MEMS扬声器结构、其制作方法及使用方法与流程

mems扬声器结构、其制作方法及使用方法
技术领域
1.本技术涉及一种扬声器，具体涉及一种mems扬声器结构及其制作方法，属于mems(micro-electro-mechanicalsystem，微机电系统)技术领域。


背景技术：

2.随着社会智能化的发展需求，扬声器作为重要的交互媒介其应用领域越来越广，需求量越来越大。传统扬声器为手工组装的音圈式扬声器，需要大量人力，成本很高，且难以小型化，同时还存在音圈功耗较高、音域较窄、无法实现声音的定向传播等不足。
3.近年来，以mems技术制作的扬声器以其小型化、低成本、低功耗、高频域等优点，正逐渐取代传统扬声器成为主流。现有的一种mems扬声器是通过对硅衬底进行mems加工，再在硅衬底上设置压电材料层，从而形成振膜结构，其主要是利用逆压电效应工作，其振膜一般是工作在谐振频率附近，该谐振频率是固定且不可调节的，因此扬声器的频域较窄。


技术实现要素：

4.本技术的主要目的在于提供一种mems扬声器结构及其制作方法，以克服现有技术的不足。
5.为实现前述发明目的，本技术采用的技术方案包括：
6.本技术的一个方面提供了一种mems扬声器结构，其包括：
7.第一衬底，其具有第一面和与第一面相背的第二面，所述第二面上形成有岛状结构和环绕岛状结构设置的第一槽状结构；
8.压电材料层，其设置在第一衬底的第一面上，并与第一衬底配合形成振膜结构；
9.第一压电极板，其设置在压电材料层上；
10.第二压电极板，其设置在压电材料层与第一衬底的第一面之间；
11.第一静电极板，其至少设置在所述第一槽状结构的槽底面上；
12.第二衬底，其顶端面与第一衬底的第二面密封结合，从而与所述第一槽状结构围合形成环形腔室，并且第二衬底内还形成有空腔结构，所述空腔结构与所述环形腔室连通形成一整体腔室，所述岛状结构至少可沿轴向于所述整体腔室内自由运动；
13.第二静电极板，其设置在第二衬底的顶端面上，并暴露于所述环形腔室内，且与第一静电极板相对间隔设置。
14.本技术的另一个方面提供了一种mems扬声器结构的制作方法，包括：
15.提供第一衬底，所述第一衬底具有第一面和与第一面相背的第二面；
16.在所述第一衬底的第二面上加工出岛状结构和环绕岛状结构设置的第一槽状结构；
17.至少在所述第一槽状结构的槽底面上设置第一静电极板；
18.在第一衬底的第二面及第一静电极板上连续覆设第一介质层；
19.提供第二衬底，并在第二衬底的顶端面上设置第二静电极板；
20.将第二衬底的顶端面与第一衬底的第二面上所覆设的第一介质层密封结合，从而与所述第一槽状结构围合形成环形腔室，并使第二静电极板暴露于所述环形腔室内，且使第二静电极板与第一静电极板相对间隔设置；
21.在第一衬底的第一面上设置第二压电极板和压电材料层，之后在压电材料层上设置第一压电极板和第二压电极板的引出电极，并使压电材料层位于第一压电极板和第二压电极板之间，且使所述引出电极与第一压电极板间隔设置；
22.在第一压电极板、所述引出电极和压电材料层上连续覆设第二介质层，并在第二介质层上开设可使第一压电极板局部暴露的第一电极窗口和可使所述引出电极至少局部暴露的第二电极窗口；
23.在第二衬底内形成空腔结构，并使所述空腔结构与所述环形腔室连通形成一整体腔室，所述岛状结构至少可沿轴向于所述整体腔室内自由运动。
24.本技术的又一个方面提供了所述mems扬声器结构的一种使用方法，其包括：
25.在第一压电极板和第二压电极板之间施加驱动电压，以驱使振膜结构振动；
26.以及，在第一静电极板和第二静电极板之间施加控制电压，以使所述第一静电极板与第二静电极板之间产生静电力，并使所述静电力作用于振膜结构，从而对所述振膜结构的谐振频率进行调控。
27.相较于现有技术，本技术的技术方案至少有如下有益效果：
28.(1)本技术的mems扬声器结构具有功耗低、谐振频率可调、音域更宽、使用寿命更长等优点，并可以形成阵列化结构，能实现声音定向传播，还可在声音端满足虚拟现实的应用。
29.(2)本技术的mems扬声器结构可以通过mems技术制造，适合批量化生产，无需大量人力组装，产品品质高且一致性好，成本低，并可以实现扬声器小型化，符合高集成度的技术发展趋势。
附图说明
30.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
