中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近期，來(lái)自中國科學(xué)院聲學(xué)研究所的科研人員（安志武、汪曉潔）提出一種采用新型扇環(huán)驅動(dòng)單元的揚聲器振膜結構，具備出色的聲壓級和平坦的高頻響應。該研究工作為壓電MEMS揚聲器的設計與優(yōu)化提供了新的思路，相關(guān)研究成果已發(fā)表于《壓電與聲光》期刊。
MEMS揚聲器具有高精度、小尺寸、低功耗、片上電路集成、批量制造、低成本、高可靠性和可重復性等特點(diǎn)。其驅動(dòng)方式一般分為電磁、靜電和壓電三種。目前，壓電薄膜材料（ZnO、AIN和PZT等）已被廣泛應用于傳感和驅動(dòng)，基于壓電效應的MEMS揚聲器具有功耗低、單振膜結構、制造加工簡(jiǎn)單及頻率響應寬等優(yōu)點(diǎn)。不過(guò)，輸出聲壓級不足、頻率響應不平坦等問(wèn)題仍是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。
現有MEMS揚聲器結構示意圖：固支的圓形振膜壓電MEMS揚聲器
為了解決以上問(wèn)題，研究人員提出了一種的新型揚聲器結構。該揚聲器振膜包括四個(gè)相同的扇環(huán)驅動(dòng)單元（含有支撐層、底電極、壓電層、頂電極），分布在半徑為1.5mm的圓中，中間是圓形質(zhì)量塊，襯底為絕緣體上硅（SOI），上表面覆有一層聚酰亞胺柔性膜，形成剛性-柔性耦合封閉振動(dòng)膜。
新型扇環(huán)驅動(dòng)單元的揚聲器仰視示意圖
該扇環(huán)驅動(dòng)單元的振膜結構在尺寸等關(guān)鍵參數上，均與固支的圓形多層振膜參考結構保持一致。研究人員利用有限元仿真軟件對扇環(huán)驅動(dòng)結構中的圓形質(zhì)量塊半徑r2和相鄰扇環(huán)的相鄰邊夾角θ等關(guān)鍵參數進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現當θ = 50°，r2 = 700μm，f0 ＝ 9689.4Hz時(shí)，對應的聲壓級最大。
f0與θ、r2關(guān)系色度圖
1kHz處的聲壓級與θ、r2關(guān)系色度圖
研究人員通過(guò)計算，進(jìn)一步得出該新型扇環(huán)驅動(dòng)單元結構與參考結構的壓電MEMS揚聲器頻率響應曲線(xiàn)。在保持振膜面積相同和振膜諧振頻率基本一致的情況下，與參考結構壓電MEMS揚聲器進(jìn)行比較，在100Hz~9.3kHz內，該新型扇環(huán)驅動(dòng)單元結構比優(yōu)化后參考結構壓電MEMS揚聲器的聲壓級高5dB，且高頻響應更平坦。
扇環(huán)驅動(dòng)單元結構和參考結構壓電MEMS揚聲器頻響曲線(xiàn)對比
隨著(zhù)壓電薄膜工藝技術(shù)和材料性能的不斷提高，壓電MEMS揚聲器的性能也不斷增強。為了進(jìn)一步實(shí)現壓電MEMS揚聲器的小型化、高聲壓級和平坦的頻率響應，未來(lái)還需要在振膜結構、電極設計、陣列設計等方面不斷創(chuàng )新，以更好地滿(mǎn)足手機、筆記本電腦、可穿戴設備、醫療成像設備以及各種新興應用的需求。
