一种基于压电薄膜的芯片化发声器件
阅读说明：本技术 一种基于压电薄膜的芯片化发声器件 (Chip sounding device based on piezoelectric film ) 是由 李岚硕 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于压电薄膜的芯片化发声器件,属于压电微机械发声器技术领域,解决了现有技术中的发声器件结构复杂导致功耗高、性能差的问题,本发明包括底部基板,底部基板上连接有核心芯片,底部基板上方连接有非金属管壳,非金属管壳上开设有出音孔,核心芯片包括由下至上依次连接的硅基底层、硅结构层和压电材料层,压电材料层上设置有压电振膜,压电振膜上连接有金属激励电极,金属激励电极的尺寸小于压电振膜的尺寸,压电振膜周围的压电材料层上开设有隔离槽,压电材料层上还安装有与金属激励电极连接的激励电极焊盘,激励电极焊盘旁还安装有接地电极焊盘。本发明应用于受话器、扬声器、蜂鸣器等发声装置的发声器件。(The invention discloses a chip sounder based on a piezoelectric film, which belongs to the technical field of piezoelectric micro-mechanical sounders and solves the problems of high power consumption and poor performance caused by complex structure of the sounder in the prior art. The piezoelectric vibrating diaphragm is arranged on the piezoelectric material layer, a metal excitation electrode is connected onto the piezoelectric vibrating diaphragm, the size of the metal excitation electrode is smaller than that of the piezoelectric vibrating diaphragm, an isolation groove is formed in the piezoelectric material layer around the piezoelectric vibrating diaphragm, an excitation electrode bonding pad connected with the metal excitation electrode is further installed on the piezoelectric material layer, and a grounding electrode bonding pad is further installed beside the excitation electrode bonding pad. The invention is applied to the sounding devices of the sounding devices such as a telephone receiver, a loudspeaker, a buzzer and the like.)
技术领域
本发明属于压电微机械发声器技术领域，具体涉及一种基于压电薄膜的芯片化发声器件。
背景技术
现有的发声器件的主要技术为电磁式和压电陶瓷式两种。两种技术各有其优点，但共同都有体积较大、成本较高、一致性较差的缺点。
电磁式发声器件是利用电磁线圈对蜂鸣片的作用来发声的电子器件，通电时吸住振动膜，断电时金属振动膜弹回。电磁式发声器件分为无源和有源两大类，都包含线圈和磁铁，有源蜂鸣器还包括驱动电路。电磁式蜂鸣器驱动电压较低，但消耗的电流较大。结构较为复杂，安装不方便，因为有磁铁，重量相对较大，易对电路造成电磁干扰，也容易受到干扰。
