入耳式应用的高性能压电MEMS扬声器
2024-07-13 11:05:59 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员设计、模拟、制造和实验表征了一种入耳式应用的全频压电MEMS扬声器。所提出的设计概念的主要新颖之处在于中心部件的活塞式运动，这要归功于一组折叠悬架弹簧。这使得MEMS扬声器有效面积最大化，并在全频驱动电压和存在预应力和几何缺陷的情况下实现声学封闭特征。
MEMS扬声器正在成为一种非常有前途的音频解决方案，以满足现代音频设备日益增长的更小、更轻和更节能的需求。由于在低电压下可获得相对较大的驱动力，压电驱动原理代表了微型扬声器最有前景的实现方案。尽管在过去的几年中提出了大量的新结构，但仍然需要在设计层面和仿真层面进行大量研究工作，以获得具有良好音质的全频微型扬声器，并准确获取这些器件的线性和非线性响应。
据麦姆斯咨询报道，意大利米兰理工大学（Politecnico di Milano）的科研团队开发了一种入耳式应用的高性能压电MEMS扬声器。该扬声器基于其中心部件的活塞式运动，中心部件通过一组折叠弹簧连接到执行器。当驱动电压为30 Vpp时，该器件的声压级（SPL）从500 Hz开始大于107 dB，其体积小巧，尺寸为4.5 mm x 4.5 mm。在1kHz、94 dB SPL下，总谐波失真（THD）小于1%。因此，即使在原型阶段，本文所提出的器件也代表了一种有前景的高性能压电MEMS扬声器解决方案，其不需要额外的封闭膜以最大限度地减少声学损失。在声压级方面也证明了良好的数值-实验匹配性，从而为这类MEMS结构的新系统设计开辟了道路。相关研究成果以“On the Design and Modeling of a Full-Range Piezoelectric MEMS Loudspeaker for In-Ear Applications”为题发表在Journal of Microelectromechanical Systems期刊上。
下图为研究人员所提出的压电MEMS扬声器的示意图。移动机械结构由四个梯形执行器组成，通过一组适当大小的折叠弹性弹簧连接到中心方形活塞。所提出的机械开敞（mechanically-open）特性依赖于由气隙分隔的不同机械部件的存在。四个梯形执行器通过外部硅框架固定在衬底上，该外部硅框架也界定了位于移动结构下方的后腔。机械结构由13 μm多晶硅层制成，包括350 μm的外部框架宽度。微型扬声器的机械结构设计为在可听范围内具有独特的驱动振动模式，其特征在于四个梯形执行器和中心活塞的同步运动。
本文所提出的压电MEMS扬声器的示意图
通过COMSOL Multiphysics®v6.1中实现的电-机-声有限元模型（FEM）模拟了所提出的MEMS扬声器的机械和声学性能。该数值模型考虑了器件的实际功能中涉及的不同物理特性，以提供对其动态行为的精确估计。
本文所提出的压电MEMS扬声器由意法半导体（STMicroelectronics）通过下图所示的标准工艺流程制造。
压电MEMS扬声器的制造工艺（意法半导体制造）
研究人员进行了力学和声学测试，以评估微型MEMS扬声器的性能，并验证了有限元模型。当驱动电压为30 Vpp时，MEMS扬声器的SPL从500 Hz开始大于107 dB。为了评估入耳式扬声器的声音再现质量，还进行了THD测量。实验结果表明，在1kHz、94dB SPL下，观察到的THD小于1%。
在不同驱动电压下测得的SPL曲线
总而言之，在本项工作中，研究人员设计、模拟、制造和实验表征了一种入耳式应用的全频压电MEMS扬声器。所提出的设计概念的主要新颖之处在于中心部件的活塞式运动，这要归功于一组折叠悬架弹簧。这使得MEMS扬声器有效面积最大化，并在全频驱动电压和存在预应力和几何缺陷的情况下实现声学封闭特征。所选择的弹簧设计决定了微型扬声器的几何线性，允许在减少面积的情况下最大化SPL和最小化THD。因此，本文所提出的器件代表了迈向新型高性能压电MEMS扬声器的第一步，该扬声器不需要额外的封闭膜以最大限度地减少声学损失。
本文所开发的全耦合电-机-声有限元模型证明了良好的数值-实验匹配性，从而为一种新的系统先验设计工具开辟了道路，并可以指导未来高性能微型扬声器的设计过程。
未来的工作将通过优化程序解决压电MEMS扬声器位移体积和线性度的系统最大化问题。研究工作还将致力于通过引入迟滞压电本构定律（hysteretic piezoelectric constitutive law）来增强有限元多物理场模型，以获得定量的声音失真估计。
论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10252129
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