用于生成声信号的静电扬声器和方法

摘要

本申请公开了用于生成声信号的静电扬声器和方法。一种微机电系统(MEMS)静电扬声器，其包括单元的阵列，其中每个单元包括上定子、膜、下定子和被配置成支撑上定子、膜和下定子的支撑元件；其中每个单元的上定子和下定子之间的距离具有微观尺度。

权利要求

1.一种微机电系统(MEMS)静电扬声器，其包括单元的阵列，其中每个单元包括上定子、膜、下定子和被配置成支撑所述上定子、所述膜和所述下定子的支撑元件；其中每个单元的所述上定子和所述下定子之间的距离具有微观尺度。

2.根据权利要求1所述的MEMS静电扬声器，其中，所述上定子的区域的一部分被穿孔。

3.根据权利要求2所述的MEMS静电扬声器，其中，所述一部分沿着所述上定子的区域的大部分跨越。

4.根据权利要求2所述的MEMS静电扬声器，其中，所述一部分沿着所述上定子的区域的至少百分之九十跨越。

5.根据权利要求2所述的MEMS静电扬声器，其中，所述一部分被穿孔有微观范围的孔。

6.根据权利要求2所述的MEMS静电扬声器，在(a)孔的总尺寸与(b)所述上定子的面积之间的比率范围在0.2-0.8之间。

7.根据权利要求1所述的MEMS静电扬声器，其中，对于每个单元，所述单元的所述支撑元件中的至少一些与所述膜电气隔离。

8.根据权利要求1所述的MEMS静电扬声器，其中，对于每个单元，在所述膜的平面处，所述单元的所述支撑元件中的至少一些被空气间隙包围。

9.根据权利要求1所述的MEMS静电扬声器，其中，对于每个单元，在所述膜的平面处，所述单元的所述支撑元件中的至少一些被空气间隙和非导电材料中的至少一种部分地包围。

10.根据权利要求1所述的MEMS静电扬声器，其中，对于每个单元，所述支撑元件包括侧壁，其中所述侧壁与所述膜隔离。

11.根据权利要求1所述的MEMS静电扬声器，其中，对于每个单元，所述支撑元件包括通过支柱彼此连接的侧壁，其中在所述下定子的平面处，穿孔形成在所述支柱下方。

12.根据权利要求1所述的MEMS静电扬声器，其中，对于每个单元，所述支撑元件包括通过支柱彼此连接的侧壁，其中在所述下定子和所述支柱之间仅存在部分重叠。

13.根据权利要求1所述的MEMS静电扬声器，其中，对于每个单元，所述支撑元件包括通过支柱彼此连接的侧壁，其中在所述上定子的平面处，穿孔形成在所述支柱上方。

14.根据权利要求1所述的MEMS静电扬声器，其中，对于每个单元，所述支撑元件包括通过支柱彼此连接的侧壁，其中在所述上定子和所述支柱之间仅存在部分重叠。

15.根据权利要求1所述的MEMS静电扬声器，其中，对于每个单元，所述膜包括主体和将所述主体耦合到所述支撑元件中的至少一个的弹簧。

16.根据权利要求15所述的MEMS静电扬声器，其中，所述弹簧是线性的。

17.根据权利要求15所述的MEMS静电扬声器，其中，所述弹簧是非线性的。

18.根据权利要求15所述的MEMS静电扬声器，其中，所述弹簧是S形弹簧。

19.根据权利要求15所述的MEMS静电扬声器，其中，所述弹簧是U形弹簧。

20.根据权利要求1所述的MEMS静电扬声器，包括：上定子触点、下定子触点以及膜触点，所述上定子触点电耦合到所述阵列的多个单元的上定子，所述下定子触点电耦合到所述阵列的多个单元的下定子，所述膜触点电耦合到所述阵列的多个单元的膜。

