PZT压电驱动的聚合物基MEMS扬声器，赋能可穿戴和透明电子设备
2025-06-01 09:41:06   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

扬声器是将电信号转换为声信号的电声换能器。为了重现整个音频频谱，扬声器必须覆盖从20 Hz到20 kHz的频率范围。为实现如此宽广的频率范围，家用扬声器通常采用多个换能器，较大、较重的换能器用于低频发声，较小、较轻的换能器用于高频发声。相比之下，智能手机和笔记本电脑等小型化设备由于尺寸限制，必须使用单个换能器来重现整个音频范围，这就带来了额外的物理限制，并影响了音质。传统扬声器依靠机械运动产生声波，通常通过连接磁场中线圈的振膜发声。这些设计虽然有效，但由于永久磁铁的存在，往往比较笨重，不适合微型电子设备。

为了满足对更小、更高效音频元件日益增长的需求，MEMS扬声器已成为一种极具前景的替代方案。利用MEMS技术能够将机械和电气元件集成到紧凑的结构中，制造微型化器件。近年来，利用电磁驱动、压电驱动和静电驱动的MEMS扬声器相继问世。在现有的换能机制中，电磁驱动设计往往比较笨重，而且依赖高性能磁铁，很难使用标准微制造技术进行集成。静电驱动本身是非线性的，通常需要较高的直流偏压才能在线性状态下工作，这就限制了可实现的位移。因此，压电驱动尤其适合MEMS扬声器。

利用MEMS技术实现低频的困难在于微型化的物理限制。产生低频声波需要在低频下加速大量空气，这导致共振频率低、振膜位移大，而这两点都很难在微尺度上实现。此外，硅等常用MEMS材料的硬度限制了重现低频声音所需要的灵活性。聚合物的杨氏模量较低，为解决MEMS扬声器的低频性能难题提供了一种很有前景的解决方案。这些材料允许更大的振膜运动，从而改善低频的声音再现。不过，聚合物也存在相应的缺点，尤其是热预算较低，这使其与通常需要高温的传统压电薄膜制造工艺不兼容。为解决这一问题，层转移法成为将压电薄膜集成到聚合物衬底上的一种可行方法。在这种方法中，锆钛酸铅（PZT）叠层最初在合适的衬底上生长，然后使用各种技术转移到主衬底上。通过薄膜转移工艺，可以将软聚合物材料与薄膜PZT的高压电系数结合起来。这种方法有助于解决热预算限制问题，并有助于开发具有在宽频率范围内提供高品质声音潜力的MEMS扬声器。

据麦姆斯咨询介绍，法国研究机构CEA-Leti的研究人员开发了一种基于聚合物的MEMS扬声器，其特点是通过PZT转移薄膜驱动中央加强的聚合物薄膜。柔性聚合物降低了整体刚度，而局部加强则拓宽了频率响应。该研究成果已经以“A polymer-based MEMS loudspeaker featuring a partially stiffened membrane actuated by a PZT thin film”为题发表于Communications Engineering期刊。

MEMS扬声器的工作原理和3D示意图

MEMS扬声器制造工艺示意图

其中，压电薄膜通过使用供体衬底的转移工艺集成。研究人员通过电学、机械、声学和光学测量（包括声压级和共振频率），在开阔场地和入耳条件下对该MEMS扬声器的功能进行了评估。结果证实了该器件在不同声学负载下的工作能力，证明了该制造工艺与柔性和透明衬底的兼容性。这种方法能够集成透明压电MEMS执行器，适用于紧凑、可弯曲及光学透明的音频系统。

麦克风器件、自由场测量装置以及声学和振动测量结果

为了降低MEMS扬声器的共振频率，扬声器的创新结构最大限度地减少了聚合物层和PZT层的应力对其行为的影响。优化中央加强结构还有助于减少运动质量，进一步提高扬声器的灵敏度。对于入耳式应用，采用具有较高共振频率的多个膜片的特定设计，可以改善频率响应，同时优化实验测量装置的密封性。

入耳式测量装置和测量结果

这项研究成果展示了一种能够将压电MEMS执行器集成到聚合物表面的工艺。在传统制造方法不适用的应用领域，该方法使聚合物膜功能化成为可能。例如，当与透明压电叠层结合使用时，聚合物膜的功能性就会得到增强。这种技术就能实现用于透明器件的换能器。该工艺与低温衬底兼容，因此特别适合将压电MEMS执行器集成到柔性电子器件、可穿戴设备和其它依赖聚合物系统的新兴技术中。

未来的制造工艺研究将致力于提高可靠性和可扩展性，同时评估各种环境条件下的器件性能。应对这些挑战可以开发出集压电驱动、透明性和灵活性于一体的多功能器件，使其能够用于广泛的创新应用。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s44172-025-00438-x

延伸阅读：

《MEMS扬声器专利态势分析-2022版》

《微机械超声换能器专利态势分析-2023版》

《可穿戴传感器技术及市场-2025版》

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