31.图1是本技术一实施例中一种mems扬声器的结构示意图；
32.图2是本技术一实施例中一种mems扬声器的制作工艺流程示意图；
33.图3是本技术一实施例中另一种mems扬声器的结构示意图；
34.图4是本技术一实施例中一种基于mems扬声器的阵列化结构的俯视图；
35.图5是本技术一实施例中一种基于mems扬声器的阵列化结构的仰视图。
具体实施方式
36.鉴于传统扬声器存在的难以小型化、功耗高、音域窄、无法实现声音定向传播和成本高等缺陷，以及现有压电式mems扬声器频域窄等不足，为克服这些问题，本技术人提出了一种改良的mems扬声器结构，其能够在降低扬声器的制造成本的同时，使振膜的谐振频率可调，进而提高扬声器的发声效果，特别是显著扩大其音域。
37.本技术的一些实施例提供的mems扬声器结构包括：
38.第一衬底，其具有第一面和与第一面相背的第二面，所述第二面上形成有岛状结构和环绕岛状结构设置的第一槽状结构，该第一槽状结构是环形槽状结构；
39.压电材料层，其设置在第一衬底的第一面上，并与第一衬底配合形成振膜结构；
40.第一压电极板，其设置在压电材料层上；
41.第二压电极板，其设置在压电材料层与第一衬底的第一面之间；
42.第一静电极板，其至少设置在所述第一槽状结构的槽底面上；
43.第二衬底，其顶端面与第一衬底的第二面密封结合，从而与所述第一槽状结构围合形成环形腔室，并且第二衬底内还形成有空腔结构，所述空腔结构与所述环形腔室连通形成一整体腔室，所述岛状结构至少可沿轴向于所述整体腔室内自由运动；
44.第二静电极板，其设置在第二衬底的顶端面上，并暴露于所述环形腔室内，且与第一静电极板相对间隔设置。
45.进一步的，当在第一静电极板和第二静电极板之间施加不同的控制电压时，可使第一静电极板与第二静电极板之间产生不同大小的静电力，该静电力可以对振膜结构进行束缚，从而对振膜结构的谐振频率进行调控，进而显著扩展扬声器的音域。
46.在一个实施例中，所述空腔结构包括沿轴向贯穿第二衬底的环形开放空腔，且第二衬底中还形成有质量块，所述环形开放空腔环绕质量块设置，所述质量块与岛状结构固定连接形成岛状质量块结构，所述岛状质量块结构至少可沿轴向于所述整体腔室内自由运动。
47.较为优选的，所述环形开放空腔的轴向尺寸(也可以认为是其深度)满足如下要求，即：当所述岛状质量块结构随振膜结构沿轴向运动至与第一衬底距离最远的位置处时，所述岛状质量块结构仍整体位于扬声器结构内部。通过此种设计，可以在扬声器结构内部预留可供岛状质量块结构随振膜结构沿轴向自由运动的空间，更利于实现扬声器结构的小型化，且能更好地保障扬声器结构的工作性能，避免因岛状质量块结构运动至扬声器结构外部而与外部设备碰撞等因素造成的扬声器结构受损等问题。
48.在一个实施例中，所述环形开放空腔包括第二槽状结构和环形深腔；所述第二槽状结构形成于第二衬底的底端面上；所述环形深腔形成于第二槽状结构底部，并环绕质量块设置；所述第二槽状结构通过环形深腔与环形空腔连通。在一些情况下，所述质量块的底端面与环形深腔的底端面平齐，或者，所述质量块的底端进入第二槽状结构内。并且，所述第二槽状结构的深度(即其在轴向上的尺寸)优选满足如下要求，即：当所述质量块随振膜结构沿轴向运动至与第一衬底距离最远的位置处时，所述质量块的底端面未超出第二槽状结构的槽口面。其中，所述第二槽状结构可以是圆槽状结构，也可以是矩形槽、菱形槽或其他规则或不规则形状的槽状结构。
49.在一些情况下，所述第二衬底也可以被省略或替换为其他的基底材料。例如，可以直接用封装基座替换第二衬底，将封装基座与第一衬底的第二面密封结合，从而与第一槽状结构围合形成环形腔室；第二静电极板设置在封装基座上，并暴露于环形腔室内；以及，封装基座内还预留有可供岛状结构随振膜结构沿轴向自由运动的空间。
50.在一个实施例中，所述第一槽状结构、第二槽状结构及环形深腔可以是同轴设置。
51.在一个实施例中，所述第二槽状结构在第一衬底的第二面上的正投影的面积大于岛状质量块结构在第一衬底的第二面上的正投影的面积。示例性的，所述环形深腔的直径《
第二槽状结构的直径《第一槽状结构的直径。通过这些设计，可以使岛状质量块结构随振膜结构进行运动时，在径向上也有足够的运动空间，从而避免与第一槽状结构、第二槽状结构及环形深腔的内壁碰触。
