一种全新的MEMS扬声器原型：利用“琴弦”弹奏乐曲
2019-10-18 22:09:36 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
据麦姆斯咨询报道，德国弗劳恩霍夫光子微系统研究所（IPMS）和科特布斯森夫滕贝格勃兰登堡工业大学（BTU）的科学家合作为耳内MEMS扬声器开发并验证了一种新型高能效声学换能器原型。
据麦姆斯咨询介绍，随着智能音箱的普及，基于语音的服务正越来越多地渗入我们的日常生活。苹果（Apple）、华为（Huawei）、亚马逊（Amazon）、天猫（Tmall）和百度（Baidu）等主要的硬件和内容提供商都在努力通过强大的个人语音助手来发展自己的业务。
现在，长期佩戴在耳朵中的“语音互联网”概念也正在形成，为“耳戴式”产品从纯粹的播放设备发展成为类似智能手机的智能语音助手打开了大门。隐私和数据保护，以及可靠的用户身份识别，将成为确保这种概念产品被接受的两个关键因素。因此，需要强大的边缘计算来进行“声学指纹”读取、语音识别和语义处理。显然，无线电接口和音频处理将对耳戴式产品的能耗提出新的需求。此外，由于耳道狭窄的空间限制了产品尺寸，因而需要更节能的电子元件来确保最持久的电池续航。
a. 一种利用微型气室的MEMS扬声器3D示意图；b. 剖面示意图
据麦姆斯咨询报道，德国弗劳恩霍夫光子微系统研究所（IPMS）和科特布斯森夫滕贝格勃兰登堡工业大学（BTU）的科学家合作为耳内MEMS扬声器开发并验证了一种新型高能效声学换能器原型。
这款MEMS扬声器的几何结构。a. 器件层俯视图，展示了执行器及其布局；b. 三排执行器的局部放大图；c. 包含尺寸的执行器细节放大图。
这款全新的声学换能器原型没有采用传统的膜片技术，而是由多组长短不同的弯曲执行器组成，类似于放置在硅芯片腔体内的竖琴琴弦。新型的静电弯曲纳米静电驱动（Nanoscopic Electrostatic Drive, NED）执行器由20微米薄的弯曲换能器构成，音频信号的电压可以使执行器振动。
a. 组装好的MEMS扬声器芯片结构，其顶部覆盖具有声学开口的晶圆。该芯片包含了三个不同的微型扬声器，在此次测试中未切割分离；b. 键合后晶圆的剖面图，展示了三片晶圆及其厚度。
为了防止两端发生声短路，由Bert Kaiser、Holger Conrad和Harald Schenk教授带领的科学家团队将两片带有输入和输出槽的硅晶圆层键合在弯曲执行器的顶部和底部。因此，利用NED执行器在硅芯片内的运动，可以在微型气室中产生声音。这款声学换能器原型可以采用完整的硅工艺，制造MEMS微型扬声器。
IPMS以及BTU科学家们已经在实验室中测量验证了这种全新的声学换能器原型。有趣的是，该原型可在如此小的芯片面积上展示超过100dB的声压。下一阶段的研究挑战，将是进一步微型化的同时，在较大的频率范围内提高响度和音频保真度。
目标是从不到10平方毫米的芯片面积获得120dB。将这种静电转换器原型与电子放大电路相结合可实现高能效的系统，除了入耳式耳机应用之外，还特别适用于耳戴式智能设备甚至助听器产品。IPMS以及BTU科学家们在论文中称，整个系统达到了100 dB/mW的灵敏度。
CMOS工艺兼容
此外，该原型的制造工艺与典型的CMOS工艺兼容，并且不使用锆钛酸铅（PZT）等特殊材料。因此，可以利用大量现成的基础设施用于这种MEMS微型扬声器的集成、封装和大规模批量生产。
与10多年前MEMS麦克风的状况类似，这种基于NED的新型MEMS音频换能器方案有望成功商业化，并取得较高的市场占有率。据Harald Schenk教授称，正在计划成立一家新的MEMS微型扬声器公司将其推向市场。
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