压电MEMS扬声器的设计与优化

汪晓洁 ，安志武(1.中国科学院 声学研究所 声场声信息国家重点实验室，北京 100190; 2.中国科学院大学，北京 100049)

0 引言

微机电系统(MEMS)技术利用半导体工艺和体硅微加工工艺制备微结构，该技术已广泛应用于各种应用芯片的制造，特别是微传感器，如加速度计、陀螺仪及传声器等领域。微执行器因输出力及位移等较小而在应用中受限[1]。近些年，微执行器在声学器件上备受关注，如xMEMS、USound等国外新创公司正致力于开发研究性能更好的扬声器。扬声器是日常生活中的一种基本声学设备，是便携式笔记本电脑、智能手机、无线耳机、助听器及人机界面等移动电子设备的核心部件之一[2]。随着电子器件小型化的趋势，国外企业已经利用MEMS技术开发了几种微型扬声器，如xMEMS在2020年发布了全球第一款单芯片MEMS扬声器Monolithic，USound推出了Conamara UT-P4010等扬声器。

MEMS技术制成的扬声器具有高精度、小尺寸、低功耗、片上电路集成、批量制造、低成本、高可靠性和可重复性等特性。但如何在体积小及功耗低的情况下实现足够的声压级是目前MEMS扬声器设计中最关键的问题。

MEMS扬声器的驱动方式一般有电磁、静电和压电3种[3-7]，其中最常用的方式是电磁力(洛伦兹力)。电磁MEMS扬声器可提供更大的驱动力和振膜位移，因此，可以获得更好的声学性能[1,3]。但其制造过程较复杂，且通常需组装磁体。这种非批量组装过程会增加电磁MEMS扬声器的额外成本，同时磁体尺寸也难以减小，制造工艺和磁体集成是电磁MEMS扬声器面临的挑战。

静电MEMS扬声器由2个独立电极产生静电力来驱动，通常能与CMOS工艺兼容，且易与IC电路集成[4-5]。然而静电MEMS扬声器制造工艺较复杂，驱动电压较高，电极间的初始间隙造成的吸合效应和有限的声压级也是其面临的难题[6-7]。

逆压电效应是驱动MEMS扬声器的另一种方法。压电薄膜材料(ZnO、AlN和PZT等)已被广泛应用于传感和驱动。MEMS工艺制造的压电扬声器具有功耗低，单振膜结构，制造加工简单及频率响应宽等优点[8-10]。近年来，随着压电薄膜工艺技术和材料性能的不断提高，进一步促进了压电MEMS扬声器性能增强。压电常数影响机电转换效率，决定了扬声器等驱动应用的性能。通常，PZT薄膜具有最高的d31压电常数[11]。因此，本文选用PZT薄膜作为压电MEMS扬声器的压电层。

目前，国内外已开展压电MEMS扬声器的相关研究，并取得较大进展，但输出声压级不足，频率响应不平坦。一般压电MEMS扬声器需要在宽频率范围内，特别是在自由场和低频下，声压级高(大于90 dB)时才能广泛应用于手机、笔记本电脑、可穿戴电子设备和物联网等领域[12]。为了实现小尺寸、高输出声压和平坦的频率响应，在振膜结构、电极设计、阵列设计等方面已有研究，以便提高其声压级。如Stoppel等[10]提出，在4 mm×4 mm的方形振膜上开口使振膜有更大的平面外位移，以增强声压级，但带有未密封振膜的扬声器存在声学损失。Cheng等[1]提出一种双曲线悬挂弹簧和双电极结构来增强振膜的平面外位移，从而改善低频声压级。电压峰-峰值为2 V下，在人耳模拟器中进行测量，双曲线弹簧结构在谐振频率1.85 kHz处的声压级比固支的圆形振膜扬声器结构高28 dB，100 Hz～3 kHz内，声压级高10 dB，显著增强了低频声压级。Tseng等[13]提出了一种由4个三角形板、1个连接质量和双驱动电极的压电MEMS扬声器结构，并带有5个扬声器阵列形式，以进一步增强声压级。研究发现，双驱动电极(两电极反相)在1 kHz处的声压级比单驱动电极(内部或外部电极)的声压级高9.5 dB。