压电陶瓷式发声器件由压电蜂鸣片发声，压电蜂鸣片由压电陶瓷制成，需要在压电蜂鸣片的两面镀上电极用于通电。给压电蜂鸣片施加交流的驱动信号后，因为压电效应，压电蜂鸣片会产生机械变形的伸展和收缩，可以推动和压电陶瓷片贴在一起的金属片振动发出声音。压电陶瓷式发声器件也分为无源和有源两大类，有源蜂鸣器还包括驱动电路。优点是寿命长、可靠性高，不产生飞弧或者射频噪声，对其他线路无干扰。用电压激励，所以消耗电流小，一般在20mA以下，不会超过100mA。但压电陶瓷式发声器件的缺点是驱动的电压较大，压电陶瓷依靠烧结工艺，成本高，体积大，一致性较差。
发明内容
本发明的目的在于：
为解决现有技术中的发声器件结构复杂导致功耗高、性能差的问题，提供一种基于压电薄膜的芯片化发声器件。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于压电薄膜的芯片化发声器件，包括底部基板，所述底部基板上连接有核心芯片，底部基板上方连接有非金属管壳，所述非金属管壳内部与底部基板之间形成空气振动腔，非金属管壳上开设有出音孔，所述出音孔内部形成集音腔，所述核心芯片包括由下至上依次连接的硅基底层、硅结构层和压电材料层，所述压电材料层上设置有压电振膜，所述压电振膜上连接有金属激励电极，金属激励电极的尺寸小于压电振膜的尺寸，所述压电振膜周围的压电材料层上开设有隔离槽，所述压电材料层上还安装有与金属激励电极连接的激励电极焊盘，所述激励电极焊盘旁还安装有接地电极焊盘。
进一步地，所述集音腔与空气振动腔之间的非金属管壳内壁上连接有防水防尘网，所述底部基板的底面上还分别安装有信号焊盘、接地焊盘和辅助焊盘，信号焊盘、接地焊盘和辅助焊盘与金属激励电极焊盘之间连接有金引线。
进一步地，所述压电材料层上的压电振膜呈圆形，所述压电振膜上的金属激励电极也呈圆形，所述压电振膜和金属激励电极阵列设置有4组，4组金属激励电极之间首尾依次连通并连通激励电极焊盘，每组压电振膜周围均环绕设置4个弧形隔离槽。
进一步地，所述压电材料层上的压电振膜呈圆形，所述压电振膜上的金属激励电极也呈圆形，所述压电振膜和金属激励电极在压电材料层上设置有1组，压电振膜周围环绕设置4个弧形隔离槽。
进一步地，所述压电材料层上的压电振膜呈方形，所述压电振膜上的金属激励电极也呈方形，所述压电振膜和金属激励电极阵列设置有4组，4组金属激励电极之间首尾依次连通并连通激励电极焊盘，每组压电振膜周围均环绕设置4个L形隔离槽。
进一步地，所述压电材料层上的压电振膜呈方形，所述压电振膜上的金属激励电极也呈方形，所述压电振膜和金属激励电极在压电材料层上设置有1组，压电振膜周围环绕设置4个L形隔离槽。
进一步地，所述出音孔的内部呈圆台形，出音孔在非金属管壳上设置有1个，所述圆台形出音孔位于非金属管壳外壁上的孔口截面积大于非金属管壳内壁上的孔口截面积。
进一步地，所述出音孔的内部呈椭圆形，出音孔在非金属管壳上设置有2个。
本发明所提出的基于压电薄膜的芯片化发声器件，是利用半导体技术制造基于压电薄膜的微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)核心芯片，将该芯片封装后制作成的发声器件。该器件的主要功能是将电信号转化为人耳可听的声音信号，其声音信号的频率范围为20～20000Hz。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的MEMS核心芯片，由标准化晶圆级MEMS工艺制造完成，芯片的材料和性能一致性极高。器件级封装采用自动化封装设备完成，具有低成本，高性能的特点。本发明的芯片化发声器件，结构简单，体积小，质量轻，不会对电路带来电磁干扰，具有功耗低、抗干扰的优点。
2、本发明的芯片化发声器件，是压电薄膜技术在发声器件领域的突破性应用，并且可根据受话器、扬声器、蜂鸣器等具体应用场景，对其中的MEMS核心芯片的结构和非金属外部管壳中空气腔的结构进行专用化设计，以改善和提高特定需求下发声器件的输出性能。
