中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
MEMS揚聲器正在成為一種非常有前途的音頻解決方案，以滿足現(xiàn)代音頻設(shè)備日益增長的更小、更輕和更節(jié)能的需求。由于在低電壓下可獲得相對較大的驅(qū)動力，壓電驅(qū)動原理代表了微型揚聲器最有前景的實現(xiàn)方案。盡管在過去的幾年中提出了大量的新結(jié)構(gòu)，但仍然需要在設(shè)計層面和仿真層面進行大量研究工作，以獲得具有良好音質(zhì)的全頻微型揚聲器，并準確獲取這些器件的線性和非線性響應(yīng)。
意大利米蘭理工大學（Politecnico di Milano）的科研團隊開發(fā)了一種入耳式應(yīng)用的高性能壓電MEMS揚聲器。該揚聲器基于其中心部件的活塞式運動，中心部件通過一組折疊彈簧連接到執(zhí)行器。當驅(qū)動電壓為30 Vpp時，該器件的聲壓級（SPL）從500 Hz開始大于107 dB，其體積小巧，尺寸為4.5 mm x 4.5 mm。在1kHz、94 dB SPL下，總諧波失真（THD）小于1%。因此，即使在原型階段，本文所提出的器件也代表了一種有前景的高性能壓電MEMS揚聲器解決方案，其不需要額外的封閉膜以最大限度地減少聲學損失。在聲壓級方面也證明了良好的數(shù)值-實驗匹配性，從而為這類MEMS結(jié)構(gòu)的新系統(tǒng)設(shè)計開辟了道路。相關(guān)研究成果以“On the Design and Modeling of a Full-Range Piezoelectric MEMS Loudspeaker for In-Ear Applications”為題發(fā)表在Journal of Microelectromechanical Systems期刊上。
下圖為研究人員所提出的壓電MEMS揚聲器的示意圖。移動機械結(jié)構(gòu)由四個梯形執(zhí)行器組成，通過一組適當大小的折疊彈性彈簧連接到中心方形活塞。所提出的機械開敞（mechanically-open）特性依賴于由氣隙分隔的不同機械部件的存在。四個梯形執(zhí)行器通過外部硅框架固定在襯底上，該外部硅框架也界定了位于移動結(jié)構(gòu)下方的后腔。機械結(jié)構(gòu)由13 μm多晶硅層制成，包括350 μm的外部框架寬度。微型揚聲器的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計為在可聽范圍內(nèi)具有獨特的驅(qū)動振動模式，其特征在于四個梯形執(zhí)行器和中心活塞的同步運動。
本文所提出的壓電MEMS揚聲器的示意圖
通過COMSOL Multiphysics?v6.1中實現(xiàn)的電-機-聲有限元模型（FEM）模擬了所提出的MEMS揚聲器的機械和聲學性能。該數(shù)值模型考慮了器件的實際功能中涉及的不同物理特性，以提供對其動態(tài)行為的精確估計。
本文所提出的壓電MEMS揚聲器由意法半導體（STMicroelectronics）通過下圖所示的標準工藝流程制造。
壓電MEMS揚聲器的制造工藝（意法半導體制造）
研究人員進行了力學和聲學測試，以評估微型MEMS揚聲器的性能，并驗證了有限元模型。當驅(qū)動電壓為30 Vpp時，MEMS揚聲器的SPL從500 Hz開始大于107 dB。為了評估入耳式揚聲器的聲音再現(xiàn)質(zhì)量，還進行了THD測量。實驗結(jié)果表明，在1kHz、94dB SPL下，觀察到的THD小于1%。
在不同驅(qū)動電壓下測得的SPL曲線
總而言之，在本項工作中，研究人員設(shè)計、模擬、制造和實驗表征了一種入耳式應(yīng)用的全頻壓電MEMS揚聲器。所提出的設(shè)計概念的主要新穎之處在于中心部件的活塞式運動，這要歸功于一組折疊懸架彈簧。這使得MEMS揚聲器有效面積最大化，并在全頻驅(qū)動電壓和存在預應(yīng)力和幾何缺陷的情況下實現(xiàn)聲學封閉特征。所選擇的彈簧設(shè)計決定了微型揚聲器的幾何線性，允許在減少面積的情況下最大化SPL和最小化THD。因此，本文所提出的器件代表了邁向新型高性能壓電MEMS揚聲器的第一步，該揚聲器不需要額外的封閉膜以最大限度地減少聲學損失。
本文所開發(fā)的全耦合電-機-聲有限元模型證明了良好的數(shù)值-實驗匹配性，從而為一種新的系統(tǒng)先驗設(shè)計工具開辟了道路，并可以指導未來高性能微型揚聲器的設(shè)計過程。
未來的工作將通過優(yōu)化程序解決壓電MEMS揚聲器位移體積和線性度的系統(tǒng)最大化問題。研究工作還將致力于通過引入遲滯壓電本構(gòu)定律（hysteretic piezoelectric constitutive law）來增強有限元多物理場模型，以獲得定量的聲音失真估計。
