一种压电MEMS扬声器及其制备方法

一种压电mems扬声器及其制备方法
技术领域
1.本发明属于mems扬声器技术领域，特别涉及一种压电mems扬声器及其制备方法。


背景技术：

2.mems全称micro-electro-mechanicalsystems，即微机电系统，是指由微加工技术制备，结构在微米甚至纳米量级，集成有微传感器、微执行器、微电子信号处理与控制电路等部件的微型系统。压电mems扬声器是基于逆压电效应驱动以及mems技术制造的工作在人耳听觉阈范围内的微型扬声器器件。由于压电mems扬声器具有体积小、结构简单、功耗低、驱动力大、价格低廉的突出优点，有望取代传统扬声器成为下一代新型高性能扬声器。微流控指的是使用微管道(微米量级)处理或操纵微小流体的技术，具有可微型化、可集成化的优势。微流控技术是一门目前发展迅速、涉及化学、流体物理、微电子、新材料生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。其基于mems加工技术，可以实现一系列常规方法难以完成的微加工和微操作，具有巨大的发展潜力和广泛的应用前景。
3.现有技术中，为提高压电mems扬声器振膜的位移，通常会在完整振膜表面刻蚀出宽度在数微米到百微米量级的镂空狭缝结构，即可转而形成几个分立的悬臂梁结构。此处理有助于释放材料沉积过程中所产生的残余内应力，减少其对结构力学特性的影响，同时还能扩大器件线性工作范围进而显著增强声学性能。然而，由于镂空狭缝的存在，会在器件工作过程中引入空气泄漏，形成声学短路，进而导致扬声器产生的声压级下降，该现象尤以低频处为甚。为了减少镂空狭缝处的空气泄漏问题，通常需对镂空狭缝进行密封处理。较为传统的方法是在器件表面整体(包括悬臂梁及其之间的镂空狭缝)覆盖一层柔性膜。考虑到悬臂梁结构相对较为脆弱，该方法不仅工艺实施难度较大、会引入结构破坏风险，同时还因在器件整个表面上覆盖了一层膜材料，会对器件结构原本的机械性能产生较大的影响，进而改变器件的声学频谱特性。


