中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
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(mǎn)足現代音頻設備日益增長(cháng)的更小、更輕和更節能的需求。由于在低電壓下可獲得相對較大的驅動(dòng)力，壓電驅動(dòng)原理代表了微型揚聲器最有前景的實(shí)現方案。盡管在過(guò)去的幾年中提出了大量的新結構，但仍然需要在設計層面和仿真層面進(jìn)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(xiàn)性和非線(xiàn)性響應。
意大利米蘭理工大學(xué)（Politecnico di Milano）的科研團隊開(kāi)發(fā)了一種入耳式應用的高性能壓電MEMS揚聲器。該揚聲器基于其中心部件的活塞式運動(dòng)，中心部件通過(guò)一組折疊彈簧連接到執行器。當驅動(dòng)電壓為30 Vpp時(shí)，該器件的聲壓級（SPL）從500 Hz開(kāi)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(xué)損失。在聲壓級方面也證明了良好的數值-實(shí)驗匹配性，從而為這類(lèi)MEMS結構的新系統設計開(kāi)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(dòng)機械結構由四個(gè)梯形執行器組成，通過(guò)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(kāi)敞（mechanically-open）特性依賴(lài)于由氣隙分隔的不同機械部件的存在。四個(gè)梯形執行器通過(guò)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(dòng)結構下方的后腔。機械結構由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構設計為在可聽(tīng)范圍內具有獨特的驅動(dòng)振動(dòng)模式，其特征在于四個(gè)梯形執行器和中心活塞的同步運動(dòng)。
本文所提出的壓電MEMS揚聲器的示意圖
通過(guò)COMSOL Multiphysics?v6.1中實(shí)現的電-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(xué)性能。該數值模型考慮了器件的實(shí)際功能中涉及的不同物理特性，以提供對其動(dòng)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(guò)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(jìn)行了力學(xué)和聲學(xué)測試，以評估微型MEMS揚聲器的性能，并驗證了有限元模型。當驅動(dòng)電壓為30 Vpp時(shí)，MEMS揚聲器的SPL從500 Hz開(kāi)始大于107 dB。為了評估入耳式揚聲器的聲音再現質(zhì)量，還進(jìn)行了THD測量。實(shí)驗結果表明，在1kHz、94dB SPL下，觀(guān)察到的THD小于1%。
在不同驅動(dòng)電壓下測得的SPL曲線(xiàn)
總而言之，在本項工作中，研究人員設計、模擬、制造和實(shí)驗表征了一種入耳式應用的全頻壓電MEMS揚聲器。所提出的設計概念的主要新穎之處在于中心部件的活塞式運動(dòng)，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，并在全頻驅動(dòng)電壓和存在預應力和幾何缺陷的情況下實(shí)現聲學(xué)封閉特征。所選擇的彈簧設計決定了微型揚聲器的幾何線(xiàn)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(xué)損失。
本文所開(kāi)發(fā)的全耦合電-機-聲有限元模型證明了良好的數值-實(shí)驗匹配性，從而為一種新的系統先驗設計工具開(kāi)辟了道路，并可以指導未來(lái)高性能微型揚聲器的設計過(guò)程。
未來(lái)的工作將通過(guò)優(yōu)化程序解決壓電MEMS揚聲器位移體積和線(xiàn)性度的系統最大化問(wèn)題。研究工作還將致力于通過(guò)引入遲滯壓電本構定律（hysteretic piezoelectric constitutive law）來(lái)增強有限元多物理場(chǎng)模型，以獲得定量的聲音失真估計。