3、本发明的芯片化发声器件具有小型化和集成化的优点，整个器件的尺寸约为6.0mm*6.0mm*2.0mm，是一款极小尺寸的发声器件，并且可以根据应用进一步小型化。
4、本发明的芯片化发声器件中的MEMS核心芯片由于其采用标准化制造和自动化封装，因此MEMS核心芯片也可以与其他专用或常规集成电路芯片合封，形成集成驱动电路的蜂鸣器或扬声器等的发声器件模组，其与目前业内传统发声器件模组相比尺寸更小、成本更低、功耗更小。
附图说明
图1为本发明的芯片化发声器件整体结构爆炸图；
图2为本发明的芯片化发声器件底面结构图；
图3为本发明的圆形2*2阵列芯片结构实施方案示意图；
图4为本发明的圆形单管结构芯片实施方案示意图；
图5为本发明的方形2*2阵列芯片结构实施方案示意图；
图6为本发明的方形单管结构芯片实施方案示意图；
图7为本发明椭圆形出音孔的非金属管壳结构图；
图8为本发明的发声器件作为受话器应用时，在自由场中测试得到的频响曲线；
图9为本发明发声器件作为扬声器应用时，在非自由场中测试得到的频响曲线；
图10为本发明发声器件作为蜂鸣器应用时，在自由场中测试得到的频响曲线。
图中标记：1-核心芯片，2-底部基板，3-金引线，4-非金属管壳，5-出音孔，6-空气振动腔，7-集音腔，8-防水防尘网，9-信号焊盘，10-接地焊盘，11-辅助焊盘，12-硅基底层，13-硅结构层，14-压电材料层，15-压电振膜，16-金属激励电极，17-激励电极焊盘，18接地电极焊盘，19-隔离槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的基本方案实施如下：
本发明的基于压电薄膜的芯片化发声器件，其基本结构如图1所示。由MEMS工艺制造的MEMS核心芯片1封装在包含外部电路的底部基板2上。该核心芯片1承担了将电信号转换为声音信号的功能。核心芯片1上的电极与底部基板2上的焊盘通过金引线3实现连接。器件上半部分是一个非金属管壳4，在管壳的顶部有出音孔5。其中，非金属管壳4的内部是一个有一定形状和体积的空气振动腔6，出音孔5和空气振动腔6之间是一个集音腔7。此外，在非金属管壳4内，空气振动腔6的顶部和集音腔7的底部之间，有一个防水防尘网8的结构，该结构可以阻挡外部的水汽和微小尘埃进入空气振动腔6，同时防水防尘网8具有相当高的韧性，使声音在传播过程中，不会受到来自防水防尘网8的干扰和损耗。
空气振动腔6和集音腔7的尺寸和形状会对核心芯片1产生的声音信号在空气中的机械振动性能和声学性能产生至关重要的影响。
以上组件合并封装后，形成了该基于压电薄膜的芯片化发声器件的实际构型，如图2所示，器件底部留有三个与外部电路连接的焊盘，包括信号焊盘9、接地焊盘10和辅助焊盘11。其中，辅助焊盘11具有独立的屏蔽效果，同时可以提高焊接强度和改善导热的作用。封装完成后的基于压电薄膜的芯片化发声器件，其尺寸约为6.0mm*6.0mm*2.0mm。
实施例1
在上述基本方案的基础上，优选地，如图3所示，压电材料层14上的压电振膜15呈圆形，压电振膜15上的金属激励电极16也呈圆形，压电振膜15和金属激励电极16阵列设置有4组，4组金属激励电极16之间首尾依次连通并连通激励电极焊盘17，每组压电振膜15周围均环绕设置4个弧形隔离槽19。出音孔5的内部呈圆台形，出音孔5在非金属管壳4上设置有1个，圆台形出音孔5位于非金属管壳4外壁上的孔口截面积大于非金属管壳4内壁上的孔口截面积。
本实施例中的发声器件为2x2的阵列结构芯片，尺寸相对较大，器件发出的声音音量较大，其结构特点使得该器件更适合做宽频带的应用，例如受话器，扬声器等对声音音色、音质要求较高的场景。圆形的压电振膜15频率响应特性更加优异，器件品质因数高，机械损耗小，频率一致性更高，频率可调范围更大。
实施例2