技术实现要素：

4.为解决上述现有技术中压电mems扬声器传统方法所存在的问题，本发明提供一种压电mems扬声器及其制备方法，对压电mems扬声器结构中的镂空狭缝进行密封，提高声音输出性能的设计方法，旨在解决压电mems扬声器在工作时镂空狭缝中存在空气泄漏，导致低频处声压级较低的问题。
5.为了实现上述技术目的，本发明提供了如下技术方案：一种压电mems扬声器，包括：
6.振动发声结构，其中所述振动发声结构中设置有镂空狭缝结构，所述镂空狭缝结构末端对应设置有储液池，所述储液池与所述镂空狭缝相连通，所述镂空狭缝中填充有液态材料用于密封。
7.可选的，所述振动发声结构中设置有若干个相同或不同的悬臂梁结构，所述悬臂梁结构由压电层及支撑层组成或由两层压电层组成，所述悬臂梁结构采用圆形或多边形形
状的单点固定悬臂梁或多点固定的夹支梁结构，所述压电层的材料采用aln、pzt、zno中的一种，所述支撑层采用si材料。
8.可选的，所述镂空狭缝结构采用直线或曲线形状。
9.可选的，所述储液池采用凹槽，所述凹槽采用对称结构或者非对称结构，所述对称结构采用圆形或多边形。
10.可选的，所述液态材料采用pdms、polyimide、parylenec、硅胶中的一种。
11.为了更好的实现上述技术目的，本发明还提供了一种压电mems扬声器的制备方法，包括：
12.加工形成振动发声结构，其中振动发声结构中设置有镂空狭缝结构；
13.在镂空狭缝结构末端设置储液池，所述储液池与所述镂空狭缝结构连通；
14.在所述储液池中注入液态材料；
15.基于毛细效应将所述液态材料填充镂空狭缝结构；
16.填充完成后，对填充的液态材料进行固化或保持液态密封镂空狭缝以实现压电mems扬声器的制备。
17.可选的，所述储液池与所述振动发声结构一体化同步加工成型或者在所述振动发声结构制备完成后，在对应位置通过减法工艺或加法工艺处理方式加工而成。
18.可选的，对填充的液态材料进行固化过程中，采用固化后机械强度低于所述振动发声结构的液态材料，所述液态材料通过固化处理方法转变为固态。
19.可选的，采用具有非挥发特性的液态材料进行保持液态方式密封。
20.本发明具有如下技术效果：
21.不额外增加工艺难度的前提下，有效阻止压电mems扬声器结构中镂空狭缝处的空气泄漏，显著提高扬声器在低频处所产生的声压级。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为基于浸润液体的毛细效应示意图；
24.图2为压电mems扬声器密封设计实例的俯视图；
25.图3为压电mems扬声器采用本发明方法密封设计实例的剖面示意图；
26.图4为压电mems扬声器覆盖柔性膜密封设计实例的剖面示意图；
27.图5为压电mems扬声器未进行密封设计实例的剖面示意图；
28.图6为基于有限元仿真软件对采用本发明方法密封、传统覆膜密封及未密封中所示器件在40vpp驱动电压下于人模拟耳道模型中仿真所得的声压级频谱图；
29.图7为图6中20hz～200hz低频部分的声压级频谱图。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种压电mems扬声器及其制备方法，对压电mems扬声器结构中的镂空狭缝进行密封，提高声音输出性能的设计方法，旨在解决压电mems扬声器在工作时镂空狭缝中存在空气泄漏，导致低频处声压级较低的问题。
32.一种压电mems扬声器：在压电mems扬声器振动发声结构中设置有镂空狭缝结构，同时在器件工作区域外围额外增设一个或多个储液池结构，且与扬声器振动发声结构中的镂空狭缝区域相连通。通过向储液池中注入特定液态材料(非挥发性材料或可固化材料)时，在毛细效应的作用下，液态材料可自发地从储液池流向镂空狭缝区域进而对其进行填充。后续可对其进行固化处理或保持稳定液态，最终达到密封镂空狭缝、提升声学性能的目的。
33.所述的压电mems扬声器结构中的镂空狭缝：宽度通常在数微米到百微米量级，用于分离压电mems扬声器中的各个振动发声结构。根据不同设计需求，其可以是直线或曲线。
34.所述的储液池结构，制备在压电mems扬声器同一衬底上，且与振动发声结构中的镂空狭缝区域相连通。其深度可与振动发声结构厚度相同，或者更深。外形可以是圆形、方形等规则对称结构，也可以是非对称结构。可采用mems加工工艺(如光刻+刻蚀)与压电mems扬声器结构一体化同步加工成型，或在压电mems扬声器结构制备完成后单独通过诸如激光切割、电火花加工等减法工艺或诸如旋涂+光刻、3d打印等加法工艺后处理方式加工而成。
