天津理工在压电MEMS扬声器领域获进展，提高声压级和可靠性
2026-02-15 10:36:19 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
天津理工大学赵金石教授团队提出一种基于柔性支撑层的固支梁-悬臂式压电MEMS扬声器，其声压级可与传统三种基于硅支撑层的压电MEMS扬声器相媲美，并展现出良好的可靠性。
近年来，MEMS扬声器正成为音频器件领域的重要发展方向。相较于电磁驱动、静电驱动等工作原理，压电驱动MEMS扬声器具有易于微型化、理论声压级（SPL）高、易集成等优势，被认为有望引领音频领域的变革。然而，传统设计的压电MEMS扬声器（包括薄膜式、活塞式、悬臂式振膜结构）通常采用硅（Si）支撑层，这不仅限制了声压级的进一步提升，并且缺乏针对器件可靠性的系统表征。
据麦姆斯咨询报道，针对上述问题，天津理工大学赵金石教授团队提出一种基于柔性支撑层的固支梁-悬臂式压电MEMS扬声器，其声压级可与传统三种基于硅支撑层的压电MEMS扬声器相媲美，并展现出良好的可靠性。这项研究为压电MEMS扬声器的开发提供了全新的设计思路与视角，有望推动压电MEMS扬声器在音频器件领域的快速发展与实际落地。相关研究成果以“A Fixed-End Beam–Cantilever Piezoelectric MEMS Speaker with Flexible Supporting Layer”为题发表在Micromachines期刊上。
这项研究提出的固支梁-悬臂式压电MEMS扬声器，其设计灵感来源于蝴蝶振翅特性。研究人员利用逆压电效应模拟蝴蝶翅膀与躯干的协同运动，设计了两个对称悬臂和一个固支梁分别对应蝴蝶的翅膀和躯干，以实现生物力学特性向结构动力学特性的转化。通过悬臂与固支梁的变形叠加来提升振动幅值，从而提高声压级。在支撑层方面，研究人员采用杨氏模量更低但仍可保持平整性的云母片替代传统硅支撑层。与硅支撑层相比，云母片在理论上可获得更大的振动位移与更高的声压级，同时其层状结构与一定的柔性也有助于提升器件的抗断裂性与抗疲劳性。
图1 基于柔性支撑层的固支梁-悬臂式压电MEMS扬声器的结构与设计
图2 基于柔性支撑层的固支梁-悬臂式压电MEMS扬声器的制备流程
图3 固支梁-悬臂式压电MEMS扬声器芯片、PZT表面粗糙度及SEM图像
将固支梁-悬臂式压电MEMS扬声器封装样机搭载于声学测试适配器后，测试结果表明：当驱动电压为1 Vrms时，该扬声器在人耳可听频段20 Hz–20 kHz内，声压级超过51.6 dB；在430 Hz以上频段，总谐波失真（THD）始终低于3.4%，满足人耳基本听觉感知要求。此外，进一步的实验证明了其可靠性：器件从1 ~ 5 m高度跌落后无异常声音输出、无结构断裂；连续播放音乐100 h后，声压级仍能保持初始值的92%以上。
图4 激光振动计和振动位移测量压电MEMS扬声器
图5 压电MEMS扬声器在不同驱动电压下的声压曲线
图6 压电MEMS扬声器的总谐波失真与陡峭度（1 Vrms驱动）
图7 压电MEMS扬声器的抗断裂与抗疲劳性能
总体而言，这项研究的主要亮点在于：（a）提出固支梁-悬臂式压电MEMS扬声器，通过结构振动位移的叠加提高声压级，为压电MEMS扬声器提供了新的设计思路；（b）该扬声器采用不同于传统硅支撑层的柔性支撑层，理论上既能够提高声压级，也为后续制备具备抗断裂、抗疲劳特性的压电MEMS扬声器提供了潜在解决方案。
研究人员表示，目前，该固支梁-悬臂式压电MEMS扬声器的声压级尚未达到商用化要求，其在430 Hz以下频段的总谐波失真指标也未满足商用化要求。此外，针对电极覆盖率与器件性能之间的定量关系，后续还需要开展深入研究，以进一步优化器件性能。
论文信息：https://doi.org/10.3390/mi17020215
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