在上述基本方案的基础上，优选地，如图4所示，压电材料层14上的压电振膜15呈圆形，压电振膜15上的金属激励电极16也呈圆形，压电振膜15和金属激励电极16在压电材料层14上设置有1组，压电振膜15周围环绕设置4个弧形隔离槽19。出音孔5的内部呈圆台形，出音孔5在非金属管壳4上设置有1个，圆台形出音孔5位于非金属管壳4外壁上的孔口截面积大于非金属管壳4内壁上的孔口截面积。
本实施例中的发声器件为单管结构芯片，尺寸相对实施例1中的实施方案较小，更有利于小型化应用，在发出高音量和高频率的模拟声、断续声方面更有优势，因此更加合适做蜂鸣器、报警器等方面的应用。
实施例3
在上述基本方案的基础上，优选地，如图5所示，压电材料层14上的压电振膜15呈方形，压电振膜15上的金属激励电极16也呈方形，压电振膜15和金属激励电极16阵列设置有4组，4组金属激励电极16之间首尾依次连通并连通激励电极焊盘17，每组压电振膜15周围均环绕设置4个L形隔离槽19。出音孔5的内部呈圆台形，出音孔5在非金属管壳4上设置有1个，圆台形出音孔5位于非金属管壳4外壁上的孔口截面积大于非金属管壳4内壁上的孔口截面积。
本实施例的芯片结构与实施例1类似，区别在于方形的压电振膜15具有更高的振动性能，其振动幅度更大，频带更宽，带载能力更强，输出声压更大。
实施例4
在上述基本方案的基础上，优选地，如图6所示，压电材料层14上的压电振膜15呈方形，压电振膜15上的金属激励电极16也呈方形，压电振膜15和金属激励电极16在压电材料层14上设置有1组，压电振膜15周围环绕设置4个L形隔离槽19。出音孔5的内部呈圆台形，出音孔5在非金属管壳4上设置有1个，圆台形出音孔5位于非金属管壳4外壁上的孔口截面积大于非金属管壳4内壁上的孔口截面积。
本实施例结合了方形压电振膜15与小型化芯片的优点。
以上实施例1-4均以圆台形出音孔5为例，出音孔5的形状、尺寸和位置的设计，与器件内部的MEMS核心芯片1结构、器件的声学性能最优化密切相关，采用不同的MEMS核心芯片1和不同出音孔5的外部管壳，并且根据测试性能对器件结构进行优化，可以得到本发明的基于压电薄膜的芯片化发声器件在不同应用场景下的频率响应曲线，如图10-图12所示。
以下实施例以椭圆形出音孔5为例，如图7所示，可与芯片结构进行任意组合。
实施例5
在上述基本方案的基础上，优选地，压电材料层14上的压电振膜15呈圆形，压电振膜15上的金属激励电极16也呈圆形，压电振膜15和金属激励电极16阵列设置有4组，4组金属激励电极16之间首尾依次连通并连通激励电极焊盘17，每组压电振膜15周围均环绕设置4个弧形隔离槽19。出音孔5的内部呈椭圆形，出音孔5在非金属管壳4上设置有2个。
实施例6
在上述基本方案的基础上，优选地，压电材料层14上的压电振膜15呈圆形，压电振膜15上的金属激励电极16也呈圆形，压电振膜15和金属激励电极16在压电材料层14上设置有1组，压电振膜15周围环绕设置4个弧形隔离槽19。出音孔5的内部呈椭圆形，出音孔5在非金属管壳4上设置有2个。
实施例7
在上述基本方案的基础上，优选地，压电材料层14上的压电振膜15呈方形，压电振膜15上的金属激励电极16也呈方形，压电振膜15和金属激励电极16阵列设置有4组，4组金属激励电极16之间首尾依次连通并连通激励电极焊盘17，每组压电振膜15周围均环绕设置4个L形隔离槽19。出音孔5的内部呈椭圆形，出音孔5在非金属管壳4上设置有2个。
实施例8
在上述基本方案的基础上，优选地，压电材料层14上的压电振膜15呈方形，压电振膜15上的金属激励电极16也呈方形，压电振膜15和金属激励电极16在压电材料层14上设置有1组，压电振膜15周围环绕设置4个L形隔离槽19。出音孔5的内部呈圆台形，出音孔5在非金属管壳4上设置有1个，圆台形出音孔5位于非金属管壳4外壁上的孔口截面积大于非金属管壳4内壁上的孔口截面积。出音孔5的内部呈椭圆形，出音孔5在非金属管壳4上设置有2个。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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