52.在一个实施例中，所述第二压电极板通过缓冲粘附层与第一衬底的第一面连接。所述缓冲粘附层可用于提高第二压电极板与第一衬底之间的粘附力。所述缓冲粘附层的材质可以选用zro2等，厚度可以为数十到数百纳米。
53.在一个实施例中，所述第一衬底、第二衬底包括硅衬底或其他衬底，例如包含一定掺杂元素的硅衬底，但不限于此。在一些情况下，第一衬底与第二衬底也可以是一体设置的。
54.在一个实施例中，所述扬声器结构还可包括具有通孔的第三衬底，该通孔沿轴向贯穿该第三衬底，所述环形开放空腔为沿轴向贯穿第二衬底的环形深腔，该环形深腔环绕质量块设置，该通孔通过环形深腔与环形空腔连通。该通孔在第一衬底的第二面上的投影面积覆盖且大于背岛质量块结构在第一衬底的第二面上的投影面积，其也能够满足岛状质量块结构沿轴向运动的需求。在一些情况下，第二衬底与第三衬底也可以是一体设置的。
55.在一个实施例中，所述第一静电极板和第二静电极板均为环形构件，例如圆环形、方环形或其他规则或不规则环形构件。以及，第一静电极板和第二静电极板可以采用au、ag、cu、fe、ti、cr等金属或合金或纳米碳材料、导电金属氧化物等其他导电材料制成。
56.在一个实施例中，所述扬声器结构还包括第一介质层，所述第一介质层连续覆设在第一衬底的第二面及第一静电极板上。
57.在一个实施例中，所述扬声器结构还包括第二压电极板的引出电极和第二介质层，所述引出电极设置在压电材料层上，并与第一压电极板相互间隔，所述第二介质层连续覆设在所述第一压电极板、所述引出电极和压电材料层上，并且所述第二介质层上设有可使第一压电极板局部暴露的第一电极窗口和可使所述引出电极至少局部暴露的第二电极窗口。
58.在一个实施例中，可以在压电材料层上开设通孔，并使引出电极通过该通孔后，将第二电极与第二压电极板电连接。
59.前述第一介质层、第二介质层的材质可以包括氧化硅、氧化铝、氮化硅等，且不限于此。
60.本技术的mems扬声器结构采用压电驱动，摒弃了传统扬声器的音圈式结构，功耗显著降低，再通过采用静电辅助驱动，使其振膜的谐振频率可调，进而使扬声器拥有更宽的音域，使用寿命更长，且该扬声器结构还易于形成阵列化结构，能更好地实现声音的定向传播。
61.本技术的一些实施例还提供了一种mems扬声器结构的制作方法，其包括：
62.提供第一衬底，所述第一衬底具有第一面和与第一面相背的第二面；
63.在所述第一衬底的第二面上加工出岛状结构和环绕岛状结构设置的第一槽状结构；
64.至少在所述第一槽状结构的槽底面上设置第一静电极板；
65.在第一衬底的第二面及第一静电极板上连续覆设第一介质层；
66.提供第二衬底，并在第二衬底的顶端面上设置第二静电极板；
67.将第二衬底的顶端面与第一衬底的第二面上所覆设的第一介质层密封结合，从而与所述第一槽状结构围合形成环形腔室，并使第二静电极板暴露于所述环形腔室内，且使第二静电极板与第一静电极板相对间隔设置；
68.在第一衬底的第一面上设置第二压电极板和压电材料层，之后在压电材料层上设置第一压电极板和第二压电极板的引出电极，并使压电材料层位于第一压电极板和第二压电极板之间，且使所述引出电极与第一压电极板间隔设置；
69.在第一压电极板、所述引出电极和压电材料层上连续覆设第二介质层，并在第二介质层上开设可使第一压电极板局部暴露的第一电极窗口和可使所述引出电极至少局部暴露的第二电极窗口；
70.在第二衬底内形成空腔结构，并使所述空腔结构与所述环形腔室连通形成一整体腔室，所述岛状结构至少可沿轴向于所述整体腔室内自由运动。
71.在一个实施例中，所述的制作方法具体包括：在第二衬底中加工出所述空腔结构和质量块，所述空腔结构包括环形开放空腔，所述环形开放空腔沿轴向贯穿第二衬底，并环绕所述质量块设置，且还与所述环形腔室连通形成一整体腔室，所述质量块与岛状结构固定连接形成岛状质量块结构，所述岛状质量块结构至少可沿轴向于所述整体腔室内自由运动。
72.在一个实施例中，所述的制作方法具体包括：采用干法刻蚀工艺和/或湿法腐蚀工艺在第一衬底的第二面上加工出第一槽状结构和岛状结构。
73.在一个实施例中，所述的制作方法具体包括：自所述第一衬底的第一面对衬底进行减薄处理，再在减薄后的所述第一衬底的第一面上依次形成第二压电极板、压电材料层和第一压电极板。
