CN113163311A - Mems扬声器和电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种MEMS扬声器和电子设备，该MEMS扬声器具有较好的性能。该MEMS扬声器具有互相平行的上底面和下底面，二者之间具有侧壁，上底面、下底面、侧壁中的一者或多者具有通孔；所述扬声器中的执行器连接于所述侧壁，振动方向大体平行于上底面和下底面；执行器具有多个平行的板状分支。

Description

MEMS扬声器和电子设备

技术领域

本发明涉及一种MEMS扬声器和电子设备。

背景技术

微型扬声器目前被广泛的应用于各类小型化微型化的声学器件、电子设备，用于多媒体及电子娱乐设备之中。基于MEMS(微机电系统)执行器的MEMS扬声器是实现微型扬声器的一种新的重要手段，其核心工作原理是利用压电材料实现声能(机械能)-电能的耦合和相互转化。

目前，扬声器的小型/微型化是业内的关注点之一。由于尺寸小，扬声器的性能(如输出声压)提升受到一定的制约。如何在小尺寸/小空间下进行扬声器的内部结构优化设计是影响微型扬声器性能的关键要素。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种MEMS扬声器和电子设备，该MEMS扬声器具有较好的性能。本发明提供如下技术方案：

一种MEMS扬声器，其壳体具有互相平行的上底面和下底面，二者之间具有侧壁，上底面、下底面、侧壁中的一者或多者具有通孔；所述扬声器中的执行器连接于所述侧壁，振动方向大体平行于上底面和下底面；执行器具有多个平行的板状分支。

可选地，按所述振动方向，相邻分支之间有且只有1个所述通孔；该通孔的空气流量不小于所述壳体与执行器分支之间空隙的空气流量。

可选地，执行器的各分支的硅基骨架的两侧面上直接附着压电层，压电层上附着电极层；或者，执行器的各分支的硅基骨架的两侧面上直接附着底电极，底电极上依次附着压电层、顶电极；或者，执行器的各分支的硅基骨架的两侧面上直接附着晶种层，晶种层上依次附着底电极、压电层、顶电极。

可选地，所述硅基骨架的材料为N型或P型掺杂硅。

可选地，所述掺杂硅的导电率低于2000欧姆厘米。

可选地，执行器的各分支的侧面垂直于上底面和/或下底面；在靠近执行器分支与所述侧面的连接处，相邻的两个执行器的分支之间的侧面具有向扬声器内部延伸的延伸部，该延伸部在水平方向的投影呈五边形。

可选地，执行器的硅基骨架侧面的粗糙度不大于50nm。

可选地，该扬声器采用<110>型硅制作。

可选地，该扬声器的下底面顶部的边缘具有一圈环形凸起，并且/或者，该扬声器的上底面底部的边缘具有一圈环形凸起。

可选地，所述环形凸起为上底面或下底面的材料刻蚀而成，或者为沉积在上底面或下底面的沉积层，或者为SOI型晶圆的二氧化硅层。

可选地，执行器为多层；所述扬声器的各层的侧壁之间有一圈环形凸起，该环形凸起为沉积材料层或者为SOI型晶圆的二氧化硅层，或者为侧壁的材料刻蚀而成。

可选地，执行器为1层；执行器的各分支的上顶面与所述上底面的距离不超过20um，或者不超过5um，并且/或者，执行器的各分支的下顶面与所述下底面的距离不超过20um，或者不超过5um。

可选地，执行器为上下分布的2层或多层；相邻的两层执行器中，上层执行器的下顶面与下层执行器的上顶面的距离不超过20um，或者不超过5um。

可选地，执行器的各分支的一端连接至扬声器的第一侧壁，另一端为自由端，与第一侧壁相对的侧壁至该自由端的距离不超过100um，或者不超过30um；或者，执行器的分支分为第一组和第二组，分别连接至扬声器的相对的两个侧壁，第一组的各分支和第二组的各分支两两对齐，对齐的两个分支的顶端距离不超过100um，或者不超过30um；或者，执行器的分支分为第一组和第二组，分别连接至扬声器的相对的两个侧壁，第一组的各分支和第二组的各分支两两交错，交错的两个分支的侧壁距离不超过100um，或者不超过30um。

