膜122上。壓電膜124連接至第一電極（未示出）。另一個(gè)結(jié) 構(gòu)膜122連接至第二電極（未示出）。當(dāng)在電極之間提供電位差時(shí)，壓電膜124收縮或者膨 脹，從而引起雙晶片膜120彎曲，因此產(chǎn)生沿所示運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生的所需振動(dòng)。
[0040] 壓電致動(dòng)器需要特殊材料，諸如鋯鈦酸鉛（PZT)、氧化鋅（ZnO)、氮化鋁（A1N)、聚 偏二氟乙烯（PVDF)，以產(chǎn)生變形應(yīng)力。其中，PZT不兼容互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS)。雖 然PVDF為旋涂聚合物，但是膜124的壓電性質(zhì)受到旋涂步驟之后的后面工藝的影響。雖然 A1N和ZnO可被濺射，但是它們的壓電常數(shù)取決于膜內(nèi)晶粒取向。在A1N情況下，雖然高溫 外延淀積產(chǎn)生最佳結(jié)果，但是同時(shí)限制設(shè)計(jì)和工藝整合自由度。
[0041] 第二類型微型揚(yáng)聲器示意性示出于圖2中且包括可移動(dòng)膜220和一個(gè)背板電極 240。這種構(gòu)成通常稱為平行板式靜電致動(dòng)器。膜220通過具有厚度d的間隔物230與背 板240分離，當(dāng)膜220處于靜止位置處時(shí)，間隔物230也界定介于膜220和背板240之間的 距離。當(dāng)它們之間施加電位差時(shí)，膜220被吸引至電極240。交流（AC)驅(qū)動(dòng)信號(hào)可誘導(dǎo)膜 220來回振動(dòng)。平行板式靜電致動(dòng)器的位移由兩個(gè)電極（即，膜220和電極240)的距離限 制。這使得利用表面微加工工藝很難實(shí)現(xiàn)大位移。此外，由電極產(chǎn)生的力與距離的平方成 反比，從而增加按比例擴(kuò)大位移振幅的難度。
[0042] 不管使用哪種致動(dòng)原理，微型揚(yáng)聲器配置可被用于數(shù)字聲音重建。對(duì)于數(shù)字聲音 重建，通常以所需音頻帶寬至少兩倍的高載波頻率驅(qū)動(dòng)單個(gè)揚(yáng)聲器元件陣列。各個(gè)元件只 具有離散狀態(tài)，以產(chǎn)生形成最終音頻信號(hào)（在人耳中低通濾波）的聲音小波。對(duì)于數(shù)字微 型揚(yáng)聲器，期望具有相對(duì)堅(jiān)硬的高頻膜以及大面積，以振動(dòng)大空氣量。這對(duì)于平行板式器件 很難實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)闊o應(yīng)力膜本身作為撓性件，其諧振頻率與r3成反比關(guān)系，其中r為膜直 徑。相同論點(diǎn)可適用于壓電致動(dòng)器件。
[0043] 本文公開了例如在硅技術(shù)中，使用微加工梳狀驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器如何用50Hz至200Hz的 頻率振動(dòng)量（volume)。幾個(gè)這種揚(yáng)聲器可以陣列星座（arrayconstellation)設(shè)置。
[0044] 由面積A的平行板式致動(dòng)器產(chǎn)生的力為：
[0045]
[0046] 板中心處位移為：
[0047]
[0048] 無阻尼振動(dòng)頻率為：
[0049]
[0050] 在以上等式中，
[0051] ￡。真空介電常數(shù)，
[0052] A平行板式致動(dòng)器的工作面積（activearea)，
[0053] D膜220和背板240之間的距離，
[0054] V膜220和背板240之間施加的電壓，
[0055] v 膜的泊松比（Poisson' s ratio)，
[0056] E膜的楊氏模量，
[0057] P膜上的壓力，
[0058] t膜厚度，
[0059] r膜半徑，
[0060] k包括膜的振蕩系統(tǒng)的彈簧常數(shù)，以及
[0061] m包括膜的振蕩系統(tǒng)的等效質(zhì)量。
[0062] 可通過使用非常厚的膜以提供實(shí)現(xiàn)高頻率所需的剛度來解決問題。然而，兩個(gè)板 之間具有大距離的厚膜將大幅增加工藝復(fù)雜度，且仍然不會(huì)提供大振幅致動(dòng)所期望的大偏 轉(zhuǎn)，尤其在平行板式致動(dòng)原理的情況下。
[0063] 在處于高拉伸應(yīng)力的膜的情況下，可看到類似的折衷。