为提高压电MEMS扬声器的声压级，本文提出了一种新型的振膜结构，优化其关键结构参数。仿真模拟自由场测试条件，驱动电压为10 V下，在振膜中心上方3 cm处测量声压级，在保持振膜面积相同、振膜谐振频率基本一致的情况下，与优化后的参考结构进行比较，所提出的新型结构声压级高5 dB。

1 参考扬声器结构设计

1.1 固支的圆形振膜压电MEMS扬声器的结构设计

现有扬声器结构主要以固支的圆形多层振膜为主，本文利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件进行该参考结构的仿真研究。图1为该压电MEMS扬声器的横截面示意图。该结构是由支撑层(Si)、底电极层(Pt)、压电层(PZT)和顶电极(Au)层等组成。其中ZrO2作为绝缘层，防止漏电流的产生，同时作为底电极Pt的粘附层。

图1 固支的圆形振膜压电MEMS扬声器的横截面示意图

当在压电层的顶部和底部电极上施加电压后，基于逆压电效应，压电层在横向(针对d31振动模式)产生应变，压电层发生一定的伸长或缩短。因压电层受与其接合在一起的较厚支撑层及边界的约束，其带动支撑层一起产生向上/向下弯曲，使整个振膜弯曲振动而产生声波。

压电MEMS扬声器的主要性能参数包括谐振频率、输出声压级SPL、尺寸、带宽、总谐波失真和功耗等。本文重点讨论扬声器的一阶谐振频率f0、输出SPL，以及尺寸参数对f0和输出SPL的影响。

根据亥姆霍兹方程可计算出振膜的声压输出。如图2所示，以类活塞运动为参考，采用瑞利积分，圆形振膜的有效压力幅值P(z)[14]可表示为

(1)

式中：ρ1为空气密度；f为振动频率；a为振膜的半径；w(r)为振膜在径向距离r处的振幅；z为振膜到声压测量处的距离。

图2 振膜声压计算图

将声学振膜的振动简化为活塞在无限大挡板上的振动时，则SPL可简化[12]为

(2)

式中Pref=20 μPa为参考有效声压值。

由于压电MEMS扬声器振膜的横向尺寸远大于薄膜厚度，振膜可看作为薄板，固支圆形压电振动板的模型已有研究，基于Kirchhoff板理论，利用平衡方程推导出解析解[15]，扬声器振膜的一阶谐振频率f0为

(3)

式中：D为等效弯曲刚度；ρ为平均面积密度。且[16]：

(4)

(5)

式中：Ei、υi、hi、ρi分别为第i层的杨氏模量、泊松比、厚度和体积密度；di为中性轴Zn到第i层中平面的距离(见图3)。图3中，Zn为参考轴到中性轴的距离，Zi为第i层中心到参考轴的距离。

图3 扬声器多层薄膜中性轴计算原理图

扬声器振膜是由压电层和支撑层等组成的多层薄膜，支撑层厚度必须与压电层厚度相匹配。理想情况下，多层振膜的中性轴位于压电层的边缘，最大限度地提高振膜的振动幅度。复合振膜的Zn[12]可表示为

(6)

MEMS扬声器的输出声压级与振膜振动面积和幅度有关。本文保持振膜面积不变，合理设置压电层和支撑层厚度，使中性轴处于合适位置，以增加振膜的面外位移，从而提高声压级。同时需合理设计振膜的谐振频率，为了抑制寄生本征模，并获得超过20 kHz的高再现带宽[10]，设f0约为10 kHz。

1.2 固支的圆形振膜压电MEMS扬声器的电极优化

保持振膜半径R、Pt层厚度、Au层厚度及驱动电压等不变。图4是保持Si层厚度为5 μm，改变PZT层厚度，振膜中心处位移随着顶电极半径r与R之比(r/R)的变化关系。图5是保持PZT层厚度为5 μm，改变Si层厚度，振膜中心处的位移与r/R的变化关系。结合图4、5可知，PZT层、Si层厚度的变化对r/R最优结果基本无影响。固支的圆形多层振膜顶电极半径r是振膜半径R的55%，即r/R=55%时，振膜振幅最大。