可选地，执行器的各分支的两端分别连接至扬声器的一组相对的侧壁。

一种电子设备，包含本发明所述的MEMS扬声器。

根据本发明的技术方案，MEMS扬声器的通孔和执行器有特定的排布，并且内部各间隙有尺寸要求，有助于提高扬声器的输出声压。该MEMS扬声器应用于电子设备时，占用空间小，并且音量大。扬声器壳体与执行器分支之间空隙可以提高执行器的位移灵敏度，但空隙过大将影响扬声器的输出声压。采用湿法对<110>型硅晶圆进行刻蚀，利用晶体的各向异性形成垂直度和光洁度良好的执行器侧壁，有助于提高扬声器的输出声压。在此基础上，再结合Bosch工艺，可以提高扬声器的气密性。

附图说明

为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：

图1A是根据本发明实施方式的MEMS扬声器的外形立体结构的示意图；

图1B是根据本发明实施方式的MEMS扬声器的分解结构的示意图；

图1C是根据本发明实施方式的MEMS扬声器的执行器的结构的示意图；

图1D是根据本发明实施方式的扬声器执行器的整体结构的示意图；

图1E和图1F分别是根据本发明实施方式的功能基底横向和纵向扩展的示意图；

图2A是根据本发明实施方式的MEMS扬声器的剖面的示意图；

图2B是根据本发明实施方式的MEMS扬声器的执行器的材料层的一种结构的示意图；

图2C是根据本发明实施方式的MEMS扬声器的执行器的材料层的另一种结构的示意图；

图2D是根据本发明实施方式的MEMS扬声器的执行器的振动模式的示意图；

图2E和图2F是图2A所示结构中的执行器振动时空气流动方向的示意图；

图2G为从图2E中截取的局部；

图2H为根据本发明实施方式的MEMS扬声器的执行器分支的端部与扬声器内壁之间空气流动的示意图；

图2I为根据本发明实施方式的MEMS扬声器的壳体的U型通孔的示意图；

图2J是图2I中D1部分的俯视示意图；

图3A至图3E是根据本发明实施方式的MEMS扬声器的内部间隙的示意图；

图3F为根据本发明实施方式的执行器分支与扬声器壳体的纵向间隙与扬声器的输出声压的关系的示意图；

图3G为根据本发明实施方式的执行器分支与扬声器壳体的横向间隙与扬声器的输出声压的关系的示意图；

图4A至图4C是根据本发明实施方式的MEMS扬声器的纵向间隙的形成方式的示意图；

图4D是本发明实施方式涉及的SOI型晶圆的结构的示意图；

图5A和图5B是根据本发明实施方式的在SOI型晶圆上进行刻蚀以形成执行器分支的中间状态的示意图；

图6A至图6E是本发明实施例涉及的晶向的示意图；

图6F是<110>晶面和<111>晶面在晶圆上的交线的示意图；

图7A是根据本发明实施方式的掩膜的示意图；

图7B是使用图7A的掩膜进行湿法刻蚀的效果的示意图；

图8是根据本发明实施方式的刻蚀过程的示意图；

图9A是根据现有技术中刻蚀方式得到的硅表面的扫描电镜成像；

图9B是根据本发明实施方式的刻蚀方式得到的硅表面的扫描电镜成像；

图10A和图10B是根据本发明实施方式的湿法刻蚀时形成的执行器分支与扬声器内壁距离变化的示意图；

图11A和图11B是根据本发明实施方式的形成执行器分支端部间隙的示意图。

具体实施方式

在本发明实施方式中，对于本发明的MEMS扬声器的结构和制作方法加以举例说明。图1A是根据本发明实施方式的MEMS扬声器的外形立体结构的示意图。如图1A所示，这种MEMS扬声器外形呈长方盒状，具有互相平行的上下底面和二者之间的四个侧壁。当然也可以是多边形底面从而有多个侧壁。在基本结构方面，该扬声器包含形成下底面的第一封装基底C1，和形成侧壁以及执行器的功能基底D1，以及形成上底面的第二封装基底C2。其中M3为一假想的剖面。为了便于理解，本文的各图所标示出的坐标系为一致化的坐标系。

若将图1A中的结构沿Z方向拆解，可得到图1B所示的分解图。图1B是根据本发明实施方式的MEMS扬声器的分解结构的示意图，其中C1上分布着一列通孔，其中某一个通孔为Vj；同样，分布于C2上的一列通孔中的某一个为Uk；此外D1除了周边框架结构，在其内部还可见多个平行的板状的执行器分支，各分支的总体构成扬声器的执行器，在压电效应下振动从而输出声压。

