北理工在压电MEMS扬声器领域取得进展，优化电极和驱动方案以提升声压级
2025-11-15 16:05:59   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

随着消费电子产品对音频性能的需求日益增长，各种声学微机电系统（MEMS）换能器和音频微系统应运而生，应用于智能音箱、真无线立体声（TWS）耳机以及各种可穿戴音频设备。特别是MEMS扬声器，由于其更小的外形尺寸，受到了学术界和工业界的高度关注。双电极驱动的集成可增强振膜形变，从而增加振膜的平均面外位移，已被证明能有效提高MEMS扬声器的声压级（SPL）。

据麦姆斯咨询报道，北京理工大学谢会开教授团队提出了一种具有准封闭振膜和双顶部电极（内电极与外电极）结构的压电MEMS扬声器。当内电极面积理想配置为整个振膜的70 %时，这款振膜尺寸为 2.5mm × 2.5mm的压电MEMS扬声器，在仅2 V_pp的驱动电压下，于1 kHz至20 kHz频率范围内，展现出高于73.5 dB的声压级。通过向内、外电极施加一系列不同相位和偏置电压的驱动信号，谢会开教授团队还研究了双电极压电MEMS扬声器的声学性能。研究发现最佳驱动相位在不同的频率范围内变化，并且还取决于偏置电压水平。本研究为压电MEMS扬声器在未来应用中的实际部署，提供了一种有效的电极设计方法和驱动方案。相关研究成果以“Optimization of dual-electrode ratio and driving phase of piezoelectric MEMS speakers for improving sound pressure level”为题发表在Sensors and Actuators A: Physical期刊上。

本文所提出的具有双电极配置的PZT压电MEMS扬声器如下图所示。为了实现多相驱动，压电层（PZT）上的顶部电极被分为两个区域，形成内电极和外电极。这种设置允许产生正应力和负应力。双向应力改变了压电薄膜的形变，从而通过增加振膜位移来提高整个音频范围内的声压级。基于研究团队之前的工作中描述的准封闭膜结构，所设计的MEMS扬声器的振膜沿其对角线方向有四个窄缝。

具有双电极配置的PZT压电MEMS扬声器示意图

为了使压电MEMS扬声器的振膜位移最大化，从而获得较大的声压级，需要适当设计双电极的配置，其中面积比是需要考虑的关键参数。该研究选择了三种不同的面积比来评估这种压电MEMS扬声器的声学性能。内顶部电极（以蓝色显示）的面积分别占总振膜面积的30%、50%和70%。采用有限元仿真分析了所设计的具有不同双电极配置的压电MEMS扬声器中振膜的面外位移。结果表明，在不同内外电极面积比下，双电极配置均能显著提升振膜性能；在70%的顶部电极面积比下，以反相方式驱动双电极MEMS扬声器，可有效提高声压级。

PZT压电MEMS扬声器有限元仿真结果

研究人员成功制备出振膜尺寸为2.5mm × 2.5mm的双电极PZT压电MEMS扬声器。该扬声器的堆叠结构（从上到下）依次为3.5 μm厚的Parylene-C层、顶部电极层（Au）、1.24 μm厚的PZT薄膜、底部电极层（Pt）和2.2 μm厚的器件硅（Si）层。顶部电极被分为内部和外部，由25 μm宽的间隙隔开。

双电极PZT压电MEMS扬声器的微加工工艺

相位优化结果表明，该压电MEMS扬声器的最佳驱动相位不仅取决于工作频率，还取决于驱动电压。对于15 V_pp及以上的驱动电压，所提出的设计在低频下的理想相位差为90°和270°。通过采用理想相位差为90°的双电极驱动方式，并配合-2.5 V_DC的合理偏置电压，该压电MEMS扬声器在15 V_pp交流电压下，于100 Hz以上的所有工作频率范围内均实现了超过88 dB的声压级。

在15 V_pp驱动电压下，不同激励模式对声压级测试结果的对比

总而言之，本研究通过比较不同内外电极面积比的多种设计，优化了准封闭PZT压电MEMS扬声器的顶部双电极面积。实验结果表明，顶部内电极面积比为70%的压电MEMS扬声器在20 Hz至12 kHz的频率范围内表现出显著提高的声压级，这说明了顶部双电极的最佳配置对声压级改善的重要影响。在2 V_pp的驱动电压下，该压电MEMS扬声器在1 kHz处的声压级达到73.5 dB，在11.5 kHz处的声压级最高可达117.3 dB。本研究通过优化顶部双电极面积比，并基于双电极驱动扬声器的输入激励优化的作用，显著提升了声压级。后续的研究将在电极结构、相位延迟及偏置电压的研究基础上，聚焦振膜设计，旨在提升紧凑型压电MEMS扬声器的声学性能，为其未来商业化与实际应用奠定基础。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.116109

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