35.所述的毛细效应，液体在细管或细缝状物体内部，可由液体与物体间附着力、液体分子间内聚力而产生的表面张力共同作用，令液体在不需施加任何外力的情况下，自发地沿着细管状或细缝结构进行流动并加以填充。
36.所述的液态材料，具有一定粘性，且与待填充结构(即前述镂空狭缝)材料之间呈现出良好的浸润特性。材料可以通过加热、uv光照等方式进行固化处理转变成固态，且固化后的材料机械强度要低于振动发声结构；或材料具有非挥发特性，能在使用环境下始终保持性能稳定，所述液态材料可采用pdms、polyimide、parylenec、硅胶等材料。
37.本发明制造方法技术方案如下：在设计压电mems扬声器时额外增设一个储液池结构，其与扬声器振动发声结构中的镂空狭缝相连通，当向储液池中注入液态材料时，液态材料可借助毛细效应自发地从储液池流向镂空狭缝并对其进行填充，后续可对其进行固化处理或保持稳定液态，最终达到密封镂空狭缝的目的。
38.为提高压电mems扬声器振膜的位移，通常会在完整振膜表面刻蚀出宽度在数微米到百微米量级的镂空狭缝结构，即可转而形成几个分立的悬臂梁结构。所述悬臂梁结构可以由压电层和支撑层组成(单晶片结构)或由两层压电层组成(双晶片结构)，所述压电层可采用aln、pzt、zno等材料，所述支撑层采用si材料。此处理有助于释放材料沉积过程中所产生的残余内应力，减少其对结构力学特性的影响，同时还能扩大器件线性工作范围进而显著增强声学性能。然而，由于镂空狭缝的存在，会在器件工作过程中引入空气泄漏，形成声学短路，进而导致扬声器产生的声压级下降，该现象尤以低频处为甚。为了减少镂空狭缝处的空气泄漏问题，通常需对镂空狭缝进行密封处理。较为传统的方法是在器件表面整体(包括悬臂梁及其之间的镂空狭缝)覆盖一层柔性膜。考虑到悬臂梁结构相对较为脆弱，该方法
不仅工艺实施难度较大、会引入结构破坏风险，同时还因在器件整个表面上覆盖了一层膜材料，会对器件结构原本的机械性能产生较大的影响，进而改变器件的声学频谱特性。而本发明中，仅选择性的对镂空狭缝区域进行填充处理。同时，所用材料的机械强度远小于悬臂梁本身，故而不会对原有器件性能产生较大的影响。此外，从工艺加工层面来看，额外设计的储液池可与压电mems扬声器结构一体化同步加工成型，并不会带来额外的工艺难度。
39.在用于密封的液态材料的选择上，其一，应选择浸润型液态材料。此时液态材料与储液池、镂空狭缝侧壁的接触角小于90
°
，液态材料方可由液体与物体间附着力、液体分子间内聚力而产生的表面张力共同作用，在不需施加外力的情况下，自发地流向镂空狭缝；其二，应选择可固化或非挥发性液态材料。当液态材料填充满镂空狭缝后，可采取一定手段使其固化，方能保证扬声器工作状态长期稳定；其三，应选择固化后杨氏模量较小的液态材料，这样在扬声器工作、悬臂梁振动时，镂空狭缝中固化后的液态材料的形变对扬声器结构本身影响较小。
40.为了使本发明的实现方式与技术方案更加清晰，结合附图的内容对发明的内容进行进一步说明。
41.根据附图2、附图3的内容，可以了解到本发明系统的大致结构，图2中为其在一种可能的储液池结构设计形式下，用于密封的液态材料自发地从储液池流向镂空狭缝的示意图。图3系采用本发明的压电mems扬声器密封方法相关示例。
42.该压电mems扬声器中的每个镂空狭缝都对应制备了一个与之相连通的储液池结构。储液池结构中基于浸润液体的毛细效应的基本原理如图1所示，浸润液体与侧壁接触角小于90
°
，在细管中实现了无外力作用下，克服重力上升。当向储液池中注入一定量的液态材料时，液态材料将借助毛细效应自发地向镂空狭缝区域进行流动并对其进行填充，最终达到密封的效果。
43.本实例在用于密封的液态材料的选择上，采用了pdms材料为例。该材料预聚体在常温下为浸润液体，可自发地填充镂空狭缝；在适量混合固化剂后，可自然固化也可通过加热加速固化；其杨氏模量较小，仅为750kpa，实际工作中对扬声器结构的机械特性影响较小。