扬声器的执行器的振动方向在XY平面，可以形象地理解为类似于鱼鳍的左右摆动，所以这种扬声器也可以叫做鳍片型扬声器，执行器的一个分支相当于一个鳍片，执行器整体呈鳍片阵列结构。图1C是根据本发明实施方式的MEMS扬声器的执行器的结构的示意图，其中示出了将D1周边框架切除一部分的状态，可以看到各鳍片例如某一个鳍片Fn的结构，其呈长板状，一端连接于D1内壁，另一端为自由端。在后文中还可以看到鳍片的其他可行结构。

D1的俯视状态如图1D所示，图1D是根据本发明实施方式的扬声器执行器的整体结构的示意图，其中区域F为鳍片所在区域。从图1D中还可注意到每个鳍片一端(按图中视角为上端)与周边框架相连接而另一端(按图中视角为下端)悬空并与框架内壁保持微小的间隙。

图1E和图1F分别是根据本发明实施方式的功能基底横向和纵向扩展的示意图。如图1E所示，可将功能基底D1复制得到D2然后如图1E所示进行水平方向拼接，或如图1F所示进行竖直方向拼接。

以下对于本发明实施方式中的MEMS扬声器的进一步结构细节进行说明，并结合说明执行器的运行方式。

图2A是根据本发明实施方式的MEMS扬声器的剖面的示意图。如图2A所示，若将图1A按照剖面M3剖开，可获得图2A所示的结构剖面图：此处为了展示清晰，作为示意，减少了鳍片和通孔的数量，仅示出了鳍片F1至F7，以及上方的通孔V1至V4和下方的通孔U1至U4。由图2A可知，每个鳍片在剖视图中的上下端面均与C1或C2的内壁保持微小间隙。

图2B是根据本发明实施方式的MEMS扬声器的执行器的材料层的一种结构的示意图。如图2B所示，执行器的一个分支例如Fn由内向外依次如下：

F00：硅基骨架，材料为单晶硅或多晶硅；

F01：晶种层，包含AlN或其他辅助压电层生长的薄膜材料；

F02：底电极，材料可选Mo、Pt等常用电极材料；

F03：压电层，AlN、掺杂AlN、PZT等常用压电薄膜材料；

F04：顶电极，材料可选Mo、Pt、Au、Al等常用电极材料。

骨架F00每一侧的材料层F02、F03、F04均构成一个压电三明治结构，当在电极F02和F04之间施加交变电压时，压电层F03便会在压电效应的作用下发生振动，适当调整每个骨架F00两侧三明治结构的电压相位差，就可以实现两侧三明治结构向同一方向带动骨架F00运动，从而实现鳍片振动。同理，适当调整相邻鳍片的电压相位关系，可实现相邻的鳍片朝着相反的方向运动，例如图2D所示，图2D是根据本发明实施方式的MEMS扬声器的执行器振动状态的示意图，其中某一鳍片Fn与其相邻的两个鳍片Fn-1和Fn+1运动方向均相反。

此外，位于硅基骨架F00侧面上的电极和压电层还可以按照图2C的方式分布，图2C是根据本发明实施方式的MEMS扬声器的执行器的材料层的另一种结构的示意图，该结构与图2B所示结构的区别在于：图2C中压电层F03直接生长于F00侧面，而不在包含晶种层F01和电极层F02。F00通过图形化低阻硅实现，并利用低阻硅的导电特性将F00作为电极。在2C所示的结构中，通过在硅基骨架F00上施加参考电位，并在两侧电极层F04上施加与参考电位不同的电位；当两侧F04的电位相位相反时，即可实现与图2B结构相同的振动模式，该振动模式如图2D所示，图2D是根据本发明实施方式的MEMS扬声器的执行器的振动模式的示意图。并且这种结构设计不仅可以通过直接使用低阻硅大幅降低成本，省去了一部分金属电极的制作，还可以减少在硅基F00上形成的电学损耗，从而提电能-机械能转换效率。

基于上述运动规则，当图2A所示的静态结构开始工作时，便会出现图2E和2F所示的情形。图2E和图2F是图2A所示结构中的执行器振动时空气流动方向的示意图。图2A、图2E、图2F中，按照执行器分支的分布方向，即图中的x方向，通孔和执行器分支的分布规律是：U1-F1-V1-F2、U2-F3-V2-F4、……。即相邻分支之间有且只有一个通孔，该通孔为上方通孔或下方通孔。按照这种分布的特点，对于图2E所示的鳍片运动状态，以鳍片F1-F3为例，其中F1与F2相向运动，而F2与F3相离运动，从而导致F1与F2之间的空间被压缩，而F2与F3之间的空间则被拉伸，根据气体平衡法则，原本处于F1与F2之间一部分空气势必被通过C1上且处于F1和F2之间的通孔排挤到大气环境中(如图中的C1中的向上箭头所示)，而大气环境中的一部分气体也会通过C2上且处于F2和F3之间的通孔被吸入F2和F3之间的空间(如图中的C2中的向上箭头所示)。

