面向压电MEMS扬声器评估的优值系数（FOM）
2025-08-02 21:07:27   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

近年来，压电MEMS扬声器作为消费、医疗和工业领域的新兴音频解决方案吸引了广泛的关注。与传统的微型扬声器相比，压电MEMS扬声器具有很多独特优势，例如体积小巧、出色的高频响应、低功耗、防尘防水、易于大规模生产以及与电子元件的集成兼容性等。尽管具有这些优点，但压电MEMS扬声器仍未能挑战传统电动式和动圈式扬声器的市场主导地位。这主要由于它们在输出声压级（SPL）、驱动电压和带宽等方面存在的局限性。

针对这些挑战，研究人员进行了许多有价值的探索。尽管压电MEMS扬声器的准静态响应有所改善，但现有的新设计也导致了谐振频率的前移，进而降低了高频响应。这是因为准静态声压的增加主要归因于结构刚度的降低，进而导致谐振频率降低。此外，还有另一种类型的MEMS扬声器，它不使用压电驱动器作为声学表面，而是作为无源振膜的驱动源。位移通过一个重型耦合块传递。尽管这种方法最大化了等效辐射面积，但它会在系统中引入了额外的质量，这也会导致高频响应的下降。

现有的研究反映了压电MEMS扬声器单元面临的两个主要问题。首先，其结构设计很复杂，因为它需要在各种指标中寻求平衡。然而，当前的压电MEMS扬声器设计严重依赖耗时的有限元（FEM）仿真，难以实现这种平衡。其次，由于压电MEMS扬声器的宽带特性以及性能变化效果的不明确，评估和比较不同的设计具有挑战性。值得注意的是，一个频段内性能的提升往往伴随着许多其它频段的变化，这使得难以确定改进是否源于真正更好的设计，还是仅仅是补偿的结果。此外，由于压电MEMS扬声器是一种宽带器件，工作频段内的每个频率点都对整体评估有贡献，进一步增加了不同设计客观比较的复杂性。这两个问题使得集成先进设计概念变得困难，导致设计过程既耗时又费力，最终阻碍了该领域的快速发展。

鉴于上述问题，压电MEMS扬声器单元的开发逐渐陷入僵局。近期的研究主要集中在扬声器单元以外的课题。但这并不意味着扬声器单元的优化不重要，而是反映了该领域的研究已发展到了没有理论指导就无法取得进一步进展的阶段。当系统具有多个竞争指标时，引入优值系数（FOM）以促进公平比较是一种常见的做法。对于压电MEMS扬声器，建立合适的优值系数有助于解决设计评估中的主要挑战。一种能够定量揭示性能参数之间内在关联的理论方法至关重要，基于此方法可以推导出优值系数。只有通过这种方法，才能充分发挥压电MEMS扬声器的全部潜力，实现均衡的音频设计。

尽管已有关于压电MEMS扬声器的理论研究，但大多数研究集中于构建等效电路模型以实现快速性能预测，而非探究设计变量之间的关系。这些模型较为复杂，难以得出具有普遍性和抽象性的结论。此外，其它的研究受限于仅关注压电MEMS扬声器单一性能指标，限制了其广泛适用性。迄今为止，尚未提出类似于优值系数的综合指标来评估压电MEMS扬声器，也尚未引入一种方法来使设计摆脱重复的试错仿真。

据麦姆斯咨询介绍，近期，天津大学的研究人员提出了两种用于评估压电MEMS扬声器输出频率响应和能量效率的优值系数（FOM）：宽带归一化电压灵敏度（FOMᵥₒₗ）和宽带归一化功率灵敏度（FOMₛₑₙ）。此外，研究人员还推导出了这两种指标在任意形状悬臂式振膜上的精确表达式。通过分析，证实了这些优值系数与平面尺寸无关，这一结论不仅适用于悬臂结构，也适用于许多其它结构。使用这两种优值系数作为压电MEMS扬声器宽带性能指标的合理性得到了验证。通过将优值系数优化作为设计理念的一部分，研究人员展示了一种压电MEMS扬声器，其归一化输出声压级（SPL）和能量效率优于当前所有压电MEMS扬声器，从而验证了优值系数的有效性及相关理论。

论文摘要附图

典型压电MEMS扬声器及其关键优化指标

优值系数理论验证

尽管采用了氮化铝（AlN）这种通常驱动能力不强的压电材料，但通过优化优值系数所提出的压电MEMS扬声器表现出卓越的归一化输出性能，其性能超过了多种锆钛酸铅（PZT）驱动的MEMS扬声器。这一发现表明，无论使用何种材料或结构，具有高优值系数的设计始终表现出优越的性能。据推测，通过优化优值系数，使用具有高d₃₁值的材料（如PZT）可以进一步提高MEMS扬声器的性能。此外，这一结果有力地支持了设计方法的有效性，该方法在考量压电MEMS扬声器驱动材料潜力的同时优化优值系数，为扬声器优化提供了理论基础。

高优值系数压电MEMS扬声器的设计及仿真

天津大学开发的高优值系数压电MEMS扬声器

在这项研究工作中，优值系数代表了跨宽频率范围的输出能力，并且易于计算，因此适用于比较不同设计的性能。此外，优值系数可用于指导压电MEMS扬声器设计，它与平面尺寸无关，使得扬声器设计可以从多目标、多变量优化问题，简化为单目标、多变量优化结合求解相关方程的系统问题。这种策略将压电MEMS扬声器的设计从基于仿真的试错方法转变为更高效的数学方法。

高优值系数压电MEMS扬声器的性能

本文所提出的优值系数（FOM）为评估压电MEMS扬声器在全频带范围内的性能提供了全面的理论基础，并为评估压电MEMS扬声器建立了一个系统化、可量化的框架。优值系数的引入转变了压电MEMS扬声器的设计过程，将其从耗时的基于有限元（FEM）或边界元（LEM）仿真的试错方法转变为一种精简、单目标、多变量的问题解决方法，显著提高了效率和专注度。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-00991-7

延伸阅读：

《MEMS扬声器专利态势分析-2022版》

《MEMS扬声器期刊文献检索与分析-2022版》