44.在扬声器结构尺寸方面，本实例中采用的压电mems扬声器由四个完全相同的三角悬臂梁组成，俯视呈边长为2.12mm的正方形形状，相邻悬臂梁间镂空狭缝宽度为10μm。在材料选择上，本实例中的压电mems扬声器选取了aln作为压电层材料，厚度为1μm，支撑层则采用了厚度为5μm的si材料。
45.采用本发明压电mems扬声器密封镂空狭缝的方法对应的密封效果图如附图3所示；较为传统的采用在器件表面整体覆盖一层柔性膜的密封方法对应的密封效果图如附图4所示，本例中以膜厚15μm的pdms材料为例；原始未进行密封操作时的器件效果图如附图5所示。
46.最终基于有限元仿真软件对附图3、附图4和附图5中所示mems扬声器器件结构在40vpp驱动电压下，在模拟耳道模型中的声学性能进行了仿真。附图6所示为各器件在20hz～20khz工作频率范围内所产生的声压频谱曲线。附图7则重点给出了20hz～200hz频段的声压曲线。
47.由图6可见，通过对镂空狭缝进行密封处理能提升器件声音输出性能。与此同时，
相较于传统采用在器件表面整体覆膜的密封方法会显著改变器件的频率响应(表现在谐振峰向低频发生漂移)，本方法对原始器件结构自身机械特性的影响较小。
48.由图7可见，相较于未密封器件，通过采用密封处理，低频处的声压输出等级均得到显著提升，且本方法的提升效果更优。
49.由结果可知，与未密封及采用传统整体覆膜密封方式的器件相比，本设计在不额外增加工艺难度的情况下取得了更优的声音输出性能，且对原始器件结构自身频率响应特性的影响较小，便于后续结构设计。
50.本发明未尽事宜为公知技术。
51.以上，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种压电mems扬声器，其特征在于，包括：振动发声结构，其中所述振动发声结构中设置有镂空狭缝结构，所述镂空狭缝结构末端对应设置有储液池，所述储液池与所述镂空狭缝相连通，所述镂空狭缝中填充有液态材料用于密封。2.根据权利要求1所述的压电mems扬声器，其特征在于：所述振动发声结构中设置有若干个相同或不同的悬臂梁结构，所述悬臂梁结构由压电层及支撑层组成或由两层压电层组成，所述悬臂梁结构采用圆形或多边形形状的单点固定悬臂梁或多点固定的夹支梁结构，所述压电层的材料采用aln、pzt、zno中的一种，所述支撑层采用si材料。3.根据权利要求1所述的压电mems扬声器，其特征在于：所述镂空狭缝结构采用直线或曲线形状。4.根据权利要求1所述的压电mems扬声器，其特征在于：所述储液池采用凹槽，所述凹槽采用对称结构或者非对称结构，所述对称结构采用圆形或多边形。5.根据权利要求1所述的压电mems扬声器，其特征在于：所述液态材料采用pdms、polyimide、parylenec、硅胶中的一种。6.一种压电mems扬声器的制备方法，其特征在于，包括：加工形成振动发声结构，其中振动发声结构中设置有镂空狭缝结构；在镂空狭缝结构末端设置储液池，所述储液池与所述镂空狭缝结构连通；在所述储液池中注入液态材料；基于毛细效应将所述液态材料填充镂空狭缝结构；填充完成后，对填充的液态材料进行固化或保持液态密封镂空狭缝以实现压电mems扬声器的制备。7.根据权利要求6所述的压电mems扬声器的制备方法，其特征在于：所述储液池与所述振动发声结构一体化同步加工成型或者在所述振动发声结构制备完成后，在对应位置通过减法工艺或加法工艺处理方式加工而成。8.根据权利要求6所述的压电mems扬声器的制备方法，其特征在于：对填充的液态材料进行固化过程中，采用固化后机械强度低于所述振动发声结构的液态材料，所述液态材料通过固化处理方法转变为固态。9.根据权利要求6所述的压电mems扬声器的制备方法，其特征在于：采用具有非挥发特性的液态材料进行保持液态方式密封。

技术总结
本发明公开一种压电MEMS扬声器及其制备方法，包括，振动发声结构，其中所述振动发声结构中设置有镂空狭缝结构，所述镂空狭缝结构末端对应设置有储液池，所述储液池与所述镂空狭缝相连通，所述镂空狭缝中填充有液态材料用于密封。通过上述技术方案，本发明对压电MEMS扬声器结构中的镂空狭缝进行密封，提高声音输出性能的设计方法，旨在解决压电MEMS扬声器在工作时镂空狭缝中存在空气泄漏，导致低频处声压级较低的问题。级较低的问题。级较低的问题。


技术研发人员：余洪斌 王岩 吕途南 张峻宁
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/9/6