74.在一个实施例中，所述的制作方法具体包括：先在所述第一衬底的第一面上形成缓冲粘附层，然后在所述第一衬底的第一面上形成第二压电极板。当时，该缓冲粘附层可以用于提高第二压电极板与第一衬底之间的粘附力，尤其是对于第二压电极板是由金属形成的情况更是如此。所述缓冲粘附层的材质可以选用zro2等，厚度可以为数十到数百纳米。
75.在一个实施例中，所述的制作方法具体包括：采用干法刻蚀工艺和/或湿法腐蚀工艺对第二衬底的底端面进行刻蚀，以在所述第二衬底的底端面形成第二槽状结构，之后继续采用干法刻蚀工艺和/或湿法腐蚀工艺对所述第二槽状结构的槽底面进行刻蚀，直至到达第二衬底的顶端面，从而在所述第二衬底中形成质量块和环绕质量块设置的环形深腔，进而形成所述环形开放空腔。
76.在一个实施例中，所述第一槽状结构、第二槽状结构及环形深腔同轴设置。
77.在一个实施例中，所述第二槽状结构在第一衬底的第二面上的正投影的面积大于岛状质量块结构在第一衬底的第二面上的正投影的面积。
78.在一个实施例中，所述环形深腔的直径《第二槽状结构的直径《第一槽状结构的直径。
79.在一个较为具体的实施方案中，所述制作方法具体包括：
80.在所述第一衬底的第二面上加工出第一槽状结构和岛状结构，并使所述第一槽状结构环绕岛状结构设置；
81.至少在所述第一槽状结构的槽底面上设置第一静电极板；
82.在所述第一衬底的第二面及第一静电极板上连续覆设，优选为整面覆设第一介质层；
83.在第二衬底的顶端面上设置第二静电极板；
84.将所述第二衬底的顶端面与第一衬底的第二面所覆设的第一介质层密封结合，从而与所述第一槽状结构围合形成环形腔室，并使所述第二静电极板暴露于环形腔室内，且使所述第二静电极板与第一静电极板相对间隔设置；
85.在所述第一衬底的第一面上依次形成层叠设置的第二压电极板、压电材料层；
86.在所述压电材料层表面刻蚀形成开窗，即形成沿轴向贯穿压电材料层的通孔作为接触孔，以露出第二压电极板；
87.在压电材料层上表面设置第一压电极板和第二压电极板的引出电极，所述引出电极透过前述接触孔与第二压电极板电连接；
88.在所述第一压电极板和压电材料层上连续覆设，优选为整面覆设第二介质层，并在所述第二介质层上刻蚀出可使第一压电极板局部暴露的第一电极窗口和可使所述引出电极至少局部暴露的第二电极窗口；
89.在所述第二衬底中加工出环形开放空腔和质量块，所述环形开放空腔沿轴向贯穿第二衬底，并环绕所述质量块设置，且还与所述环形腔室连通，所述质量块与岛状结构固定连接形成岛状质量块结构。
90.在本技术中，所述第一压电极板、第二压电极板、第二压电极板的引出电极、第一静电极板、第二静电极板、压电材料层等可以通过蒸镀、磁控溅射、电镀等等本领域已知的多种方式制备，所述干法刻蚀工艺、湿法腐蚀工艺均可以按照本领域已知的方式实施，所述第一介质层、第二介质层可以采用ald、pecvd或热氧化等本领域已知的多种方式制备，故而此处均不再予以详细说明。
91.进一步的，在本技术中，可以通过相同或不同工艺先后或同时在压电材料层上制作形成第一压电极板、第二压电极板的引出电极。也可以先在压电材料层上形成一金属层，然后通过光刻、干法刻蚀、湿法腐蚀或机械加工等方式在该金属层中加工出所述第一压电极板、第二压电极板的引出电极。
92.本技术通过mems技术制造扬声器结构，能够实现扬声器的小型化和高度集成化，并使其可以批量化生产，产品一致性更好，良品率更高，无需大量人力组装，成本极大降低。
93.本技术的一些实施例还提供了所述mems扬声器结构的一种使用方法，其包括：
94.在第一压电极板和第二压电极板之间施加驱动电压，以驱使振膜结构振动；
95.以及，在第一静电极板和第二静电极板之间施加控制电压u，以使所述第一静电极板与第二静电极板之间产生静电力f，并使所述静电力作用于振膜结构，从而对所述振膜结构的谐振频率进行调控；
96.其中：
[0097][0098]
g为第一静电极板和第二静电极板之间的距离，ε0为真空介电常数，εr为分布在第一静电极板和第二静电极板之间的介质的介电常数，s为第一静电极板与第二静电极板的正对面积。
[0099]
进一步的，所述介质通常为空气，但也可以是其他气体或流体。
[0100]
其中，通过调整所述控制电压的大小以及施加控制电压的时间、频率等参数，可以调整所述静电力的大小、频率及维持时间等，从而实现对振膜结构的工作参数的调控，进而方便的调控mems扬声器的音域。
[0101]
以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。