21.根据权利要求20所述的MEMS静电阵列，其中，所述膜触点由膜触点支撑结构支撑，并且其中所述上定子触点由上定子触点支撑结构支撑。

22.根据权利要求21所述的MEMS静电阵列，其中，所述膜触点支撑结构与所述单元的阵列的任何下定子间隔开。

23.根据权利要求21所述的MEMS静电阵列，其中，所述上定子触点支撑结构与所述单元的阵列的任何下定子间隔开，并且与所述单元的阵列的任何膜间隔开。

24.根据权利要求20所述的MEMS静电阵列，其中，在所述下定子的平面处，所述触点支撑结构包括穿孔部分。

25.根据权利要求20所述的MEMS静电阵列，其中，在所述下定子的平面处，所述触点支撑结构包括围绕非导电区的导电框架。

26.一种用于操作微机电系统(MEMS)静电扬声器的方法，所述方法包括：向所述MEMS静电扬声器的单元的阵列的单元供应激活信号，其中对于所述阵列的多个单元，所述激活信号被供应给所述单元的上定子和下定子中的至少一个定子；其中所述激活信号的供应引起所述单元的阵列中的单元的膜在所述单元的上定子和下定子之间移动并生成声信号。

说明书

用于生成声信号的静电扬声器和方法

[0001] 交叉引用

[0002] 本申请要求2018年8月22日提交的美国临时专利62/721，126和2019年4月29日提交的美国临时专利62/839，778的优先权。

[0003] 背景

[0004] 静电扬声器显示出比传统锥形驱动器低两个数量级的失真，在振幅和相位上都显示出非常好的频率响应，可以使用在其整个表面上驱动的光阑(light diaphragm)，并且比其他扬声器具有更高的效率。

[0005] 另一方面，静电扬声器既大又贵。

[0006] 越来越需要提供一种紧凑且有成本效益的静电扬声器。

[0007] 概述

[0008] 可以提供一种高效、紧凑且高性能的静电扬声器。

附图说明

[0009] 关于本发明的主题在说明书的结束部分被特别指出并被清楚地要求保护。然而，本发明关于操作的组织和方法以及其目的、特征和优点，在参照附图一起阅读时，通过参考以下详细描述可得到最好的理解，其中：

[0010] 图1示出了单元横截面的示例；

[0011] 图2示出了单元的示例；

[0012] 图3示出了单元元件的示例；

[0013] 图4示出了单元元件的示例；

[0014] 图5示出了单元、下定子触点以及膜和上定子支撑结构的一部分的示例；

[0015] 图6示出了单元、膜触点以及上定子支撑结构的一部分的示例；

[0016] 图7示出了单元和上定子触点的示例；

[0017] 图8示出了下定子、膜和上定子触点以及下定子、膜和上定子支撑结构的示例；

[0018] 图9示出了部分的单元(膜)和支撑结构；

[0019] 图10示出了单元的一部分的横截面；

[0020] 图11示出了部分的单元和支撑结构；

[0021] 图12示出了MEMS静电扬声器的示例；以及

[0022] 图13示出了方法的示例。

具体实施方式

[0023] 在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、过程和部件，以免模糊本发明。

[0024] 关于本发明的主题在说明书的结束部分被特别指出并被清楚地要求保护。然而，当与附图一起阅读时，通过参考以下详细描述，可最好地理解本发明的关于操作的方法和组织以及其目的、特征和优点。

[0025] 将认识到，为了说明的简单和清楚，图中所示的元素不一定按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元素的尺寸可以相对于其他元素被放大。此外，在认为适当的情况下，参考数字可在多个图中重复以指示对应的或类似的元素。

[0026] 说明书中对系统的任何提及应当加以必要的变动而应用于可由该系统执行的方法。

[0027] 因为本发明的所示实施例在很大程度上可以使用本领域技术人员已知的微机电系统(MEMS)部件和电路来实现，所以细节将不会在比如上所述的必须考虑的那些在更大程度上进行解释，以便理解和领悟本发明的基本概念，并且以便不混淆或分散本发明的教导。

[0028] 说明书中对方法的任何提及应当加以必要的变动而应用于能够执行该方法的系统。

[0029] 提供了一种紧凑、成本有效且具有改进性能的MEMS静电扬声器。

[0030] MEMS静电扬声器可以包括多个单元。

[0031] 图1示出了MEMS静电扬声器的单元50的示例。MEMS静电扬声器包括单元的阵列。每个单元可以包括上定子40、膜30、下定子20和被配置成支撑上定子40、膜30和下定子20的支撑元件。从底部到顶部，支撑元件被表示为12、14、16和18。

