PS46×46片式微型压电扬声器振子的设计与应用

周　涛，文　理，刘超英

（1.广东捷成科创电子股份有限公司，广东 肇庆　526060；2.肇庆学院 电子信息与机电工程学院，广东 肇庆　526061）

PS46×46片式微型压电扬声器振子的设计与应用

周涛1，文理1，刘超英2

（1.广东捷成科创电子股份有限公司，广东 肇庆526060；2.肇庆学院 电子信息与机电工程学院，广东 肇庆526061）

片式压电平板扬声器是继传统动圈式扬声器之后发展起来的新型扬声器，具有电磁干扰小、功率低、结构简单、重量轻、尺寸薄的优点.压电扬声器的振子直接决定了其片式压电平板扬声器的性能，本文从PS46×46片式压电扬声器的材料、工艺、结构及应用等方面进行了研究分析.

片式；微型压电扬声器；材料；工艺；结构

0　引言

片式压电平板扬声器是继传统动圈式扬声器之后发展起来的新型扬声器，是压电陶瓷［1-5］的一种新型应用.与传统的动圈式扬声器相比（见图1），压电平板扬声器（见图2）具有以下几方面优势：

1）压电平板扬声器结构中不需要磁铁，因而也不会存在任何磁场对周围电路产生干扰和影响.

2）仅需压电陶瓷片和振膜即可构成发声结构，其结构简单且可靠性高.

3）压电平板扬声器的厚度超薄，目前所制成的压电扬声器本身的厚度仅有0.7 mm，而动圈式扬声器的厚度一般在2.4 mm以上.相比之下，压电平板扬声器可安装于更为狭小的空间中，这一优势使其在当今市场中极具竞争力.

4）压电平板扬声器具有轻便的特点，重量一般小于1 g，比传统的动圈扬声器轻30%～50%.

5）压电平板扬声器的功耗低，一般小于15 mW，是动圈式扬声器消耗功率的1/5～1/2，这大大延长了器件的电池寿命.

6）压电平板扬声器的声学设计简单，背面只需很少空间.

图1　动圈扬声器结构图

图2　压电平板扬声器结构图

片式压电平板扬声器已成功生产出新一代压电扬声器（外型结构见图3），PS46×46片式压电扬声器是高性能多层压电扬声器中的一种.该扬声器可应用于高声压要求的手机、平板终端设备、MID（mobile inter-net device移动互联网设备）、掌上电脑（PDA）、笔记本电脑、便携式音频播放器、电子书、电子词典、手持游戏机等消费类电子产品领域.

片式压电平板扬声器的核心技术包括压电陶瓷材料配方设计、制程控制、元件结构优化设计和扬声器模块设计.

1　设计与应用

1.1高性能、高可靠性的压电陶瓷材料

高性能、高可靠性的压电陶瓷材料，是制备性能优异的PS46型微型压电扬声器的重要前提.我们需要尽可能地提高陶瓷材料的机电耦合系数，以获得较大的机电转换效率；同时，需要改善其电性能参数的疲劳特性和老化特性.

为实现材料的高性能，我们选取了（PMN-PZN-PZT）四元系压电陶瓷.通过优化设计PZT-PMN-PZN多元压电组成体系，设计与具有高介电常数的驰豫铁电材料复合的近准同型相界组成.先确定PMN-PZN-PZT主晶相的成分，经实验证明，PMN的增多使陶瓷的晶体结构从四方相过渡到三方相，准同型相界的位置在PMN含量为6 mol处.此处电性能发生了突变，压电常数、介电常数及机电耦合系数达到极大值，而介电损耗达到最大值，机械品质因数达到最小值.由于PMN属于“硬性”掺杂物，故增加它将使PMN-PZN-PZT陶瓷的介电常数、压电常数降低，机械品质因数升高.由于Zn-O的结合能大于Mn-O的结合能，Mn离子在氧八面体偏位处的稳定性较低，自发极化定向不稳定，较低的热运动能即可摧毁其铁电态，故PMN的居里点低于PZN的居里点.随着PMN的增多，PMN-PZN-PZT压电陶瓷居里点将会下降，因此，要在确保性能最优化的情况下，选取合理的PMN-PZN-PZT配比.

