中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
MEMS揚(yáng)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(zhǎng)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(duì)較大的驅(qū)動(dòng)力，壓電驅(qū)動(dòng)原理代表了微型揚(yáng)聲器最有前景的實(shí)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(jì)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(yáng)聲器，并準(zhǔn)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(xué)（Politecnico di Milano）的科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種入耳式應(yīng)用的高性能壓電MEMS揚(yáng)聲器。該揚(yáng)聲器基于其中心部件的活塞式運(yùn)動(dòng)，中心部件通過一組折疊彈簧連接到執(zhí)行器。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為30 Vpp時(shí)，該器件的聲壓級(jí)（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(yáng)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(jí)方面也證明了良好的數(shù)值-實(shí)驗(yàn)匹配性，從而為這類MEMS結(jié)構(gòu)的新系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yáng)聲器的示意圖。移動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)由四個(gè)梯形執(zhí)行器組成，通過一組適當(dāng)大小的折疊彈性彈簧連接到中心方形活塞。所提出的機(jī)械開敞（mechanically-open）特性依賴于由氣隙分隔的不同機(jī)械部件的存在。四個(gè)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(dòng)結(jié)構(gòu)下方的后腔。機(jī)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(yáng)聲器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為在可聽范圍內(nèi)具有獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)模式，其特征在于四個(gè)梯形執(zhí)行器和中心活塞的同步運(yùn)動(dòng)。
本文所提出的壓電MEMS揚(yáng)聲器的示意圖
通過COMSOL Multiphysics?v6.1中實(shí)現(xiàn)的電-機(jī)-聲有限元模型（FEM）模擬了所提出的MEMS揚(yáng)聲器的機(jī)械和聲學(xué)性能。該數(shù)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(duì)其動(dòng)態(tài)行為的精確估計(jì)。
本文所提出的壓電MEMS揚(yáng)聲器由意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）通過下圖所示的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程制造。
壓電MEMS揚(yáng)聲器的制造工藝（意法半導(dǎo)體制造）
研究人員進(jìn)行了力學(xué)和聲學(xué)測(cè)試，以評(píng)估微型MEMS揚(yáng)聲器的性能，并驗(yàn)證了有限元模型。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為30 Vpp時(shí)，MEMS揚(yáng)聲器的SPL從500 Hz開始大于107 dB。為了評(píng)估入耳式揚(yáng)聲器的聲音再現(xiàn)質(zhì)量，還進(jìn)行了THD測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1kHz、94dB SPL下，觀察到的THD小于1%。
在不同驅(qū)動(dòng)電壓下測(cè)得的SPL曲線
總而言之，在本項(xiàng)工作中，研究人員設(shè)計(jì)、模擬、制造和實(shí)驗(yàn)表征了一種入耳式應(yīng)用的全頻壓電MEMS揚(yáng)聲器。所提出的設(shè)計(jì)概念的主要新穎之處在于中心部件的活塞式運(yùn)動(dòng)，這要?dú)w功于一組折疊懸架彈簧。這使得MEMS揚(yáng)聲器有效面積最大化，并在全頻驅(qū)動(dòng)電壓和存在預(yù)應(yīng)力和幾何缺陷的情況下實(shí)現(xiàn)聲學(xué)封閉特征。所選擇的彈簧設(shè)計(jì)決定了微型揚(yáng)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(yáng)聲器的第一步，該揚(yáng)聲器不需要額外的封閉膜以最大限度地減少聲學(xué)損失。
本文所開發(fā)的全耦合電-機(jī)-聲有限元模型證明了良好的數(shù)值-實(shí)驗(yàn)匹配性，從而為一種新的系統(tǒng)先驗(yàn)設(shè)計(jì)工具開辟了道路，并可以指導(dǎo)未來(lái)高性能微型揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)過程。
未來(lái)的工作將通過優(yōu)化程序解決壓電MEMS揚(yáng)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(lái)增強(qiáng)有限元多物理場(chǎng)模型，以獲得定量的聲音失真估計(jì)。
