中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
可穿戴電子產(chǎn)品、真無(wú)線(xiàn)立體聲（TWS）耳機、智能手機和智能控制器的持續發(fā)展，催生了對微型揚聲器的巨大需求。然而，在電子設備的小型化進(jìn)程中，如何在有限體積內實(shí)現聲學(xué)性能優(yōu)化是一項關(guān)鍵挑戰。
近期，臺灣大學(xué)（National Taiwan University）和塞吉巴黎大學(xué)（CY Cergy Paris University）等機構的研究團隊通過(guò)自主研發(fā)的氣溶膠沉積技術(shù)與金屬MEMS微加工工藝相結合，開(kāi)發(fā)了兩種壓電驅動(dòng)微型揚聲器結構，可用于制造低音揚聲器單元。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。
在這項工作中，研究人員提出兩種壓電驅動(dòng)微型揚聲器結構：?jiǎn)螌訅弘婋p晶片（BSL）結構和多層壓電雙晶片（BML）結構。它們是利用自主研發(fā)的氣溶膠沉積方法以及金屬MEMS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(guò)結構優(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，結合振膜與印刷電路板（PCB）構成完整的揚聲器模塊。
與雙面均采用單一厚層PZT薄膜的BSL結構相比，BML結構通過(guò)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(guò)標準金屬MEMS工藝制備，在保證成本效益的同時(shí)，具備大規模量產(chǎn)的可行性。
圖1 壓電驅動(dòng)微型揚聲器的分解圖：（a）BSL結構；（b）BML結構
研究人員采用符合IEC-60318-4標準的耳道模擬器對兩種結構的微型揚聲器進(jìn)行了封閉聲場(chǎng)測量分析。結果表明，BSL結構在1 kHz以下呈現平穩的聲壓級響應，在15 Vpp和30 Vpp電壓下，其峰值聲壓級分別為92.4 dB和98.4 dB。對于BML結構而言，其在沉積四層5 μm壓電薄膜時(shí)，膜厚偏差可控制在8%以?xún)?，在保持結構對稱(chēng)性的同時(shí)，其頻率響應趨勢在不同驅動(dòng)電壓下呈現一致性規律，且實(shí)現了更高的聲壓級，在15 Vpp和30 Vpp電壓下，峰值聲壓級分別為102.2 dB和108.2 dB。
圖4 兩種雙晶片結構在不同驅動(dòng)電壓下的性能對比
綜上所述，這項研究工作開(kāi)發(fā)了兩種適用于制造低音揚聲器單元的壓電驅動(dòng)微型揚聲器結構，研究證明，所開(kāi)發(fā)的BML結構揚聲器，在較低的驅動(dòng)電壓下，能夠達到與BSL結構揚聲器相當的聲壓級性能。這項研究為提升微型揚聲器在低頻范圍內的聲壓級性能提供了重要思路。
