新型无膜片两分频MEMS扬声器特性

随着声学微机电系统（MEMS）成为移动应用麦克风领域的最新以及最普遍的技术，大家对使用MEMS技术替代传统的动圈微型扬声器越来越感兴趣。

不过目前MEMS扬声器并未开始大规模使用，原因在于目前大部分MEMS扬声器声压级SPL还不够，或者部分能达到较高声压级的MEMS扬声器的制造工艺复杂而且昂贵。

介绍一种新型的压电微机电扬声器。基于同心的锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）的内外两分频集成MEMS扬声器。

和之前介绍过的压电MEMS入耳式耳机的单元类似，没有封闭的膜片，以提高压电片位移，改善声学性能，以及提高电声转换效率，还便于生产制造。

压电MEMS入耳式耳机的设计与电声分析

下图是我复现的压电MEMS入耳式耳机的有限元仿真结果，其中的膜片振动情况，以及仿真得到的1V激励时未加EQ，耳膜处的频响曲线。

通过有限元分析研究表明，在30V激励下工作的1cm² 尺寸的产品，测试距离10cm，在500Hz处声压级超过79dB，800Hz以上的频率声压级可以做到89dB。

已使用MEMS技术制造了第一批扬声器的原型样品。

产品的截面图

产品的俯视图

使用15μm厚的多晶硅+2μm厚的PZT，激励电压30V，产品面积10*10mm² 。

进行有限元仿真，位移可以达到0.4mm。

100Hz的横截面位移分布

对比不同片的间隙，5μm和25μm的速度场分布

对于5μm的小间隙，其导致的轻微泄漏，对整体流动行为的影响可忽略不计

。而如果间隙尺寸为25μm，则会导致明显的声损耗。

另外间隙过大时还需要考虑前后腔体的声短路影响。针对其中的高音扬声器，仿真对比不同间隙的频率响应曲线。驱动电压30V，尺寸4*4mm²。

和预期的类似，如果间隙大于25μm，低于5 kHz的声损耗显著提升，导致SPL急剧下降。然而，对于小于10μm的间隙，由于声短路几乎消失，这意味着驱动器在声学上表现得像一个封闭的膜。

下图时30V激励电压，且未做EQ处理时，仿真得到的低音、高音、整体的频响曲线。可以从800Hz到20kHz实现>89dB的声压级。

使用硅MEMS技术制作了上面描述的扬声器样品。

制作工艺流程

最终成品照片，还挺精致漂亮

使用扫描电子显微镜检查细节，高音间隙9μm

由于MEMS扬声器的高能效，可制造性以及可扩展性等其他优势，在包括可穿戴设备在内的广泛移动应用中显示出巨大潜力。未来可期。

大家也要多储备相关的知识和技能。可能将迎来一个新的时代变革。