颠覆听觉体验？仅3x3mm的MEMS扬声器爆发出115dB震撼声压！

朋友们，你们有没有想过，未来的耳机不仅会越来越小、越来越智能，音质还会越来越顶？今天，我们要聊的这项黑科技，可能会让你对入耳式设备的想象再上一层楼！

引言：小耳机里的大乾坤

如今，无论是听音乐、打电话，还是享受AR/VR的沉浸感，入耳式设备已经成为我们生活中不可或缺的一部分。我们对它们的要求也越来越高：要小巧便携、要省电耐用、还要功能集成。传统的动圈和平衡电枢扬声器虽然经典，但在满足这些日益增长的需求方面，似乎有点“力不从心”了。

这时候，MEMS（微机电系统）扬声器闪亮登场！它凭借着半导体制造工艺的优势，不仅能做得非常小，成本效益高，还更容易集成其他电子元件，简直是为现代智能设备量身打造的。

然而，MEMS扬声器虽好，但在一个关键指标上——单位面积下的声压级（SPL）——一直没能完全释放潜力。简单来说，就是如何在极小的体积内发出足够大、足够好的声音，一直是业界努力攻克的难题。

突破！这款MEMS扬声器有点“猛”

现在，来自德国弗劳恩霍夫硅技术研究所（Fraunhofer ISIT）和基尔大学的科学家们带来了一项令人振奋的突破！他们研发出了一款全新的、完全集成的MEMS微型扬声器。

这款扬声器有多牛？

• 极致小巧：有效发声面积仅有 3×3 mm2！比我们小拇指的指甲盖还要小！
• 声压惊人：能在整个可听频率范围内产生高达 115 dB SPL 的声压级！这是什么概念？相当于近距离听到摇滚乐队演奏的声音！更重要的是，其单位面积声压级达到了 95.7 dB SPL/mm2，超越了目前已知的顶尖水平。
• 失真极低：总谐波失真（THD）低于 1%，这意味着声音更纯净、更真实。
• 高灵敏度：在宽广的频率范围内，灵敏度高达 134 dB SPL/mW，这意味着它非常省电。

这项研究为未来MEMS扬声器的发展奠定了坚实的基础，预示着我们的入耳式设备将迎来更小巧、更强大、音质更出色的时代！

揭秘：小身材如何迸发大能量？

这款MEMS扬声器的核心设计理念是基于单悬臂梁压电驱动。想象一下，它有三个微小的矩形悬臂梁，这些悬臂梁同时充当振膜。当施加交流电场时，压电材料会使悬臂梁振动，从而产生声波。

图片说明：论文中的图1展示了这款MEMS扬声器的3D结构和横截面示意图，可以清晰地看到三个悬臂梁驱动器和声学屏蔽结构。

为了让这些悬臂梁能够自由振动，它们周围设计了非常狭窄的间隙（仅3微米宽！）。巧妙的是，这些微小的间隙利用了粘滞边界层效应，有效阻止了扬声器前后两侧的声短路，保证了声音的效率。

更关键的是，研究人员引入了高度为 135 微米的SU-8声学屏蔽（acoustic shield）。这个“盾牌”有两个重要作用：

1. 在悬臂梁向上偏转运动时，维持这个狭窄间隙的完整性。
2. 进一步防止声短路，确保声音能量都向前辐射。

这种非对称的悬臂梁设计，加上声学屏蔽，使得单位面积的平均位移最大化，从而在极小的尺寸下实现了高声压输出。

仿真先行，实验验证

为了验证设计理念的声学性能，研究团队首先使用了Comsol Multiphysics进行有限元仿真。仿真模型尽可能地模拟了实际测试环境，包括MEMS扬声器本身、原型扬声器外壳以及IEC 60318-4标准耳模拟器。