[0102]
如在详述本技术实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本技术保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0103]
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
[0104]
在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
[0105]
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本技术的基本构想，遂图示中仅显示与本技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0106]
请参阅图1，本实施例提供的一种mems扬声器主要由第一衬底1、第二衬底2、压电材料层3、第一压电极板4、第二压电极板5、第一静电极板6、第二静电极板7等组成。
[0107]
该第一衬底1具有第一面101和与第一面相背的第二面102，该第二面102的中部形成有一个岛状结构103和一个环形的第一槽状结构104，该第一槽状结构104环绕岛状结构103设置。进一步的，该第一槽状结构104可以与岛状结构103同轴设置。以及，该岛状结构103的底端面可以与第一槽状结构104的槽口面基本平齐。
[0108]
该第二压电极板5、压电材料层3、第一压电极板4从下向上依次层叠设置在第一衬底1的第一面101。该压电材料层3与第一衬底1配合形成振膜结构。进一步的，可以认为，该振膜结构要由压电材料层3、第一槽状结构104的槽底壁组成。
[0109]
该第二衬底2的顶端面与第一衬底1的第二面102密封结合，从而与第一槽状结构104围合形成环形腔室。该第一静电极板6为金属环形件，并设置在第一槽状结构104的槽底面上。
[0110]
该第二静电极板7也是金属环形件，并设置在第二衬底2的顶端面上，且暴露于前述环形腔室内，还与第一静电极板6相对设置。以及，该第二静电极板7与第一静电极板6之间留有间隙。当在第二静电极板7与第一静电极板6之间施加指定的控制电压时，能在第二静电极板7与第一静电极板6之间产生静电力，该静电力作用在前述振膜结构上。
[0111]
该第二衬底2中形成有沿轴向贯穿第二衬底2的环形开放空腔，该环形开放空腔包括第二槽状结构201和环形深腔202；该第二槽状结构201为圆形槽，并形成于第二衬底2的底端面上，该环形深腔202形成于第二槽状结构201底端面上，并环绕一质量块203设置。该第二槽状结构201通过环形深腔202与前述环形空腔连通。该质量块203与前述岛状结构103固定连接形成岛状质量块结构。进一步的，该第一槽状结构104、第二槽状结构201、环形深腔202、岛状结构103及质量块203可以为同轴设置。较为优选的，岛状质量块结构的直径《环形深腔的直径《第二槽状结构的直径《第一槽状结构的直径。以及，该质量块203的底端面与环形深腔202的底端面基本齐平，而且该第二槽状结构201具有一定深度，使得质量块203在随振膜结构沿轴向运动至与第一衬底1距离最远的位置处时，质量块203的底端面不超出第二槽状结构201的槽口面。
[0112]
该第一衬底1的第二面102及第一静电极板6上还覆设有连续的第一介质层8，使得该第一衬底1与第二衬底2之间电性隔离，并对第一静电极板6形成防护。
[0113]
该压电材料层3上还设置有第二压电极板的引出电极12，该引出电极12与第一压电极板4间隔设置，同时该压电材料层上可开设一通孔作为接触孔，该引出电极12的局部区域透过该接触孔与第二压电极板5电性接触。
[0114]
该第一压电极板4、引出电极12和压电材料层3上还覆设有连续的第二介质层9，并且该第二介质层上开设有第一电极窗口10、第二电极窗口11，该第一压电极板4、引出电极12的局部区域可分别从该第一电极窗口10、第二电极窗口11暴露出，以方便后期芯片的封装打线。
[0115]
其中，该第一衬底1、第二衬底2均可以采用浓掺杂的硅衬底。该压电材料层3可以由pzt材料形成，因此也可以命名为pzt层。该第一压电极板4、第二压电极板5均由金属材料形成，并可以分别被命名为pzt上极板、pzt下极板。该第一介质层8、第二介质层9均可采用氧化硅薄层。
