[发明专利]一种封闭式振动膜压电MEMS扬声器及其制备方法

说明书

本发明提供一种封闭式振动膜压电MEMS扬声器及其制备方法，包括：在基底上依次制备第一电极、压电层及第二电极；依次对第二电极、压电层及第一电极刻蚀，得到图形化的第二电极、压电层及第一电极，构成图形化的振动膜单元；图形化的振动膜单元为具有六个相同尺寸三角形；对基底进行刻蚀，使图形化的振动膜单元形成六个尺寸相同的沟槽间隙，得到器件；在器件的上表面沉积一层封装材料，使沟槽间隙封闭；对器件的下表面进行刻蚀，在图形化的振动膜单元的背面形成背部腔，且背部腔的外轮廓覆盖图形化的振动膜单元的外轮廓。本发明同时兼有封闭膜与不封闭式膜的压电MEMS扬声器的优点，既有较大的振动膜振动偏移位移，又不会产生声压级的泄露。

技术领域

本发明涉及MEMS微扬声器领域，具体地，涉及一种封闭式振动膜压电MEMS扬声器及其制备方法。

背景技术

微扬声器广泛应用于可穿戴电子产品，如手机、智能家电、耳机、电脑和人机界面。随着可穿戴电子设备的发展需求，微型扬声器的发展趋向于小型化、轻量化、低功耗、高声压级。MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技术的快速发展，使得更小更低功耗的器件成为现实，MEMS电动式、电容式和压电式微型扬声器提供了传统扬声器的可替代方案。

电动式MEMS微扬声器是根据电机原理来实现电声转换，电动式MEMS微型扬声器由于具有更好的声学性能而成为现有扬声器中最常见的类型。然而，电动式MEMS扬声器由于对磁体的要求，存在电流大、封装工艺复杂等缺点。传统的电动式微扬声器虽然能耗低、制造工艺变化大、音质中等，但仍没有被MEMS器件所取代。主要原因是管芯片尺寸相对较大且仍无法产生足够的声压级。静电式MEMS扬声器是利用两个独立的产生静电力的电极驱动隔膜并推动空气。虽然电容式MEMS微型扬声器是占据市场的主导扬声器产品，且由于静电扬声器具有振膜质量极轻，解析力极佳，能充分表现音乐神韵的优点，但其振动膜片位移和声压级受到间隙的限制，更有吸合效应和高驱动电压的应用局限性。压电MEMS微扬声器是基于压电薄膜材料的压电效应实现声压输出，与电容式MEMS微型扬声器相比，具有制造简单、信噪比高、响应速度快、无尘等优点。到目前为止，压电扬声器已经开发出各种压电材料，如ZnO、AlN、PZT、PMN-PT、PZN-PT等。PZT压电材料因其具有较高的压电电荷常数和机电耦合系数，而成为应用最广泛的一种压电材料。然而，MEMS压电扬声器面临着声压级相对较低的问题。

经过针对现有技术的检索发现：

Haoran Wang,Zhenfang Chen等人在Sensors and Actuators A:Physical撰写了“A high-SPL piezoelectric MEMS loud speaker based on thinceramic PZT”。报道了一种基于陶瓷PZT的圆形封闭膜压电MEMS扬声器，它可以在较小的驱动电压下产生高的声压级，且共振频率在4.2kHz，使得在20-20kHz的频率范围内声压级较高，但是封闭式振动膜的偏移位移不够大，阻碍了其声压级的进一步提高。

Hsu-Hsiang Cheng,Weileun Fang等人在“2020IEEE 33rd InternationalConference on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS)”会议撰写“Piezoelectricmicrospeaker using novel driving approach and electrode design for frequencyrange improvement”。介绍了一种包含边缘电极和中心电极的双电极驱动模式，不仅可以由边缘电极驱动膜片以活塞振动模式来维持低频时的声压级，而且还可以通过中心电极的驱动进一步增加高频时的声压级。改进后的压电MEMS扬声器，在2V_pp的驱动电压下，从2.6kHz到20kHz比以前设计的压电MEMS扬声器提高了15dB。虽然提高了低频时的声压级，但其在高频时声压级较低，在10kHz到20kHz之间甚至有时候只有52dB左右。