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面向入耳式应用的全频MEMS扬声器:高度微型化、高声压级
2025-09-06 22:44:53   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

研究人员开发了一种完全集成的真正MEMS扬声器,其利用了矩形执行器和SU-8声屏蔽结构。这款高度微型化的扬声器的有效面积仅为3& 8239;mm ×& 8239;3& 8239;mm,在整个可听频率范围内实现了115 dB声压级(SPL)。

现代入耳式设备对小型化、低功耗以及功能集成的需求日益增长。基于微机电系统(MEMS)技术的微型扬声器应运而生,成为极具潜力的音频解决方案,但其性能——特别是单位面积声压——尚未充分释放潜力。

据麦姆斯咨询报道,德国弗劳恩霍夫硅技术研究所(Fraunhofer Institute for Silicon Technology)和基尔大学(Kiel University)的研究人员联合开发了一种完全集成的真正MEMS扬声器,其利用了矩形执行器和SU-8声屏蔽结构。这款高度微型化的扬声器的有效面积仅为3 mm × 3 mm,在整个可听频率范围内实现了115 dB声压级(SPL)和95.7 dB SPL/mm²,超越了当前技术水平。

此外,该MEMS扬声器在宽频率范围内,总谐波失真(THD)低于1 %,灵敏度高达134 dB SPL/mW。这种新颖的设计方案为未来MEMS扬声器的重大改进奠定了基础,包括更高的声屏蔽或压电多层的集成。相关研究成果以“Highly miniaturized 115 dB full-range MEMS loudspeaker for in-ear applications”为题发表在Sensors and Actuators A: Physical期刊上。

面向入耳式应用的全频MEMS扬声器:高度微型化、高声压级

在这项研究工作中,所提出的MEMS扬声器的设计理念基于单晶压电驱动。研究人员选择了一种基于三个矩形悬臂梁的非对称挠度曲线设计。由于这种MEMS扬声器中的执行器同时充当振膜,执行器偏转直接导致声压级的产生,而不会将能量存储在弹簧或密封膜等其他结构元件中。为实现悬臂梁的自由运动,执行器周围设有狭窄间隙。若设计合理,这些间隙足够小,可以利用粘性边界层效应来抑制通过间隙的气流,从而实现器件的声学密封。此外,执行器周围设置的135 µm的声屏蔽结构,既能在工作时维持狭窄的间隙(例如执行器向上偏转时),又可有效防止声短路现象。

该MEMS扬声器的三维图和横截面图,芯片有效面积为9 mm²

该MEMS扬声器的三维图和横截面图,芯片有效面积为9 mm²

研究团队探究了机械解耦间隙宽度对声速与声学密封性能的影响。最终确定所制备MEMS扬声器的间隙宽度选定为3 µm,该尺寸在实现最佳声学密封效果的同时,并不会给制造工艺带来显著困难。声屏蔽结构采用应力优化设计,其中SU-8通过间隔分布的锚点固定在衬底上,而中间部分的宽度则有所减小。声屏蔽结构直接位于3 µm间隙旁边,将执行器与芯片框架机械分离。

MEMS扬声器工艺简图

MEMS扬声器工艺简图

MEMS扬声器的扫描电子显微镜(SEM)图像和俯视显微照片

MEMS扬声器的扫描电子显微镜(SEM)图像和俯视显微照片

对使用MEMS技术制造并安装到耳机外壳中的微型扬声器进行测试,显示出卓越的声学性能。尽管其有源器件面积仅为3 mm × 3 mm,驱动电压相对较低,为24 Vpp,但在IEC 60318-4人工耳模拟器中,该MEMS扬声器在整个可听范围内提供了115 dB的高SPL。考虑到对数尺度,这相当于95.7 dB SPL/mm²的面积归一化输出,超过了MEMS扬声器的当前技术水平。与上一代扬声器(同样采用开放窄间隙概念,但没有声屏蔽结构)相比,展示了带有声屏蔽的新设计的优势:在几乎一半的尺寸下,实现了高10 dB的声压级,这主要是由于单位面积执行器的平均偏转显著增大。

MEMS扬声器在SPL方面的绝对性能

MEMS扬声器在SPL方面的绝对性能

在能效方面,特别是对无线应用至关重要,测试结果表明该MEMS扬声器功耗较低。具体而言,其灵敏度超过130 dB SPL/mW,明显高于电动式扬声器甚至效率极高的全频平衡电枢扬声器。然而,需要注意的是,整体能效取决于扬声器和放大器的组合,在这种情况下,必须设计成高效驱动电容负载。

根据未滤波的频率响应和阻抗测量计算出的MEMS扬声器灵敏度

根据未滤波的频率响应和阻抗测量计算出的MEMS扬声器灵敏度

就再现质量而言,在典型的94 dB @ 1 kHz设置下,观察到低于0.2%的低THD。此外,研究表明,在几乎整个频率范围内,即使在较高的声压级下,THD也保持在1%以下。与上一代相比,由于声屏蔽引起的额外粘性阻尼,共振峰显著减弱。除了改进的THD,还有利于均衡,因为任何特定的频率响应,例如哈曼(Harman)目标曲线,可以很容易地通过统一的独立于器件的滤波器轻松实现。

尽管这些结果看起来很有希望,特别是考虑到通过标准MEMS技术实现的小尺寸和良好的可制造性,但仍需追求进一步的改进。一个关键的焦点是更广泛的小型化以及更高的声压级。由于115 dB的实际声压级目前受到135 μm屏蔽高度的限制,但执行器的偏转可以远远超过这一高度,正在进行的工作包括实现更高的声屏蔽。另一个主要方面涉及使用AlScN压电多层而不是PZT的MEMS扬声器,由于双向驱动,在相同尺寸下可使声压级提高6 dB。此外,通过AlScN的有利材料特性(例如介电损耗、电容、线性度),可以实现更高的能效和更低的THD。最后,正在进行一些特定应用的调整,包括优化的阻尼和声学定制的外壳。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.sna.2025.116373

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》

《MEMS扬声器期刊文献检索与分析-2022版》

《下一代MEMS技术及市场-2025版》

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