北理工在压电MEMS扬声器方面取得进展，提升声压级和总谐波失真性能
2025-09-13 14:50:06 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本研究提出了一种简单而有效的提升压电MEMS扬声器的全频段SPL和THD性能的策略：通过在性能良好的MEMS扬声器周围引入双S驱动器或类似结构，有望实现覆盖整个频率范围的全优化压电MEMS扬声器。
基于悬臂式振膜的压电MEMS扬声器已在电声效率和低频声压级（SPL）方面展现出良好的应用前景。然而，其总谐波失真（THD）在第一阶谐振频率附近会显著增加，而高频段（10 kHz以上）的SPL又会因谐振频率和带宽的限制而迅速衰减，从而严重影响音质。
据麦姆斯咨询报道，近日，北京理工大学谢会开教授团队提出了一种基于2.7 µm厚度溅射PZT薄膜的压电MEMS扬声器，其结构包括一个悬臂式振膜和四组双S“Double-S”驱动器。悬臂式振膜的第一阶谐振频率为3.2 kHz，而双S驱动结构在21.3 kHz引入了额外的谐振频率，从而解决了高频SPL不足和THD性能较差的问题。
在711耳模拟器上的测试表明，在1–3 Vpp激励下，引入双S驱动结构可使平均SPL提高23 dB，平均THD降低80%，并在3.2–20 kHz范围内保持低于0.6%。因此，在中高频范围内，SPL和THD性能均得到了改善。本研究为高保真压电MEMS扬声器的发展奠定了基础，为提升音质和拓展入耳式应用的频率范围提供了新的可能性。上述研究成果以“SPL and THD improvement of a cantilever-diaphragm piezoelectric MEMS loudspeaker with Double-S actuators”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
器件设计与工作原理
本文所提出的压电MEMS扬声器的示意图如图1a所示，由四组双S驱动器（每组长度3.8 mm，宽度0.8 mm）和基于悬臂梁结构的悬臂式振膜（长度3 mm）组成。整个振膜的有效面积为 28.3 mm²，由320 nm Au/2.7 µm溅射PZT/100 nm Pt/2.2 µm Si堆叠而成。悬臂式振膜的背面由厚度为70 µm的硅框架环绕，以确保振膜运动的稳定性。双S驱动器与硅框架通过四根连接梁相连。双S驱动器的顶电极被分为两组，当施加电压相位相反时，两个顶电极沿相反方向变形，从而使双S驱动器产生垂直位移。
图1 本文提出的压电MEMS扬声器示意图
每个双S驱动器的长度为3.8 mm，以确保获得较大的位移；宽度为0.8 mm，以便调节其谐振模式。正如图2所示的仿真结果，双S驱动器在中低频范围内引入了类似活塞的振动模式，并在21.3 kHz处产生了一个额外的高频谐振模式，这两种模式共同提升了宽带SPL。
图2 压电MEMS扬声器的有限元模型仿真
该压电MEMS扬声器的电极设计和工作配置如图1b所示。悬臂式振膜具有独立电极（电极1），并以d₃₁模式进行弯曲运动。双S驱动器的顶电极被分为两部分：电极2+和电极2-。根据施加在双S驱动器和悬臂式振膜上的激励电压组合，该压电MEMS扬声器可在三种不同配置下工作：配置A仅驱动悬臂式振膜，配置B仅驱动双S驱动器，配置A+B同时驱动振膜和双S驱动器。
器件制造
该压电MEMS扬声器是在SOI晶圆上制备而成的，包括2.2 μm厚的顶部硅层、1.1 μm厚的埋氧层（BOX）以及400 μm厚的硅衬底。在SOI晶圆上依次沉积ZrO₂层和100 nm Pt层，其中ZrO₂作为Pt与硅器件层之间的绝缘层。随后溅射2.7 μm厚的PZT薄膜，其实测d₃₁值为−55 pC/N。制造工艺流程如图3所示。
图3 压电MEMS扬声器的制造工艺流程
本研究完成制备的压电MEMS扬声器的光学图像与扫描电子显微镜（SEM）图像如图4所示。
图4 压电MEMS扬声器照片及表面轮廓图
器件的声学表征
如图5a所示，研究人员对所提出的压电MEMS扬声器在耳模拟器中进行了声学表征。测试系统包括计算机、声学分析仪（AAI-2718）、711耳模拟器、消声箱以及被测MEMS器件（DUT）。声学分析仪能够输出两路相位差为180°的激励电压，并接收来自标准麦克风的信号。
图5 耳模拟器环境下压电MEMS扬声器的声学表征
该压电MEMS扬声器的SPL和THD在400 Hz–20 kHz的频率范围内进行了测试，激励电压分别为1 Vpp、2 Vpp 和3 Vpp。三种不同配置下均进行了SPL和THD测量，从而对该MEMS扬声器的声学性能进行了全面评估，并展示了通过引入双S驱动结构带来的中高频SPL和THD的改进（图5）。
当同时考虑SPL和THD时，该压电MEMS扬声器在中高频范围内依然表现出非常宽的带宽，如图6所示。无论是SPL ≥ 80 dB且THD ≤ 3%，还是更高性能的SPL ≥ 100 dB且THD ≤ 1%，该MEMS扬声器在带宽方面均优于当前最先进的压电MEMS扬声器。与悬臂式振膜设计相比，基于双S驱动结构的MEMS扬声器在优化中高频段SPL和THD方面显示出巨大的潜力，同时还提供了扩展的带宽。
图6 本文提出的压电MEMS扬声器与当前最先进的压电MEMS扬声器在耳模拟器环境中的频率范围对比
这不仅意味着该压电MEMS扬声器能够改善传统悬臂式振膜在中高频范围的音质，还使其有望成为取代昂贵平衡电枢的商用替代方案，从而推动高保真压电MEMS耳机的发展。
小结
综上所述，这项研究提出了一种适用于入耳式应用的具有前景的压电MEMS扬声器，采用双S驱动结构和厚度为2.7 μm的溅射PZT薄膜。通过双S驱动器引入额外的谐振频率，显著提升了悬臂式振膜在中高频范围（3.2–20 kHz）的声压级（SPL）和总谐波失真（THD）性能。具体而言，在1 Vpp激励下，平均SPL提升约23 dB，在16 kHz时最大增益达到42.3 dB；同时，平均THD降低至0.6%以下，仅为原始值的20%。这些改进有效解决了此前中高频范围内音质受限的问题。
本研究提出了一种简单而有效的提升压电MEMS扬声器的全频段SPL和THD性能的策略：通过在性能良好的MEMS扬声器周围引入双S驱动器或类似结构，有望实现覆盖整个频率范围的全优化压电MEMS扬声器。这一方法为高端MEMS扬声器的发展提供了可行的方向。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01031-0
延伸阅读：
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