[0032] 每个单元的上定子和下定子之间的距离具有微观尺度。微观尺度是指小于1微米到小于一定数量微米(例如2、4、6、10、20、30、40、50、60、70、80或90微米)之间。

[0033] 下定子和衬底之间的距离具有微观尺度，并且可以范围在例如4和6微米之间。

[0034] 下定子和膜之间的距离具有微观尺度，并且可以范围在例如4和6微米之间。

[0035] 上定子和膜之间的距离具有微观尺度，并且可以范围在例如4和6微米之间。

[0036] 下定子的厚度具有微观尺度，并且可以超过两微米(例如，可以范围在2和4微米之间)且特别是3微米。上定子的厚度具有微观尺度，并且可以超过两微米(例如，可以范围在2和4微米之间)且特别是3微米。膜的厚度具有微观尺度，并且可以范围在0.1和2微米之间。

[0037] 这些尺寸可以提供成本有效、紧凑的MEMS静电扬声器，该静电扬声器可以生成超过100dB的SPL，并且可以使用低电压(例如，在10和20伏之间)来操作。上述尺寸仅仅是尺寸的非限制性示例。

[0038] 支撑元件的示例可以在美国专利申请15/072,379(8747-US)和美国专利申请15/071,230(8747-US1)中找到，这两个专利申请都通过引用并入本文。

[0039] MEMS静电扬声器可以以各种方式操作。例如，它可以被馈送某个最大电压Vmax。

[0040] 膜充有电荷Q＝C*Vmax，其中C是膜相对于保持在V＝0下的两个定子的容量。

[0041] 衬底可以保持在V＝0处。

[0042] 代表音频的激励信号可以以下列方式之一被馈送到定子：

[0043] 定子之一(例如，下定子)保持在V＝0处，而第二定子(例如，上定子)由代表音频信号的电压(Signal)馈电。

[0044] -Amp

[0045] 对于Signal>0:V_LowerStator＝0，V_UpperStator＝Vmax*(Signal/Amp)对于Signal<＝0:V_UpperStator＝0，V_LowerStator＝Vmax*(-Signal/Amp)又例如，可以提供“推挽式”模式，其中定子之一可以将膜推向另一个定子：

[0046] 对于Signal>0:V_UpperStator＝Vmax*(Signal/Amp),V_LowerStator＝-V_UpperStator，

[0047] 对于Signal<＝0:V_LowerStator＝Vmax*(-Signal/Amp),V_UpperStator＝-V_LowerStator

[0048] 在一个单元中，上定子的区域的一部分被穿孔。该部分可以沿着作为上定子区域的一部分(例如5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％甚至更多)的区域跨越。

[0049] 穿孔区域可以穿孔有孔，该孔的直径(圆形孔的情况下)可以在1微米以下和几十微米以下之间。例如，在1和50微米之间，或者1-50微米范围内的任何子范围。

[0050] 非圆形的孔可以具有微观范围的宽度和/或长度。

[0051] 孔可以具有相同的形状和/或相同的尺寸。

[0052] 至少一个孔可以在形状和/或尺寸上不同于另一个孔。

[0053] 在(a)孔的总尺寸和(b)上定子的面积之间可以有一个比率，其范围可能在0.1以下一直到1之间。例如，该比率可以范围在0.2和0.8之间，或者在0.2和0.8范围内的任何子范围内。

[0054] 下定子也可以至少部分地被穿孔。

[0055] 下定子可以以与上定子穿孔相同的方式(例如，孔的数量、孔的位置、孔的尺寸、孔的形状、孔的空间分布等)穿孔，或者可以以不同的方式穿孔。

[0056] 代表音频的一个或更多个信号可以被馈送到上定子和下定子中的至少一个。上定子和下定子之间的电压差导致膜在上定子和下定子之间移动并生成音频信号。

[0057] 膜和定子可以由各种材料制成，例如，由多晶硅(PolySi)或金属(例如铝)制成。

[0058] 图2示出了MEMS静电扬声器的单元50的示例。MEMS静电扬声器包括单元的阵列。每个单元可以包括上定子40、膜30、下定子20和被配置成支撑上定子40的支撑元件。