同理，对于图2F所示的鳍片运动状态，仍以鳍片F1-F3为例，其中F2与F3相向运动，而F1与F2相离运动，从而导致F2与F3之间的空间被压缩，而F1与F2之间的空间则被拉伸，根据气体平衡法则，原本处于F2与F3之间一部分空气势必被通过C2上且处于F2和F3之间的通孔排挤到大气环境中(如图中的C1中的向下箭头所示)，而大气环境中的一部分气体也会通过C2上且处于F1和F2之间的通孔被吸入F1和F2之间的空间(如图中的C2中的向下箭头所示)。

这样，图2E和2F中的运动组合在一起便在每一个通孔出口处形成了一次完整周期的空气振动，周而复始的空气振动便形成声波传播到外部环境中。单位时间内通孔内的气体通量越大，则扬声器输出的声压就越高(声音越响亮)。在上述过程中，假设鳍片运动频率一定且C1、C2和D1之间密封状态良好，直接影响通孔单位时间内与外界大气交换气体量的因素主要有以下三个：

(1)鳍片的振幅

鳍片振幅越大，对相邻鳍片之间的空间挤压/拉伸幅度就越大，单位时间排出/吸入的空气量也就越多。

(2)每两个鳍片间空间与相邻鳍片间空间的连通性

鳍片间空间的连通性越差，该空间对空气的密闭性就越好，当两侧鳍片对空间中空气进行挤压或者扩张时，可确保不会发生“漏气”。

(3)通孔的声阻或者外界与鳍片间空间的连通性

通孔的声阻越小，或者说外界与鳍片间空间的连通性越好，当两侧鳍片对空间中空气进行挤压或者扩张时，可确保空气振动由鳍片间空间穿过声孔向外界传播。

以下通过图2G和图2H对因素(2)中的“连通性”对声压的影响进行说明。图2G为从图2E中截取的局部，以F1-F3为例，当鳍片F1和F2相向运动，若鳍片的上下端面与封装基底C1C2的内表面距离过大时，就会有可观数量的空气分子沿图中箭头方向从F1F2之间的空间进入“隔壁”空间，从而导致由V1孔排出的空气量减少，此外由箭头方向进入F2和F3之间的空气分子还会导致由U2孔吸入的空气量减少，从而导致扬声器输出声压下降，该类间隙称为纵向间隙或Z向间隙。同理，对于如图1G所示的纵向拓展结构，上述纵向间隙还存在于相邻层的鳍片之间。此外，如图2H所示，图2H为根据本发明实施方式的MEMS扬声器的执行器分支的端部与扬声器内壁之间空气流动的示意图，其中鳍片自由端与框架侧壁间的间隙中也会有空气通过，气流方向类似如图中箭头所示，因此该间隙的大小也会对声压输出造成同样的影响，该类间隙称为横向间隙或XY向间隙。

当鳍片振幅一定时，通孔的空气流量越大于壳体与执行器分支之间空隙的空气流量，则扬声器输出的声压越高；换句话说，当鳍片振幅一定时，通孔的声阻约小于壳体与执行器分支之间空隙的声阻，则扬声器输出的声压越高。因此，通孔的空气流量应大于所述壳体与执行器分支之间空隙的空气流量，通孔的声阻应小于所述壳体与执行器分支之间空隙的声阻。

图2I为根据本发明实施方式的MEMS扬声器的壳体的U型通孔的示意图；图2J是图2I中D1部分的俯视示意图。通孔Vj和Uk的位置还可以存在变化，例如可如图2I和图2J所示，图2I为根据本发明实施方式的MEMS扬声器的壳体的U型通孔的示意图，其中将通孔Vj和Uk分别设置在D1相对的两个框架侧壁上，而在C1和C2上不再设置通孔。

