜形状、压电材料厚度、电极设计等方面优化声辐射效率。例如一种提升压电微机电扬声器性能的电驱动方法(申请号：202211159211.0)，该方案通过调节扬声器直流偏置电压的大小，可以扩大扬声器线性工作区间，从而降低扬声器的总谐波失真，提高输出声压级。该方案的不足之处在于：即便优化了结构参数和电驱动方法，受限于这种结构本身，扬声器产生的位移振幅被限制在亚微米级，导致频率响应无法满足日常的使用需求。

4、随后研究发现扬声器的压电振膜层无需完全闭合，即采用四周固支、沿对角线等分的独立振膜，这可以通过刻蚀出的狭缝实现。振膜经等分之后，变为独立悬臂梁之间耦合的形式，其结构间应力得到完全释放，因此，悬臂梁靠近中心尖端位置的位移振幅大大提升。例如一种压电微机电执行器及扬声器(申请号：202311507542.3)，该方案公开了一种悬臂梁耦合柔性弹簧振膜的扬声器，这种扬声器不但结构稳定，而且结合了以上两种扬声器的优点，兼顾声压级提升和缓解低频泄露的问题，可以高效地实现音频范围内的声音重放。但是，受限于悬臂梁驱动弹簧振膜的结构，该扬声器无法仅通过微机电加工流程获得，具有较高的工艺成本和调试成本。

技术实现思路

1、1.要解决的技术问题

2、针对现有技术中存在的微机电扬声器在中低频段频率响应不足的问题，本技术提供了一种耦合振膜的压电微机电扬声器，通过提高振动有效面积的同时，通过悬臂梁结构尽可能增大振膜位移振幅，实现声体积速度的最大值，从而有效提高扬声器的中低频响应。

3、2.技术方案

4、本技术的目的通过以下技术方案实现。

5、本说明书提供一种耦合振膜的压电微机电扬声器，包括：振膜层由soi硅片经正反两面刻蚀形成。其中，反面刻蚀出背腔，用于提供声学腔体；正面刻蚀出弹簧结构，弹簧结构位于振膜四周，用于减小振膜刚性并将振膜与基底连接。驱动层由soi硅片和压电多层膜组成，压电多层膜包含pzt压电材料层、顶电极和底电极。驱动层经刻蚀后形成悬臂梁结构和驱动层基底部分。振膜层和驱动层经翻转耦合，形成扬声器。

6、进一步的，振膜层的中心位置设有一个与soi硅片基底部分等高的第一柱体；悬臂梁结构的中心位置设有一个与驱动层基底部分等高的第二柱体；通过第一柱体和第二柱体的粘合，将悬臂梁结构的中心与振膜层的中心连接。在电压驱动下，悬臂梁结构产生面内应变，通过第二柱体将振动传递给第一柱体，进而使振膜层产生法向位移，形成活塞运动，将悬臂梁的鼓振动模式转化为振膜的活塞振动模式，从而将电信号转换为声波。

7、进一步的，选用soi硅片作为振膜层的基材，soi硅片包括上层硅、中间绝缘层和下层硅。对soi硅片进行正面刻蚀，在其四周刻蚀出具有减小刚性作用的弹簧结构。该弹簧结构由错落的空气间隙组成，形成“弓”字形，用于增大振膜的顺度系数。弹簧结构将振膜部分与soi硅片基底部分连接起来。对soi硅片进行反面刻蚀，刻蚀出与振膜边长相同的背腔。背腔用于提供声学腔体，使振膜能够自由振动。在背腔的正中心下方保留一块与基底高度基本一致的柱体，称为第一柱体。第一柱体用于与驱动层实现振膜耦合。通过正反两面刻蚀，形成了具有弹簧结构和背腔的振膜层。振膜由弹簧结构连接到基底，中心具有第一柱体，用于后续与驱动层耦合。该振膜层设计充分利用了soi硅片的结构特点，通过正反两面刻蚀形成了具有减小刚性作用的弹簧结构和声学背腔，有利于提高振膜的顺度系数和振动幅度。同时，在背腔中心预留第一柱体，为后续与驱动层耦合提供了便利。

8、进一步的，驱动层包括周端固支的压电多层膜及衬底结构。压电多层膜由压电层、顶电极和底电极组成，用于在电压驱动下产生面内应变，从而驱动振膜振动。选用soi硅片作为衬底结构的基材，在soi硅片上依次沉积氧化硅绝缘层、底电极、压电层和顶电极，形成压电多层膜。

9、其中，氧化硅绝缘层位于底电极和soi硅片之间，用于电气隔离。各材料层重叠在一起，形成以soi硅片为基础的硅基衬底结构。对硅基衬底结构进行正面刻蚀，刻蚀出悬臂梁结构。悬臂梁结构包括中心的n边形区域和周围的多个等腰梯形区域，相邻梯形之间有间隙。这种设计在保证振动传递的同时，又减小了应力传递损耗。对硅基衬底结构进行反面刻蚀，去除悬臂梁结构下方的衬底材料，使悬臂梁结构能够自由振动。同时，在悬臂梁结构的中心位置保留一个与驱动层基底部分等高的柱体，称为第二柱体，用于与振膜层耦合。通过正反两面刻蚀，形成了具有悬臂梁结构的压电驱动层。悬臂梁结构周端固支，中心具有第二柱体，用于后续与振膜层耦合。该驱动层设计利用了压电材料的逆压电效应，通过在压电层上施加电压，使悬臂梁结构产生面内应变，进而驱动振膜振动。悬臂梁结构的设计提高了振动的传递效率，中心预留的第二柱体为后续与振膜层耦合提供了便利。