[0064] 上文已經(jīng)提到使用靜電梳狀驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的另一個(gè)方法。這種結(jié)構(gòu)能在低于其機(jī)械自 諧振的頻率下工作。通常，梳狀驅(qū)動(dòng)器包括固定部分和運(yùn)動(dòng)部分，其中，運(yùn)動(dòng)部分平行于固 定部分，但是相對(duì)于固定部分在面外（〇ut-〇f-plane)。換言之，固定部分設(shè)置于第一平面 中，運(yùn)動(dòng)部分設(shè)置于與第一平面平行的第二平面中。以此方式，可在固定部分和運(yùn)動(dòng)部分之 間產(chǎn)生靜電吸收力，從而引起運(yùn)動(dòng)部分接近固定部分。然而，這種面外式梳狀驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)制造 相當(dāng)困難。
[0065] 根據(jù)本文公開公開及圖3所示的內(nèi)容，交叉指型梳狀驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器被用于驅(qū)動(dòng)活塞 運(yùn)動(dòng)?；钊\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生導(dǎo)致聲波的壓力。
[0066] 圖3所示聲換能器包括基板110、梳狀驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)360、膜320和多個(gè)彈簧352。腔 112形成于基板中且從基板110的第一表面114延伸到第二表面115。梳狀驅(qū)動(dòng)器360可 為面外式梳狀驅(qū)動(dòng)器，且包括安裝至基板110的第一組梳齒362以及安裝至膜320的第二 組梳齒364。第一組梳齒362經(jīng)由支撐結(jié)構(gòu)368 (例如，作為框架）安裝至基板110,支撐結(jié) 構(gòu)368配置于第一表面114上。
[0067] 腔112由支撐結(jié)構(gòu)368的內(nèi)周緣116限定（delimit)。膜320由具有外周緣326 的本體形成。本體至少部分覆蓋腔112且通過至少一個(gè)彈性鉸鏈或者多個(gè)彈性鉸鏈連接至 基板，在圖3所示配置中，彈性鉸鏈由彈簧352形成。
[0068] 第一組梳齒362連接至第一電連接件（未示出）。第二組梳齒364延伸超過本體 外周緣且電氣連接至與第一電連接件隔離的第二電連接件（未示出）。第一組梳齒362和 第二組梳齒364相互交叉且被配置為在與第一平面114垂直的方向上產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)本體的靜電 力。圖3示出處于第一組梳齒362和第二組梳齒364部分重疊的中間位置的梳狀驅(qū)動(dòng)器 360 〇
[0069] 本體320和彈性鉸鏈352被配置為用于通過靜電力進(jìn)行的諧振激勵(lì)或近諧振激勵(lì) (near-resonantexcitation)。本體320和彈性鉸鏈352形成諧振系統(tǒng)。諧振系統(tǒng)的諧振 頻率由等效質(zhì)量和彈簧常數(shù)界定。等效質(zhì)量不僅由本體320的質(zhì)量，而且由本體320周圍 且由本體驅(qū)動(dòng)的空氣量（或者，更概括地講，流體）的質(zhì)量來確定。由第一組梳齒362和第 二組梳齒364產(chǎn)生的靜電力隨著頻率變化，所述頻率是諧振頻率的函數(shù)，例如大約為諧振 頻率。在諧振情況下，諧振系統(tǒng)的位移通常相對(duì)于（多個(gè)）靜電力具有90度相位差。
[0070] 圖4以示意性截面示出根據(jù)本文公開的聲換能器的另一個(gè)實(shí)施方式。聲換能器包 括膜結(jié)構(gòu)（或者本體）420,膜結(jié)構(gòu)（或者本體）420包括膜材料422和薄膜424。膜結(jié)構(gòu)420 也包括周緣426。聲換能器還包括面內(nèi)梳狀驅(qū)動(dòng)器460,其位置示意性示出在圖3中。圖4 中未明確示出第一組梳齒462和第二組梳齒464,參考圖5,圖5示出交叉指型梳狀驅(qū)動(dòng)器 460以及第一和第二組梳齒462、464。