图片说明：图2展示了仿真模型的示意图。图3则通过仿真结果展示了机械解耦间隙宽度和频率对间隙内声速以及声压级的影响，论证了3微米间隙的优越性。

仿真结果（如下图4所示）预测，在 26.7 Vpp 的驱动电压和 150 µm 的最大偏转下，该扬声器能产生 115.3 dB SPL 的声压级。

图片说明：图4展示了所提出设计的仿真频率响应曲线，清晰显示了其在不同频率下的声压级表现和机械共振点。

精密的制造工艺

这款高性能MEMS扬声器是在弗劳恩霍夫ISIT的洁净室中，基于200mm晶圆衬底 制造的。其工艺流程相当复杂，涉及到多晶硅沉积、PZT（锆钛酸铅）压电薄膜的溅射、电极的干法刻蚀、SU-8声学屏蔽的光刻构建以及最终的芯片释放等多个精密步骤。

图片说明：图5展示了MEMS扬声器制造过程的关键步骤截面图，可以让读者对MEMS的制造有一个直观的了解。

图片说明：图6是制造完成的扬声器芯片的扫描电镜图和照片，展示了实际器件的精细结构，特别是声学屏蔽和解耦间隙。

实测性能：不负众望！

理论和仿真都非常出色，那么实际测试结果如何呢？

研究人员将制造出的扬声器芯片组装到测试外壳中，并连接到GRAS RA0401耳模拟器进行声学测试。

• 频率响应与仿真高度吻合：

  实验测得的频率响应与仿真结果表现出良好的一致性，验证了数值模型的准确性。在非共振区域，2 Vpp 驱动下声压级约为 93 dB SPL。

     

  
  

  图片说明：图7对比了仿真和实测的频率响应曲线，两者高度吻合。

• 高声压级与线性度：

  通过滤波器对频率响应进行校正（例如，叠加哈曼目标曲线），在 24 Vpp 的驱动电压下，扬声器实现了 115 dB SPL 的声压级，对应的单位面积声压级为 95.7 dB SPL/mm2。同时，不同驱动电压下的测试表明，扬声器具有良好的线性度。

     

  
  

  图片说明：图9a展示了经过哈曼目标曲线滤波后的频率响应，在不同驱动电压下均能很好地复现目标曲线。图9b则展示了不同频率下声压级随驱动电压变化的线性关系。

• 出色的灵敏度和低功耗：

  阻抗测试表明，扬声器呈现出典型的容性行为。结合频率响应计算出的灵敏度非常出色，在低频区域高达 130 dB SPL/mW，在1.5 kHz的第一个机械共振点达到峰值 134.2 dB SPL/mW。这意味着它非常节能，对于无线设备来说至关重要。

     

  
  

  图片说明：图10展示了MEMS扬声器的灵敏度曲线及其电学阻抗的幅度和相位（内嵌图）。

• 极低的总谐波失真 (THD)：

  在典型的 94 dB @ 1 kHz 测试条件下，THD 低于 0.2%。即使在更高的声压级下，THD 在大部分频率范围内也远低于1%。虽然在共振频率的次谐波处（如500 Hz和750 Hz）THD略有上升，但峰值也仅为1.2%和2.4%（平坦滤波器下），预计不会显著影响听感。

     

  
  

  图片说明：图11展示了在不同滤波条件和目标声压级下的总谐波失真（THD）曲线，证明了其优异的音频再现质量。

意义非凡，未来可期

这项研究成果无疑是MEMS扬声器领域的一大步。它不仅在小型化和高声压输出方面超越了现有技术水平，而且其优异的能效和低失真特性，使其成为下一代入耳式设备的理想选择。

想象一下，未来的TWS耳机、助听器、AR/VR眼镜等设备，都可能因为这项技术而变得更小、更轻、续航更长，同时还能提供前所未有的听觉盛宴。

研究团队表示，他们还在继续努力，未来的工作重点包括：

• 进一步小型化和更高的声压级：例如通过实现更高的声学屏蔽。
• 采用新型压电材料：如AlScN（氮化铝钪）多层膜，有望在相同尺寸下实现6dB的声压级提升，并带来更高的能效和更低的失真。
• 针对特定应用的优化：包括优化阻尼和声学定制外壳等。

结语

科技的进步总是在不断突破我们的想象。这款仅有 3×3 mm2 大小却能爆发出115dB声压的MEMS扬声器，正是这种突破的生动体现。它让我们有理由相信，更加极致、更加沉浸的个人音频体验，离我们越来越近了！

你对这项技术有什么看法？你期待未来的耳机有哪些黑科技？欢迎在评论区留言讨论！