[0116]
该mems扬声器在使用时，通过在pzt上极板和pzt下极板之间施加驱动电压，pzt层在电压作用下，会作出如下两种反应：其一，由于pzt材料自身的逆压电效应，产生沿mems扬声器表面方向的拉伸或收缩；其二，因为pzt层、pzt上极板和pzt下极板所组成的压电材料层受到与其结合在一起的刻蚀后的第一衬底1及边界的约束，且此种约束在压电材料层两面并不对称。因此压电层和刻蚀后的第一衬底1配合形成的振膜产生上下弯曲，随着驱动电压的快速变化，这种弯曲快速的发生形成了振动。一般这种振膜工作在谐振频率附近。本实施例进一步通过在第二衬底2上施加控制电压u，使得第一静电极板6和第二静电极板7产生正负电荷积累，进而产生静电力f，使得振膜被第二衬底2束缚(不同的电压，被束缚程度不同)，从而实现了对振膜谐振频率的控制，最终得以实现对扬声器音域的扩展。
[0117]
其中，f和u的关系满足下式：
[0118][0119]
g为第一静电极板和第二静电极板之间的距离，ε0为真空介电常数，εr为分布在第一静电极板和第二静电极板之间的介质的介电常数，s为第一静电极板与第二静电极板的正对面积，也可以认为是第一静电极板和第二静电极板在第一衬底的第二面上的正投影的重叠区域的面积。
[0120]
请参阅图2，本实施例的mems扬声器的一种制作方法包括如下步骤：
[0121]
s1、提供作为第一衬底1的浓掺杂硅衬底。
[0122]
s2、采用光刻工艺等在第一衬底1的正面(即第二面102)刻蚀形成第一槽状结构104和岛状结构103。
[0123]
s3、在第一槽状结构104底部生长并刻蚀形成一层金属环作为第一静电极板6，第一静电极板6的直径应小于第一槽状结构104底壁的直径。
[0124]
s4、在第一衬底1的正面上整面生长氧化硅层作为第一介质层8，并使其覆盖第一静电极板6。
[0125]
s5、采用光刻、蒸镀工艺等在作为第二衬底2的浓掺杂硅衬底的正面生长并刻蚀形成一层金属环作为第二静电极板7，该第一静电极板6在第二衬底2正面的位置应与第一静电极板6在第一衬底1正面的位置相当。
[0126]
s6、将步骤s3最终形成的器件结构的正面(长有氧化硅层的一侧表面)与步骤s4最终形成的器件结构的正面(形成有第二静电极板7的一侧表面)键合，形成密封的环状腔室，使得第一静电极板6与第二静电极板7相对设置，且两者之间留有间隙。
[0127]
s7、将第一衬底1的背面(即第一面101)减薄至需要厚度。
[0128]
s8、在减薄后的第一衬底1的背面生长金属层形成第二压电极板5。
[0129]
s9、在第二压电极板5表面生长pzt材料，形成压电材料层3，并采用光刻工艺等在压电材料层3上刻蚀出一通孔作为接触孔，也就是前述的压电层开窗处。
[0130]
s10、在步骤s9生长的压电材料层3表面生长金属层，并采用光刻工艺等刻蚀形成第一压电极板4和第二压电极板5的引出电极12，该引出电极的局部区域穿过前述接触孔并与第二压电极板5电性接触。
[0131]
s11、在压电材料层3、第一压电极板4和引出电极12上生长氧化硅层作为第二介质层9，以进行隔离保护，并采用光刻工艺等在第二介质层9上刻蚀形成第一压电极板4和引出电极12的电极窗口，即前述第一电极窗口10和第二电极窗口11。
[0132]
s12、在第二衬底2的背面刻蚀形成浅腔，即前述第二槽状结构201，该浅腔在第一衬底1正面的投影面积应大于岛状结构103在第二衬底2正面的投影面积。
[0133]
s13、在第二衬底2背面进行环状深腔202的刻蚀，刻蚀停止于步骤s5形成的环状腔室，形成振膜和背岛质量块结构。
[0134]
在本实施例中，还可以在前述步骤s7和步骤s8之间也可加入如下步骤，即：在减薄后的第一衬底1的背面先生长缓冲粘附层，以提高金属与硅衬底之间的粘附力，然后生长第二压电极板5。
[0135]
在本实施例中，前述步骤s12亦可省略，但是mems扬声器封装时，封装基座应预留岛状结构的上下活动空间。
[0136]
在本实施例中，所述制作方法还可以包括如下步骤：
[0137]
s14、在步骤s11后可跳过步骤s12，直接进行步骤s13，即在第二衬底背面进行环状深腔202’的刻蚀，刻蚀停止于步骤s6形成的密封环状腔室，形成振膜和由质量块203’与岛状结构组成的背岛质量块结构。