图2J是图2I中D1部分的俯视示意图(为了示意清楚，鳍片和通孔的数量在俯视图中有意减少)，由俯视图可知，通孔V1-V4和通孔U1-U5是交错分布的，其具体含义为当两个相邻鳍片(例如F1和F2)之间的框架D1上设置了V通孔时，所述两鳍片之间不可再设置U通孔，反之亦然。这样可以确保当V通孔进气时，U通孔排气，反之亦然。

需要指出的是，通孔位置的安排还可以存在其他变化，例如C1上的Vj和D1上的Uk组合或者D1上的Vj和C2上的Uk组合等。

为了保证通孔的空气流量大于所述壳体与执行器分支之间空隙的空气流量，通孔的声阻小于所述壳体与执行器分支之间空隙的声阻，本发明实施方式给出这种MEMS扬声器的一些尺寸的可选及优选值，参见图3A至图3E，是根据本发明实施方式的MEMS扬声器的内部间隙的示意图。

对于纵向间隙，每个鳍片上、下顶面分别与上、下封装基底的内表面的间隙宽度d1和d2(如图3A)不超过20um，优选的不超过5um。对于纵向层叠拓展结构，要求某一层中的某个鳍片的上/下顶面和邻层中位于所述鳍片正上/正下方的鳍片的下/上顶面的间隙宽度d3(如图3B所示)不超过20um，优选的不超过5um。

对于横向间隙，根据使用的工艺不同，可有为图3C至图3E所示的几种变化，在图3C中横向间隙d4被定义为每个鳍片的端面到框架内壁的距离，在图3D中横向间隙d5被定义为每个鳍片的端面到对侧短鳍片端面的距离，在图3E中横向间隙d6被定义为每个鳍片的侧壁与对侧短鳍片的侧壁的距离。d4、d5、d6的值不超过50um，优选的不超过20um。

图3F为根据本发明实施方式的执行器分支与扬声器壳体的纵向间隙与扬声器的输出声压的关系的示意图。图3F中，自上至下的6条折线分别对应于纵向间隙分别为1、3、5、10、20、50微米。由图可见，d1和d2越大，声压级越低，尤其在低频段差距更明显。在500Hz时，5微米间距导致3dB的声压损失，20微米的间距导致20dB的声压损失。

图3G为根据本发明实施方式的执行器分支与扬声器壳体的横向间隙与扬声器的输出声压的关系的示意图。图3G中，自上至下的7条折线分别对应于纵向间隙分别为1、3、5、10、20、50、100微米。由图可见，d4越大，声压级越低，尤其在低频段差距更明显。在500Hz时，20微米间距导致10dB的声压损失，50微米的间距导致20dB的声压损失。

纵向间隙的形成方式可参考图4A至图4C，其中可以用到SOI型晶圆。图4A至图4C是根据本发明实施方式的MEMS扬声器的纵向间隙的形成方式的示意图。图4D是本发明实施方式涉及的SOI型晶圆的结构的示意图，其中TS为顶硅，OX为二氧化硅层，BS为底硅。

对于d2的形成，可参考图4A，在C2的上表面边缘具有二氧化硅材质的一圈凸起CR2，CR2的高度即为d2。可以利用SOI型晶圆的二氧化硅层来实现。即用SOI型晶圆的顶硅加工形成D1，中间的二氧化硅层形成CR2，底硅形成C2。这种情况下D1和CR2实际上不存在分离状态，图中仅为示意。另外，也可以不采用SOI型晶圆，而是在一块硅基底上形成C2，以及在该硅基底上刻蚀形成D1，或者在该硅基底上沉积材料从而形成D1。

对于d1的形成，可以是C1下表面边缘的凸起的高度，其形成方式可参考d2的形成。如果C1是用单独一块硅基底形成，参考图4B，可在加工完成之后翻转覆盖到D1上。在C1和C2中的一者采用SOI型晶圆，那么另一者即可单独采用一块硅基底进行制作。

对于d3的形成，可参考图4C，如果执行器为D1和D2两层，可以在其中一层例如D1的边缘形成一圈凸起DR1，然后翻转覆盖到D2上。类似于上述d1和d2，可以采用SOI型晶圆制作D1，此时该DR1即为二氧化硅层形成；也可以采用硅基底制作D1，此时在该硅基底上刻蚀可形成该DR1，或者在该硅基底上沉积材料形成该DR1。