[0071] 支撐結(jié)構(gòu)468設(shè)置于隔離層456上，隔離層456將支撐結(jié)構(gòu)468與基板110隔離。 支撐結(jié)構(gòu)468包括固定電極接觸件（第一電連接件）465、膜接觸件（第二電連接件）466、 膜導(dǎo)體451和隔離溝槽453。膜接觸件466連接至膜導(dǎo)體451，以將第二組梳齒464與由控 制器（未示出）提供的電位連接，使得與施加于第一組梳齒462的另一個(gè)電位協(xié)作，可產(chǎn)生 介于第一組梳齒和第二組梳齒之間的靜電力。
[0072] 根據(jù)本文公開內(nèi)容，微型揚(yáng)聲器膜420通過梳狀驅(qū)動(dòng)器460的面內(nèi)交叉指型電極 來致動(dòng)，以執(zhí)行在諧振系統(tǒng)（包括膜420)的機(jī)械諧振頻率附近的活塞運(yùn)動(dòng)。膜420的致動(dòng) 振幅不受電極間間隙的限制。電極462、464可利用單個(gè)光刻和蝕刻步驟來制造，且利用一 種或多種CMOS兼容材料來構(gòu)成。只要很小的不對(duì)稱就足以開始致動(dòng)。
[0073] 當(dāng)膜420處于靜止位置時(shí)，第一組梳齒462和第二組梳齒464基本上上處于彼此 最小距離處，或者至少接近這樣的最小距離。因此，在第一組梳齒462和第二組梳齒464之 間產(chǎn)生靜電吸引力根本不會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)或者只是極小運(yùn)動(dòng)，這是因?yàn)榈谝唤M梳齒462和第二 組梳齒464不能更接近（與往復(fù)式機(jī)器中死點(diǎn)類似）。如果當(dāng)膜420處于靜止位置處時(shí)第 一組梳齒462和第二組梳齒464相對(duì)于彼此基本上對(duì)稱定位，尤其如此，因?yàn)樵陟o電力由 此作用于與膜的運(yùn)動(dòng)方向基本上垂直的方向上。然而，真實(shí)聲換能器通常呈現(xiàn)某種程度不 對(duì)稱性，使得靜電力包括與運(yùn)動(dòng)方向平行的分量。不對(duì)稱性可能由制造公差或者外部影響 (例如作用于膜420上的重力）引起。
[0074] 交叉指型梳狀驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)460被制造為面內(nèi)結(jié)構(gòu)且可被致動(dòng)為接近自諧振?？梢苿?dòng) 梳齒464相對(duì)于定子梳齒462只要有一點(diǎn)初始位移，就足以開始致動(dòng)。這樣的位移可由于 梳狀結(jié)構(gòu)460的初始彎曲或者微加工導(dǎo)致的不對(duì)稱性而產(chǎn)生。
[0075] 由于面內(nèi)梳狀驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，膜運(yùn)動(dòng)為活塞狀運(yùn)動(dòng)，且允許大位移。運(yùn)動(dòng)范圍不受電極 間距離的限制，隨著電極數(shù)目增加以及反電極間距離減少，可增加靜電力。彈簧可被設(shè)計(jì)成 不同剛度以適應(yīng)不同頻率要求，而不會(huì)影響膜大小和/或厚度。此外，不存在因?yàn)闅饬髯枘?而限制運(yùn)動(dòng)的平行電極。
[0076] 彈簧支撐的膜420由CMOS兼容材料構(gòu)成，所述材料包括多晶硅（poly-Si)、非晶 硅、氧化硅（Si02)、氮化硅（Si3N4)、鋁或者利用以上膜堆疊的任何組合的體硅（bulkSi)。 膜420的厚度范圍可為從1ym到100ym。撓性件（例如，彈性鉸鏈452,參見圖5)包括體 硅或者其它薄膜材料，如上文提到的。特別是，薄膜424可具有與膜材料422的內(nèi)應(yīng)力不同 的內(nèi)應(yīng)力。這種內(nèi)應(yīng)力差通常導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)420在例如遠(yuǎn)離腔112或者面向腔112內(nèi)的一個(gè) 方向上彎曲或者鼓起。以此方式，對(duì)膜結(jié)構(gòu)420的靜止位置可有意引入不對(duì)稱性，使得當(dāng)從 靜止位置開始時(shí)，膜結(jié)構(gòu)可以界定方式進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，與（幾乎）對(duì)稱靜止位置相反，膜結(jié) 構(gòu)幾乎不能從對(duì)稱靜止位置進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這是因?yàn)樵诘谝唤M梳齒和第二組梳齒之間的吸 引力基本上不具有在膜結(jié)構(gòu)420的運(yùn)動(dòng)方向（即，垂直于膜的主表面）上的分量。<