[0138]
s15、为使该背岛质量块结构可沿轴向自由运动，可将具有通孔150的第三衬底15与经步骤s14处理后的第二衬底的背面键合，该通孔150在第一衬底的第二面上的投影面积
应覆盖且大于背岛质量块结构在第一衬底的第二面上的投影面积，最终形成的mems扬声器结构如图3所示。该第三衬底的材质可以是硅或者玻璃等，且不限于此。
[0139]
本实施例提供的前述制作方法利用mems技术，可实现扬声器小型化和批量化生产，无需大量人力组装，成本极大降低，符合高集成度的技术发展趋势。
[0140]
请参阅图4-图5，利用本实施例的mems扬声器可以形成阵列化结构，实现声音定向传播。其中13为第一电极、14为第二电极，该第一电极13、第二电极14可以分别与第一压电极板4、第二压电极板5的引出电极12电连接。
[0141]
上述实施例仅例示性说明本技术的原理及其功效，而非用于限制本技术。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本技术的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本技术所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本技术的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种mems扬声器结构，其特征在于，包括：第一衬底，其具有第一面和与第一面相背的第二面，所述第二面上形成有岛状结构和环绕岛状结构设置的第一槽状结构；压电材料层，其设置在第一衬底的第一面上，并与第一衬底配合形成振膜结构；第一压电极板，其设置在压电材料层上；第二压电极板，其设置在压电材料层与第一衬底的第一面之间；第一静电极板，其至少设置在所述第一槽状结构的槽底面上；第二衬底，其顶端面与第一衬底的第二面密封结合，从而与所述第一槽状结构围合形成环形腔室，并且第二衬底内还形成有空腔结构，所述空腔结构与所述环形腔室连通形成一整体腔室，所述岛状结构至少可沿轴向于所述整体腔室内自由运动；第二静电极板，其设置在第二衬底的顶端面上，并暴露于所述环形腔室内，且与第一静电极板相对间隔设置。2.根据权利要求1所述的mems扬声器结构，其特征在于：所述空腔结构包括沿轴向贯穿第二衬底的环形开放空腔，且第二衬底中还形成有质量块，所述环形开放空腔环绕质量块设置，所述质量块与岛状结构固定连接形成岛状质量块结构，所述岛状质量块结构至少可沿轴向于所述整体腔室内自由运动。3.根据权利要求2所述的mems扬声器结构，其特征在于：所述环形开放空腔包括第二槽状结构和环形深腔；所述第二槽状结构形成于第二衬底的底端面上；所述环形深腔形成于第二衬底内部，并环绕质量块设置；所述第二槽状结构通过环形深腔与环形空腔连通。4.根据权利要求3所述的mems扬声器结构，其特征在于：所述第一槽状结构、第二槽状结构及环形深腔同轴设置；和/或，所述第二槽状结构在第一衬底的第二面上的正投影的面积大于岛状质量块结构在第一衬底的第二面上的正投影的面积；和/或，所述环形深腔的直径<第二槽状结构的直径<第一槽状结构的直径；和/或，所述第二压电极板与第一衬底的第一面之间还设置有缓冲粘附层；和/或，所述第一衬底、第二衬底包括硅衬底。5.根据权利要求1所述的mems扬声器结构，其特征在于：所述第一静电极板和第二静电极板均为环形构件；和/或，所述第一静电极板和第二静电极板之间产生的静电力f与施加在第一静电极板和第二静电极板之间的电压u的关系如下式所示：其中，g为第一静电极板和第二静电极板之间的距离，ε0为真空介电常数，ε
r
为分布在第一静电极板和第二静电极板之间的介质的介电常数，s为第一静电极板与第二静电极板的正对面积。6.根据权利要求1所述的mems扬声器结构，其特征在于：所述扬声器结构还包括第一介质层，所述第一介质层连续覆设在第一衬底的第二面及第一静电极板上；和/或，所述扬声器结构还包括第二压电极板的引出电极和第二介质层，所述引出电极设置在压电材料层上，并与第一压电极板相互间隔，所述第二介质层连续覆设在所述第一