图4 Si层厚为5 μm，不同PZT层厚度下，振膜中心处位移随r/R变化曲线

图5 PZT层厚为5μm，不同Si层厚度下，振膜中心处位移随r/R变化曲线

1.3 固支的圆形振膜压电MEMS扬声器的压电层与支撑层厚度优化

圆形振膜半径R为1.5mm，Pt层厚为200 nm，Au层厚为200 nm，顶电极半径为0.825 mm，驱动电压为10 V，设该扬声器谐振频率约为10 kHz，仿真优化Si层和PZT层厚度。图6、7分别为不同Si层、PZT层与谐振频率和声压级的关系色度图。由图6、7可知，改变Si层、PZT层厚度，当Si层厚为6 μm、PZT层厚为3 μm时，f0=9 773.1 Hz。驱动电压为10 V下，在1 kHz处对应的声压级为52.5 dB。将其代入式(3)计算可得该固支的圆形振膜压电MEMS扬声器的理论值(f0=9 782.7 Hz)与仿真计算值(f0=9 773.1 Hz)基本一致。

图6 一阶谐振频率与Si层、PZT层厚度的关系色度图

图7 1 kHz处声压级与Si层、PZT层厚度的关系色度图

2 新型扇环驱动单元扬声器结构设计

图8为本文提出的一种通过刚柔振动耦合机制实现的压电MEMS扬声器的仰视图，包括4个相同的扇环压电悬臂(含有支撑层、底电极、压电层、顶电极)，分布在半径为1.5 mm的圆中，中间是圆形质量块。衬底为绝缘体上硅(SOI)。上表面覆有一层聚酰亚胺柔性膜，形成刚性-柔性耦合封闭振动膜。

图8 新型扇环驱动单元的扬声器的仰视示意图

本文所提出的新型扇环驱动单元的振膜结构尺寸等参数均与上述固支的圆形多层振膜参考结构保持一致。柔性膜厚为500 nm，设该扬声器的f0约为10 kHz。改变中间圆形质量块半径r2及相邻扇环的相临边夹角θ，使f0约为10 kHz时对应的声压级最大。参数化扫描，f0与θ、r2关系色度图如图9所示。1 kHz处的声压级与θ、r2关系色度图如图10所示。仿真优化可得，当θ=50°，r2=700 μm时，f0=9 689.4 Hz，1 kHz处的声压级为56.8 dB。

图9 f0与θ、r2关系色度图

图10 1 kHz处的声压级与θ、r2关系色度图

3 频率响应曲线对比

图11为通过计算所得新型结构与参考结构的压电MEMS扬声器频率响应曲线。在驱动电压10 V下，仿真模拟自由场测试条件，在振膜中心上方3 cm处测试声压级。与参考结构压电MEMS扬声器进行比较，仿真结果得出，在100 Hz～9.3 kHz内，本文所提出的新型扇环驱动单元结构比优化后参考结构压电MEMS扬声器的声压级高5 dB。本文所提出的新型扇环驱动单元结构响应比优化后的参考结构的压电MEMS扬声器优。

图11 新型和参考结构的压电MEMS扬声器频响曲线对比

4 结束语

本文提出了一种由4个相同的扇环驱动单元和中间质量块以及柔性膜组成的刚性-柔性耦合封闭振动膜的新型扬声器结构，利用有限元仿真软件优化该结构中θ，r2等关键参数。在驱动电压10 V下，保持振膜面积相同、振膜谐振频率基本一致，本文所提出新型结构的声压级比优化后的参考结构的声压级高5 dB，且高频响应更平坦。本文的结果和思路可为压电MEMS扬声器的研发提供参考。

致谢：感谢中国科学院声学研究所李俊红研究员的耐心指导。