对于横向间隙，可以采用Bosch工艺结合图形化掩模的方式来实现，间隙尺寸由掩模窗口尺寸决定。此外，横向间隙还可以采用机械加工方式实现，较为常见的是采用圆盘硅晶圆划片刀，通过高速旋转对鳍片结构末端进行切割得到，此时间隙尺寸由刀片厚度，刀片转速以及进给速度等参数决定。对于图3C和图3D，可以先用图形化掩模制作出不包含d4和d5的执行器分支，即执行器分支两端连接扬声器侧壁，然后再在图中标示d4和d5之处进刀切割。

对于图3E，可以先用图形化掩模的方式形成不存在间隙d6的状态，即此时形成折线形的硅基骨架，然后再在图3E的上、下方执行器分支的连接处例如标示的d6之处进刀切割。

以下再对于本发明实施方式中的MEMS扬声器的执行器加工方式作进一步说明。

本发明实施方式中，如前文提及的，采用图4D所示的SOI型晶圆来加工执行器。可参考图5A和图5B，图5A和图5B是根据本发明实施方式的在SOI型晶圆上进行刻蚀以形成执行器分支的中间状态的示意图。其中图5A为立体状态图，图5B是图5A相应的线条图。加工时，总体而言，在SOI型晶圆的顶硅上形成多个平行的槽，槽的壁即作为执行器分支；槽底为SiO2层，需要全部作为牺牲层去除或者只留周围的一圈，可参考图4A中的CR2。这个各执行器分支即上下悬空从而可以摆动。

在进行刻蚀时，本发明实施方式提出选取<110>型硅晶圆进行刻蚀，以形成垂直度良好的执行器侧面。关于晶向可参考图6A至图6E，图6A至图6E是本发明实施例涉及的晶向的示意图。图6A至图6E中，每个立方体都是一个晶格元胞，图6A中的阴影平面为<110>晶面，图6B至图6E中的阴影平面为<111>晶面，其中图6C和图6D中的阴影平面平行，其与<110>晶面的交线为Q1；图6B和图6E中的阴影平面平行，其与<110>晶面的交线为Q2，此处的Q1和Q2示于图6F中，图6F是<110>晶面和<111>晶面在晶圆上的交线的示意图。如图6F所示，晶圆W1与<110>晶面平行，则与晶圆W1垂直的平面(在图中即体现为一条直线)可以分为两组，一组与Q1平行，另一组与Q2平行。这两组之间夹角约为70.53°。另外图6F中示出了晶圆的倒角B1，其基本上平行于Q1。

因此本发明实施方式中，在进行刻蚀时，参考图4D，按图4D的视角，其上表面为<110>晶面，沿垂直于<110>晶面的方向即竖直向下的方向进行刻蚀，则可以得到严格向下延伸即与刻蚀方向垂直的侧而，也就是说不会有倾斜的侧面(如果不按上述方向操作，则会由于晶体的各向异性，会产生非竖直方向的侧面)，而且该侧面在水平方向上与Q1或者Q2平行。

操作时可在高温(80-120摄氏度)碱性溶液(20％-60％质量浓度的氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)溶液或其它碱性溶液)对<110>型硅晶圆进行湿法刻蚀。其中所用的掩膜如图7A和图7B所示，图7A是根据本发明实施方式的掩膜的示意图，图7B是使用图7A的掩膜进行湿法刻蚀的效果的示意图。本发明实施方式中的掩膜外轮廓为矩形，在实现中也可以采用其他形状，但掩膜窗口需要相应于执行器分支的形状。将图7A中的掩膜M2铺在图4D的SOI型晶圆的TS层上表面，并且L方向与上述的Q1或Q2方向平行。刻蚀之后得到图7B的状态，该状态的立体图即为图5A和图5B(图5A和图5B示出了晶圆的一部分)。由于晶体各向异性的作用，在条形掩膜窗口的左右两端形成了倾斜面P4，以及<111>晶面P5。P1面和P0面为<110>晶面，P2面和P3面平行，为<111>晶面，即如果P2面和P3面沿Y轴延伸的方向为Q1方向，则P5为Q2方向。