压电极板、所述引出电极和压电材料层上，并且所述第二介质层上设有可使第一压电极板局部暴露的第一电极窗口和可使所述引出电极至少局部暴露的第二电极窗口。7.一种mems扬声器结构的制作方法，其特征在于，包括：提供第一衬底，所述第一衬底具有第一面和与第一面相背的第二面；在所述第一衬底的第二面上加工出岛状结构和环绕岛状结构设置的第一槽状结构；至少在所述第一槽状结构的槽底面上设置第一静电极板；在第一衬底的第二面及第一静电极板上连续覆设第一介质层；提供第二衬底，并在第二衬底的顶端面上设置第二静电极板；将第二衬底的顶端面与第一衬底的第二面上所覆设的第一介质层密封结合，从而与所述第一槽状结构围合形成环形腔室，并使第二静电极板暴露于所述环形腔室内，且使第二静电极板与第一静电极板相对间隔设置；在第一衬底的第一面上设置第二压电极板和压电材料层，之后在压电材料层上设置第一压电极板和第二压电极板的引出电极，并使压电材料层位于第一压电极板和第二压电极板之间，且使所述引出电极与第一压电极板间隔设置；在第一压电极板、所述引出电极和压电材料层上连续覆设第二介质层，并在第二介质层上开设可使第一压电极板局部暴露的第一电极窗口和可使所述引出电极至少局部暴露的第二电极窗口；在第二衬底内形成空腔结构，并使所述空腔结构与所述环形腔室连通形成一整体腔室，所述岛状结构至少可沿轴向于所述整体腔室内自由运动。8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于具体包括：采用干法刻蚀工艺和/或湿法腐蚀工艺在第一衬底的第二面上加工出第一槽状结构和岛状结构；和/或，自第一衬底的第一面对衬底进行减薄处理，再在减薄后的所述第一衬底的第一面上依次形成第二压电极板、压电材料层和第一压电极板；和/或，先在第一衬底的第一面上形成缓冲粘附层，然后在所述第一衬底的第一面上形成第二压电极板；和/或，在第二衬底中加工出所述空腔结构和质量块，所述空腔结构包括环形开放空腔，所述环形开放空腔沿轴向贯穿第二衬底，并环绕所述质量块设置，且还与所述环形腔室连通形成一整体腔室，所述质量块与岛状结构固定连接形成岛状质量块结构，所述岛状质量块结构至少可沿轴向于所述整体腔室内自由运动。9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于具体包括：采用干法刻蚀工艺和/或湿法腐蚀工艺对第二衬底的底端面进行刻蚀，以在所述第二衬底的底端面形成第二槽状结构，之后继续采用干法刻蚀工艺和/或湿法腐蚀工艺对所述第二槽状结构的槽底面进行刻蚀，直至到达第二衬底的顶端面，从而在所述第二衬底中形成质量块和环绕质量块设置的环形深腔，进而形成所述环形开放空腔。10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于：所述第一槽状结构、第二槽状结构及环形深腔同轴设置；和/或，所述第二槽状结构在第一衬底的第二面上的正投影的面积大于岛状质量块结构在第一衬底的第二面上的正投影的面积；和/或，所述环形深腔的直径＜第二槽状结构的直径＜第一槽状结构的直径。
11.权利要求1-6中任一项所述mems扬声器结构的使用方法，其特征在于包括：在第一压电极板和第二压电极板之间施加驱动电压，以驱使振膜结构振动；以及，在第一静电极板和第二静电极板之间施加控制电压u，以使所述第一静电极板与第二静电极板之间产生静电力f，并使所述静电力作用于振膜结构，从而对所述振膜结构的谐振频率进行调控；其中：g为第一静电极板和第二静电极板之间的距离，ε0为真空介电常数，ε
r
为分布在第一静电极板和第二静电极板之间的介质的介电常数，s为第一静电极板与第二静电极板的正对面积。

技术总结
本申请公开了一种MEMS扬声器结构、其制作方法及使用方法。该MEMS扬声器结构包括：第一衬底，其第二面上形成有岛状结构和环绕岛状结构的第一槽状结构；压电材料层，其设置在第一衬底的第一面上，并与第一衬底配合形成振膜结构；第一压电极板，其设置在压电材料层上；第二压电极板，其设置在压电材料层与第一衬底的第一面之间；第一静电极板，其设置在第一槽状结构的槽底面上；第二静电极板，其设置在第二衬底的顶端面上，并与第一静电极板相对间隔设置。该MEMS扬声器结构具有功耗低、谐振频率可调、音域更宽等优点，并可以实现扬声器小型化和阵列化结构，能实现声音定向传播，同时其适合批量化生产，品质均一，良率高，成本低。成本低。成本低。


技术研发人员：王竞轩
受保护的技术使用者：王竞轩
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/9