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可穿戴電子產(chǎn)品、真無線立體聲（TWS）耳機(jī)、智能手機(jī)和智能控制器的持續(xù)發(fā)展，催生了對(duì)微型揚(yáng)聲器的巨大需求。然而，在電子設(shè)備的小型化進(jìn)程中，如何在有限體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)聲學(xué)性能優(yōu)化是一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

近期，臺(tái)灣大學(xué)（National Taiwan University）和塞吉巴黎大學(xué)（CY Cergy Paris University）等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)通過自主研發(fā)的氣溶膠沉積技術(shù)與金屬M(fèi)EMS微加工工藝相結(jié)合，開發(fā)了兩種壓電驅(qū)動(dòng)微型揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)，可用于制造低音揚(yáng)聲器單元。相關(guān)研究成果以“The Woofer-Type Piezo-Actuated Microspeaker Based on Aerosol Deposition and Metal MEMS Process”為題發(fā)表在Micromachines期刊上。

在這項(xiàng)工作中，研究人員提出兩種壓電驅(qū)動(dòng)微型揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)：?jiǎn)螌訅弘婋p晶片（BSL）結(jié)構(gòu)和多層壓電雙晶片（BML）結(jié)構(gòu)。它們是利用自主研發(fā)的氣溶膠沉積方法以及金屬M(fèi)EMS微納加工工藝制備而成的?；逯苽洳捎米灾餮邪l(fā)的氣溶膠沉積方法，在經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的不銹鋼基底上沉積高質(zhì)量壓電薄膜。為了在基板的一階共振頻率下增大振膜的位移，研究人員對(duì)基板進(jìn)行了特定圖案的蝕刻，以減輕其質(zhì)量、降低剛性，從而提高柔韌性，使得位移增大了4倍。器件封裝集成采用PET材料作為耦合質(zhì)量塊，結(jié)合振膜與印刷電路板（PCB）構(gòu)成完整的揚(yáng)聲器模塊。

與雙面均采用單一厚層PZT薄膜的BSL結(jié)構(gòu)相比，BML結(jié)構(gòu)通過工藝創(chuàng)新，將PZT薄膜厚度減半，隨后堆疊一層相同厚度的PZT薄膜，使總厚度保持不變。減薄后的PZT薄膜能夠更均勻地接收電場(chǎng)，剛性也更低，因此在相同驅(qū)動(dòng)條件下可比單一厚層薄膜產(chǎn)生更大的形變。這些器件通過標(biāo)準(zhǔn)金屬M(fèi)EMS工藝制備，在保證成本效益的同時(shí)，具備大規(guī)模量產(chǎn)的可行性。

圖1 壓電驅(qū)動(dòng)微型揚(yáng)聲器的分解圖：（a）BSL結(jié)構(gòu)；（b）BML結(jié)構(gòu)

研究人員采用符合IEC-60318-4標(biāo)準(zhǔn)的耳道模擬器對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的微型揚(yáng)聲器進(jìn)行了封閉聲場(chǎng)測(cè)量分析。結(jié)果表明，BSL結(jié)構(gòu)在1 kHz以下呈現(xiàn)平穩(wěn)的聲壓級(jí)響應(yīng)，在15 Vpp和30 Vpp電壓下，其峰值聲壓級(jí)分別為92.4 dB和98.4 dB。對(duì)于BML結(jié)構(gòu)而言，其在沉積四層5 μm壓電薄膜時(shí)，膜厚偏差可控制在8%以內(nèi)，在保持結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的同時(shí)，其頻率響應(yīng)趨勢(shì)在不同驅(qū)動(dòng)電壓下呈現(xiàn)一致性規(guī)律，且實(shí)現(xiàn)了更高的聲壓級(jí)，在15 Vpp和30 Vpp電壓下，峰值聲壓級(jí)分別為102.2 dB和108.2 dB。

圖4 兩種雙晶片結(jié)構(gòu)在不同驅(qū)動(dòng)電壓下的性能對(duì)比

綜上所述，這項(xiàng)研究工作開發(fā)了兩種適用于制造低音揚(yáng)聲器單元的壓電驅(qū)動(dòng)微型揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)，研究證明，所開發(fā)的BML結(jié)構(gòu)揚(yáng)聲器，在較低的驅(qū)動(dòng)電壓下，能夠達(dá)到與BSL結(jié)構(gòu)揚(yáng)聲器相當(dāng)?shù)穆晧杭?jí)性能。這項(xiàng)研究為提升微型揚(yáng)聲器在低頻范圍內(nèi)的聲壓級(jí)性能提供了重要思路。