[0059] 图3示出了单元的元件的示例。

[0060] 单元51被示出为具有侧壁，但是为了解释简单起见，没有显示膜或定子。

[0061] 上定子或下定子(在下文中为定子)52、53、54、55和56示出了孔61的不同分布以及不同尺寸的孔。

[0062] 图4示出了单元的元件的示例。

[0063] 膜75和74分别具有将主体81机械耦合到支撑元件83的S形或U形弹簧(82)。

[0064] 膜71、72和73示出了将主体81机械耦合到支撑元件83的线性(腿形)弹簧82和82。定子71、72和73还示出了可用于结构释放的孔61。

[0065] 可以以各种方式执行向上定子和下定子中的任何一个提供激活信号以及任何偏置或其他信号。根据不同的实施例，提供了用于减少这些信号的不想要的影响的装置，例如减少由寄生电容或不想要的电容引起的失真。

[0066] 图5-8示出了MEMS静电扬声器可以包括电耦合到阵列的多个单元的上定子的上定子触点93(6)、电耦合到阵列的多个单元的下定子的下定子触点91(2)以及电耦合到阵列的多个单元的膜的膜触点92(4)。

[0067] 膜触点92(4)由膜触点支撑结构92'支撑，该支撑结构92'包括(从底部到顶部)第一绝缘体92(1)、导电元件92(2)和第二绝缘体92(3)。导电元件92(2)位于下定子的水平面处，并与下定子间隔开。

[0068] 上定子触点由上定子触点支撑结构93'支撑，该支撑结构93'包括(从底部到顶部)第一绝缘体93(1)、第一导电元件93(2)、第二绝缘体93(3)、第二导电元件93(4)和第三绝缘体93(5)。第一导电元件93(2)位于下定子的水平面处，并与下定子间隔开。第二导电元件93(4)位于膜的水平面处，并与膜隔开。

[0069] 导电元件与不同层的间隔减少了任何激活信号到错误层的注入。

[0070] 侧壁或其他结构元件应该与膜和/或上定子和/或下定子隔离。这可以防止或至少减少通过馈送到定子的激活信号和/或馈送到膜的偏压或其他信号来对侧壁充电。

[0071] 图9示出了多个单元的多个膜，侧壁115的一些部分通过空气间隙116和通过由绝缘材料制成的隔离物117与膜隔离。孔62显示在膜中，并且可以用作MEMS工艺流程中的释放孔。侧壁的一些部分可以以任何其他方式与膜隔离，例如，它们可以完全被空气间隙包围、完全被绝缘材料包围等等。

[0072] 图10示出了MEMS静电扬声器的单元的横截面的示例。

[0073] MEMS静电扬声器的单元包括上定子、膜、下定子、支撑元件、衬底和用于提供电信号的电气部件(例如，绝缘体和导体(未显示))，例如上定子和下定子中每一个的一个导体。

[0074] 膜位于上定子和下定子之间。

[0075] 自下而上，MEMS静电扬声器包括：

[0076] a.衬底101。

[0077] b.第一绝缘体102。

[0078] c.下定子103。

[0079] d.第二绝缘体104。

[0080] e.膜105。

[0081] f.第三绝缘体106。

[0082] g.上定子107。

[0083] 为了减小上定子和上定子触点支撑结构的第一导电元件和/或第二导电元件中任何一个之间的电容，这些导电元件中的任何一个都可以被穿孔(例如，导电元件被成形为填充在隔离材料内的框架)。

[0084] 为了减小膜触点到膜支撑结构的导电元件之间的电容，导电元件被穿孔(例如，导电元件被成形为填充在隔离材料内的框架)。

[0085] 下定子与膜和/或膜与上定子可以作为电容器的极板，而单元的侧壁或任何其他支撑元件可以在极板之间形成介电材料。为了减小这种电容器的不想要的电容，可以例如通过在膜和/或下定子和/或上定子中与侧壁和/或其他结构元件的潜在接触区域处形成穿孔来减小这些“极板”的面积。

[0086] 在图11中示出了这种孔130。孔位于连接到多个侧壁的支柱上方。

[0087] 任何附图都可以按比例绘制，也可以不按比例绘制。

[0088] 图12示出了包括单元50的阵列的MEMS静电扬声器10。MEMS静电扬声器10的上层包括阵列单元的上定子40，MEMS静电扬声器10的中间层包括阵列单元的膜30，并且MEMS静电扬声器10的下层包括阵列单元的下定子20。还有支撑元件，其被配置成支撑上定子、膜和下定子。图12还示出了用于向上定子和下定子提供激活信号并向膜提供偏置或其他信号的信号源。