在确定了主晶相的情况下，通过掺杂进一步优化及提高材料的电性能.引入微量的掺杂元素（La，Sb）及多种其他元素进一步优化材料的电性能，对PMN-PZN-PZT压电陶瓷进行Sr离子掺杂，Sr离子的半径小于Pb离子的半径，Sr离子的加入导致陶瓷的晶体结构发生畸变，使晶体结构从三方相转变为四方相.随着Sr离子的增多，陶瓷的介电常数、压电常数及机械品质因数都得到了提高，而机电耦合系数略有降低.在具有良好性能配方的基础上，添加了SiO2.研究发现，SiO2在烧结前期作为助熔剂降低了陶瓷的烧结温度，在烧结后期又溶入到主晶格，起到掺杂改性的作用.掺杂SiO2的质量分数为0.05时，压电常数、介电常数及介电损耗均达到了最大值，随着SiO2含量的增多，陶瓷中出现了非晶相，恶化了陶瓷的电性能.电畴的翻转特性可达到提高机电耦合性能、改善疲劳和老化特性的目的.通过选择合适的氧化物（氧化锶、氧化硅、氧化镧、氧化锑）及适宜的比例，获得性能优异的高性能的材料配方；通过引入微量的掺杂元素及其他的多种稀土类元素，进一步优化电畴的翻转特性，达到提高机电耦合性能、改善疲劳和老化特性的目的.

压电陶瓷材料的电性能如表1所示.

表1　压电陶瓷材料的电性能

1.2高性能、高质量超薄多层压电陶瓷的制备技术

笔者采用一种新的粉体制作方法——如粉体快速合成工艺，使合成压电材料细晶化；采用具有发明专利授权的流延成型工艺，使用自动精密流延机制成厚度10～30 μm的薄膜，可以减少微气孔数，避免烧结时晶粒长大.

流延浆料制备技术是具有独创性的，它摒弃了传统工艺先将超细粉料制备成干粉，然后再将粘合剂、增塑剂等添加剂按配方加入进行混合的做法.我们通过对超细粉料制备过程的有效控制，直接加入添加剂混合并得到性能很好的浆料，从而减少了生产环节，降低了二次污染的可能性，在提高生产效率的同时降低了能耗.

既要显著降低粘合剂的含量，又要保证生坯片具有足够的强度和韧性，这既是矛盾所在，也是最大的困难所在.通过加入少量的表面活性剂、增韧剂，可以使流延浆料中的粘合剂、溶剂含量大幅度降低，但其稀稠度和流变性不会改变.

采用介质层之间粘接的工艺制备多层陶瓷片，通过不断完善制备工艺，可以保障所获得的多层压电陶瓷的可靠性、稳定性和成品率.

拟解决方法：采用水基流延法制备10～30 μm超薄陶瓷坯膜.采用丝网印刷技术，获得粘结层可控且稳定性高的多层压电陶瓷片.

我们采用叠片烧结工艺制得单个平整的陶瓷片，大尺寸的超薄陶瓷膜片在高温烧结时会发生变形、弯曲.笔者的研究项目创新研发出一种新型的烧结工艺方法，可制备出平整度高的超薄陶瓷介质.

本研究采用胶粘工艺，将多个压电片进行逐层粘接，加热固化后形成一体化，制得多层压电片.采用这种工艺方法生产的陶瓷致密度高，陶瓷与电极的烧渗强度高，压电片与压电片的胶粘强度大，多层压电片与金属片的胶粘强度大，因此，多层压电扬声器振子不但声压高、音质好、灵敏度高，并且产品的可靠性得到有效保障.

1.3PS46型微型压电扬声器的设计

PS46型微型压电扬声器是一个机-电-声耦合系统，涉及材料、声学、电子、机械等多个学科领域.