P2面和P3面与P1面形成了理想的直角，但在刻蚀过程中并非如此，可参考图8，图8是根据本发明实施方式的刻蚀过程的示意图，该图对应于图5A或图5B的XZ平面。在刻蚀过程中，P1面在顶硅中不断地下降从而形成沟槽，沟槽侧壁为垂直度良好的<111>晶面，而沟槽底部与侧壁的相交处还生成了晶向为<112>的微小倾斜面。由于此<112>面会对后续工艺造成不利影响，所以需将其除去。实验结果表明，<112>晶面在湿法环境中极不稳定，形成后便很快在刻蚀液中分解掉并被位于其下的新<112>晶面所替代，因此若将图8中沟槽底面所在的平面P1以下的单晶硅材料替换为止刻材料(止刻材料指某种与单晶硅相比高度耐刻蚀的材料，如对于KOH刻蚀环境，止刻材料可以是二氧化硅，氮化硅等)，并适度延长刻蚀时间便可以将此<112>晶面除去，而侧壁<111>面仍保持稳定，从而形成了沟槽底部的P1与<111>晶面所成的理想的直角。因此，可以采用SOI型晶圆进行上述加工，利用其中间的SiQ2层作为止刻层。当然也可以采用其他方式，例如带有二氧化硅层的硅材料等。

采用上述方式不仅沟槽侧壁的垂直度良好，还能够获得光滑的表面。而沟槽侧壁即为执行器分支的侧面。参考图9A和图9B，图9A是根据现有技术中刻蚀方式得到的硅表面的扫描电镜成像，图9B是根据本发明实施方式的刻蚀方式得到的硅表面的扫描电镜成像。图9A中的硅表面通常由现有技术中的Bosch体系的深度硅刻蚀(DRIE)来实现，该工艺实际上是由若干次各向同性刻蚀循环构成，因此通常会在侧壁上留下许多鳞片或波浪状起伏，如图9A所示，这些起伏不仅密集而且起伏顶点到谷点的距离通常为几十个甚至上百个纳米。这种硅基骨架的表面状态会对后续生长于其上的膜层的晶格状态产生非常不利的影响，尤其会导致氮化铝压电层的晶向混乱及膜层平整度恶化，从而大幅度降低压电层的机电耦合系数和对输入电能的利用效率，最终导致鳍片振幅低而无法输出足够声压。

MEMS业内通常会利用氢气氛围高温退火(如在100％的氢气氛围内1100摄氏度下热处理20分钟以上)来大幅降低Bosch工艺后硅基表面的粗糙度，但是氢气退火炉往往价格昂贵，且氢气属于高危气体，对周边配套的安全防护措施要求严苛，因此Bosch工艺结合氢气退火的方案对于实验室级别的加工和小规模量产来说性价比都很低。此外Bosch需要通过多次的工艺试验才能找到一组确保硅基骨架侧壁与水平面垂直度的加工参数，而且工艺参数对深度硅刻蚀设备的定期维护流程敏感，每次维护之后均需要消耗可观的时间与物料进行参数调试。

而采用本发明实施方式中上述的用湿法刻蚀<110>型硅晶圆的方案，其优势在于可有效地利用了单晶硅在碱溶液中的各向异性特性，该方法较Bosch工艺不仅可以生成陡直度更好的鳍片侧面，且侧面的光洁度也要显著优于Bosch工艺的加工结果(如图9B所示，通过高温KOH溶液刻蚀后，大部分区域的粗糙度低于10nm)，无需氢气退火工艺就已可满足后续膜层生长的要求，并且电子级纯度的氢氧化钾等强碱市场价格低廉，因此可大幅降低成本。

湿法刻蚀<110>型硅晶圆的不足之处在于对某些型面的操控性差，除了生成可利用的陡直的<111>晶面之外还会不可避免地会生成额外的型面。参考图10A和图10B，图10A和图10B是根据本发明实施方式的湿法刻蚀时形成的执行器分支与扬声器内壁距离变化的示意图。如图10A所示的图形化掩模M3的鳍片掩模具有长度L1和自由端E1，且E1与掩膜的另一边E2之间有间隙。实验表明，在掩模M3覆盖下经湿法刻蚀所生成的鳍片结构的自由端并不能在刻蚀液中形成稳定的<111>晶面，导致自由端E1会不断在湿法环境下被分解掉，从而使鳍片真实长度L2按左边4个箭头的方向缩短，从而短于设计长度L1；同时边缘E2也会在刻蚀液的作用下向右移动(如图中右边箭头方向所示)，从而使鳍片末端与边界之间的间隙大于设计尺寸，如图10B所示，导致扬声器的气密性变差。