10、进一步的，驱动层悬臂梁结构：通过磁控溅射工艺在压电层上沉积金属材料，形成顶电极薄膜；通过光刻工艺对顶电极薄膜进行图案化，形成所需的顶电极图案。利用顶电极作为掩模，通过反应离子刻蚀工艺对压电材料进行刻蚀；通过光刻工艺对压电材料进行图案化，形成与顶电极相匹配的压电层图案。利用压电层作为掩模，通过离子束刻蚀工艺对底电极进行刻蚀；通过光刻工艺对底电极进行图案化，形成与压电层相匹配的底电极图案。利用底电极作为掩模，通过深硅刻蚀工艺对soi硅片的顶硅层进行刻蚀；通过光刻工艺对顶硅层进行图案化，形成悬臂梁结构的基本形状。利用soi硅片的埋氧层作为刻蚀停止层，通过深硅刻蚀工艺从衬底背面进行刻蚀，形成空腔；通过光刻工艺对衬底背面进行图案化，使空腔与悬臂梁结构相匹配。通过氢氟酸溶液或气相刻蚀的方法，去除暴露的埋氧层，释放悬臂梁结构。利用光刻和刻蚀工艺，在soi硅片上形成了具有悬臂梁结构的压电驱动层。其中，顶电极、压电层和底电极依次图案化，保证了器件的电气功能；顶硅层和衬底背面的刻蚀形成了悬臂梁结构和空腔，使悬臂梁能够在电压驱动下自由振动。

11、进一步的，悬臂梁由四个相同的等腰梯形和正中间的正方形组成。这种结构具有良好的对称性，有利于保持振动的一致性和稳定性。等腰梯形之间由空气间隙隔断。这种设计可以减小相邻梯形之间的应力传递，提高悬臂梁的振动效率。等腰梯形和正方形之间由弹簧结构连接。弹簧结构由错落的空气间隙组成，形成“弓”字形。这种设计可以增加悬臂梁的顺度系数，使其在电压驱动下产生更大的位移。正方形上未覆盖金电极，而等腰梯形部分覆盖金电极。这种电极布置方式可以在等腰梯形部分产生较大的面内应变，同时避免了正方形部分的应力集中，有利于提高驱动效率和可靠性。正方形下方有一个与基底高度基本一致的柱体，称为第二柱体。第二柱体用于与振膜层实现振膜耦合，将悬臂梁的振动传递给振膜。正方形下方的第二柱体为悬臂梁与振膜的耦合提供了接口，使得悬臂梁的面内振动能够有效地转化为振膜的法向位移，提高了扬声器的声辐射效率。

12、进一步的，将压电驱动层上下翻转，使其上的第二柱体与振膜层上的第一柱体相对；通过胶水将第一柱体和第二柱体连接在一起，实现振膜层和压电驱动层的耦合；同时，通过胶水将振膜层和压电驱动层的基底部分连接在一起，增强器件的机械稳定性。通过这种耦合方式，压电驱动层的悬臂梁结构与振膜层的振膜实现了有效连接。在电压驱动下，悬臂梁结构产生的面内振动可以通过柱体传递给振膜，使振膜产生法向位移，从而将电信号转换为声波。这种耦合方式巧妙地利用了两个柱体的结构特点，通过简单的翻转和粘接实现了振动的传递，具有工艺简单、可靠性高的优点。

13、进一步的，通过合理的结构设计和工艺优化，本发明的耦合振膜压电微机电扬声器可以控制在9×9×1mm3以内的体积范围内；与传统的电磁式微扬声器相比，本发明的器件尺寸更小，在微扬声器领域具有相当的优势；小巧的尺寸使得该器件可以应用于对扬声器尺寸有着更高要求的产品中，如入耳式耳机、助听器、智能穿戴设备等。

14、3.有益效果

15、相比于现有技术，本技术的优点在于：

16、耦合结构在提高振膜等效驱动面积的同时，还能够最大化振膜位移振幅，使得扬声器声辐射的体积速度得到有效提升。这显著改善了压电微机电扬声器的中低频响应，使之即使在较低驱动电压下仍能产生足够高的声压级。

17、采用硅基振膜，其强度以及抗拉性能得到明显提升，从而有效地提升了整个压电微机电扬声器的可靠性和耐摔性。

18、该结构在工作范围内具有很高的线性度，使得扬声器的总谐波失真稳定在较低范围。

19、悬臂梁结构包括中心的n边形和周围的多个等腰梯形，相邻梯形之间有间隙。这种设计在保证振动传递的同时，又减小了应力传递损耗。

20、驱动层的弹簧结构由沿n边形周向分布的连接部和弯曲部组成，利用这种柔性悬臂结构产生较大位移。

21、中心的n边形可以是正方形、正五边形或正六边形，具有较高的对称性，有利于保持振动的一致性。

22、振膜层的弹簧结构也由沿其边缘周向分布的连接部和弯曲部组成，进一步提高了结构的柔性。