解决方法：通过有限元法和传统动力学方法，建立机-电-声耦合系统模型，其分析结果既有等效电路法的简洁性和直观性，又能获得有限元法的定量分析结果.

结合矩形薄型压电振子在静电压下的受力形式并利用功的互等理论，可得到矩形薄型压电振子静态变形的解析.将对算例变形的计算结果与ANSYS的仿真结果及实验结果进行比对，可看出矩形薄型压电振子静态变形的形状和变形大小数量级的理论计算值均正确，但理论计算得出的最大变形量为2.39 μm，与ANSYS仿真值8.26 μm及实测值7.8 μm的偏差很大.由此可见ANSYS仿真的定量结果较为可信，但理论计算对理解矩形薄型压电振子的变形机理和影响因素仍有一定意义.本文中，笔者基于ANSYS仿真，研究了电压、陶瓷片的边长、厚度、材料、层数及振动板的厚度、材料对矩形薄型压电振子静态变形的影响.

改进后的PS46型微型压电扬声器的各项指标如下：

压电陶瓷层数为1～5层，压电陶瓷的层厚为10～30μm，压电扬声器厚度≤0.7 mm，器件规格尺寸为46 mm×46 mm；器件的初次谐频频率范围≤250 Hz，平均灵敏度规格≥110 dB（1 V，31.6 mm，轴向测试），波动度（初次谐振频率附近）≤4 dB（1 V，31.6 mm，轴向测试）（见图4）；抗疲劳性能：初次谐振频率附近可连续工作3个月以上，可听域频段上能连续工作6个月以上.

图3　PS46压电平板扬声器外观图

图4　PS46压电平板扬声器频谱图

1.4应用

该产品已应用于一些高声压要求的手机、平板终端设备、MID（mobile internet device移动互联网设备）、掌上电脑（PDA）、笔记本电脑、便携式音频播放器、电子书、电子词典、手持游戏机等消费类电领域（见图5）.

图5　压电平板扬声器应用领域

2　工艺流程

片式压电扬声器振子的工艺路线见图6.

图6　片式压电扬声器振子的工艺路线图

3　结语

开发大功率压电陶瓷材料，可采用粉体快速合成工艺使超薄压电陶瓷片（10～30 μm）细晶化，解决绝缘电阻下降的问题；采用水基流延制备10～30 μm超薄陶瓷坯膜；以超薄陶瓷片及介质层之间的粘接工艺制备高性能、高质量的多层压电陶瓷；在46 mm×46 mm×0.05 mm的金属基片上排列4片多层结构的压电片，优化PS46型微型压电扬声器的中低频特性，提高其声压并增大其功率.

［1］马元，沈建兴，闫春蕾.PZT压电陶瓷液相低温烧结技术的研究进展［J］.山东轻工业学院学报，2008，22（4）：15-17.

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［3］陈丰.关于PZT压电陶瓷低温活化烧结的研究进展［J］.材料导报，2007，21（1）：26-29.

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The Design andApplication of PS46×46 Chip Micro Piezoelectric Loudspeaker

ZHOU Tao，WEN Li，LIU Chaoying
（1.Guangdong Jiecheng Electronic Limited by Share Ltd，Zhaoqing，Guangdong 526060，China；
2.College of Electronic Information and Mechatronic Engineering，Zhaoqing University，Zhaoqing，Guangdong 526061，China）

ractWith the advantage of small electromagnetic interference，low power，simple structure，light weight，and thin dimensions，chip piezoelectric panel speaker is a new speaker developed after the traditional moving coil loudspeaker.Piezoelectric speaker vibrator directly determines the pressure performance of the chip electric flat panel loudspeaker.The present paper analyzes the PS46 x 46 of chip pressure electric loudspeaker of the material，process，structure and application.

ordschip；micro piezoelectric speaker；material；process；structure

TN384

A

1009-8445（2016）02-0043-05

（责任编辑：陈静）

2015-12-08

肇庆市科学技术计划项目（2012G031）

周涛（1973-），男，四川宜宾人，广东捷成科创电子股份有限公司研发部研究人员.