[0089] 假设单元以相互平行的方式电耦合，但是可以提供任何布置。至少一个单元可以独立于另一个单元进行馈电。

[0090] 图13示出了方法200。

[0091] 方法200可以包括操作说明书中示出的任何MEMS静电扬声器的步骤210。

[0092] 步骤210可以包括向属于MEMS静电扬声器的单元阵列的单元提供激活信号，其中对于阵列的多个单元，激活信号被供应给单元的上定子和下定子中的至少一个定子。激活信号的供应引起单元阵列的单元的膜在单元的上定子和下定子之间移动，并生成声信号。

[0093] 应当注意，关于任何附图，单元的形状和/或尺寸和/或位置、单元的阵列、每个元件的形状和/或尺寸和/或位置、每个元件的穿孔的形状和/或尺寸和/或位置、穿孔的数量、每阵列的单元数量以及这些附图中示出的任何尺寸仅仅是非限制性的示例。

[0094] 对术语“包括(comprise)”、“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(including)”、“可包括(may include)”以及“包括(includes)”中的任何一个的任何提及可以适用于术语“由...组成(consists)”、“由...组成(consisting)”和“基本上由...组成”。

[0095] 在前述说明书中，已经参考本发明的实施例的具体示例描述了本发明。然而，显然在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以在其中进行各种修改和改变。

[0096] 此外，在说明书中和权利要求中的术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“在...之上”、“在...之下”和诸如此类(如果有的话)用于描述性目的，且不一定用于描述永久相对位置。应当理解，这样使用的术语在适当的情况下是可互换的，使得本文所描述的本发明的实施例例如能够在除了本文所示出或以其他方式描述的那些方向之外的其它方向上操作。

[0097] 本领域技术人员将认识到，MEMS元件之间的边界仅仅是说明性的，并且可选实施例可以合并MEMS元件，或者对各种MEMS元件施加功能的替代分解。因此，应当理解，本文所描述的体系结构仅仅是示例性的，并且实际上可以实施实现相同功能的许多其它体系结构。

[0098] 实现相同功能的部件的任何布置被有效地“关联”，使得实现期望的功能。因此，本文中被组合以实现特定的功能的任何两个部件都可以被看作彼此“相关联”，使得期望的功能被实现，无论体系结构或中间部件如何。同样，这样关联的任何两个部件也可以被视为彼此“可操作地连接”或“可操作地耦合”以实现期望的功能。

[0099] 此外，本领域技术人员将认识到，上述操作之间的边界仅是说明性的。多个操作可以组合成单个操作，单个操作可以分布在附加操作中，并且操作可以在时间上至少部分地重叠地执行。此外，可选实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在各种其它实施例中可以改变操作的顺序。

[0100] 此外例如，在一个实施例中，所示示例可以被实现为位于单个MEMS设备上的电路。另选地，这些示例可实施为任何数目的单独的MEMS设备或以合适方式彼此互连的单独的MEMS设备。然而，其它修改、变化和替代也是可能的。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。

[0101] 权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应被解释为限制权利要求。词“包括”不排除除了在权利要求中列出的那些之外的其他元件或步骤的存在。此外，如本文所使用的术语“一个(a)”或“一个(an)”被定义为一个或多于一个。权利要求中的引导性短语(例如，“至少一个”和“一个或更多个”)的使用不应被解释为暗示由不定冠词“一(a)”或“一(an)”引入另一个权利要求要素将包含这样引入的权利要求要素的任何特定权利要求限制为仅包含一个这样的要素的发明(即使同一权利要求包括引导性短语“一个或更多个”或“至少一个”和不定冠词(例如“一(a)”或“一(an)”))。同理适用于定冠词的使用。除非另有说明，否则诸如“第一”和“第二”的术语用于任意地区分此类术语所描述的元素。因此，这些术语不一定旨在指示这样的要素的时间或其他优先级。

[0102] 虽然本文已经图示和描述了本发明的某些特征，但是本领域普通技术人员将想到许多修改、替换、改变和等同物。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。