为解决上述问题，参考图11A和图11B，是根据本发明实施方式的形成执行器分支端部间隙的示意图。可先采用图7A的掩模加工出图7B中的结构并沉积各功能层，然后附加掩模，利用Bosch工艺在每个鳍片上加工出图11A和图11B所示的间隙X1。在此过程中，Bosch工艺对缝隙宽度d5以及缝隙与<111>晶面P4位于沟槽底部的顶点的距离t1可实现良好的控制精度。由于X1的两个侧壁并不需要沉积任何膜层，因此Bosch工艺带来的局部粗糙度并不会对器件性能带来任何影响。通过湿法和Bosch刻蚀工艺结合，一方面可以得到光洁度和陡直度理想的主型面，还可实现对局部工艺面的精确控制；同时选用<110>型的硅晶圆可以同时兼容上述两种工艺。

根据本发明实施方式的技术方案，MEMS扬声器的通孔和执行器有特定的排布，并且内部各间隙有尺寸要求，有助于提高扬声器的输出声压。该MEMS扬声器应用于电子设备时，占用空间小，并且音量大。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (16)

1.一种MEMS扬声器，其壳体具有互相平行的上底面和下底面，二者之间具有侧壁，其特征在于，

上底面、下底面、侧壁中的一者或多者具有通孔；

所述扬声器中的执行器连接于所述侧壁，振动方向大体平行于上底面和下底面；

执行器具有多个平行的板状分支。

2.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，

按所述振动方向，相邻分支之间有且只有1个所述通孔；

该通孔的空气流量不小于所述壳体与执行器分支之间空隙的空气流量。

3.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，

执行器的各分支的硅基骨架的两侧面上直接附着压电层，压电层上附着电极层；

或者，执行器的各分支的硅基骨架的两侧面上直接附着底电极，底电极上依次附着压电层、顶电极；

或者，执行器的各分支的硅基骨架的两侧面上直接附着晶种层，晶种层上依次附着底电极、压电层、顶电极。

4.根据权利要求3所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述硅基骨架的材料为N型或P型掺杂硅。

5.根据权利要求3所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述掺杂硅的导电率低于2000欧姆厘米。

6.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，

执行器的各分支的侧面垂直于上底面和/或下底面；

在靠近执行器分支与所述侧面的连接处，相邻的两个执行器的分支之间的侧面具有向扬声器内部延伸的延伸部，该延伸部在水平方向的投影呈五边形。

7.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，

执行器的硅基骨架侧面的粗糙度不大于50nm。

8.根据权利要求6或7所述的MEMS扬声器，其特征在于，

该扬声器采用<110>型硅制作。

9.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，

该扬声器的下底面顶部的边缘具有一圈环形凸起，并且/或者，该扬声器的上底面底部的边缘具有一圈环形凸起。

10.根据权利要求9所述的MEMS扬声器，其特征在于，

所述环形凸起为上底面或下底面的材料刻蚀而成，或者为沉积在上底面或下底面的沉积层，或者为SOI型晶圆的二氧化硅层。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的MEMS扬声器，其特征在于，

执行器为多层；

所述扬声器的各层的侧壁之间有一圈环形凸起，该环形凸起为沉积材料层或者为SOI型晶圆的二氧化硅层，或者为侧壁的材料刻蚀而成。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的MEMS扬声器，其特征在于，

执行器为1层；

执行器的各分支的上顶面与所述上底面的距离不超过20um，或者不超过5um，并且/或者，执行器的各分支的下顶面与所述下底面的距离不超过20um，或者不超过5um。

13.根据权利要求1至10中任一项所述的MEMS扬声器，其特征在于，

执行器为上下分布的2层或多层；

相邻的两层执行器中，上层执行器的下顶面与下层执行器的上顶面的距离不超过20um，或者不超过5um。

14.根据权利要求1至10中任一项所述的MEMS扬声器，其特征在于，

执行器的各分支的一端连接至扬声器的第一侧壁，另一端为自由端，与第一侧壁相对的侧壁至该自由端的距离不超过100um，或者不超过30um；

或者，执行器的分支分为第一组和第二组，分别连接至扬声器的相对的两个侧壁，第一组的各分支和第二组的各分支两两对齐，对齐的两个分支的顶端距离不超过100um，或者不超过30um；

或者，执行器的分支分为第一组和第二组，分别连接至扬声器的相对的两个侧壁，第一组的各分支和第二组的各分支两两交错，交错的两个分支的侧壁距离不超过100um，或者不超过30um。

15.根据权利要求1至10中任一项所述的MEMS扬声器，其特征在于，执行器的各分支的两端分别连接至扬声器的一组相对的侧壁。

16.一种电子设备，其特征在于，包含权利要求1至15中任一项所述的MEMS扬声器。

Images