面向入耳式应用的高性能压电MEMS扬声器设计与制造
2026-05-10 08:22:11   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

近年来，面向入耳式应用设计的MEMS扬声器受到越来越多关注，有望在尺寸、能效与成本方面超越传统的非MEMS扬声器。MEMS扬声器可采用多种振膜驱动机制，包括电动式、静电式、压电式以及热声式。其中，压电驱动机制研究最为广泛，这主要得益于微加工工艺的进步，使具有强机电耦合能力的高精度压电薄膜能够实现集成。

据麦姆斯咨询报道，近期，米兰理工大学、法国勒芒大学声学研究所和意法半导体的研究团队联合提出一种面向入耳式应用的新型高性能压电MEMS扬声器。该器件基于锆钛酸铅（PZT）压电薄膜驱动的薄板结构，并在振膜中引入微米级狭缝阵列，这些狭缝有助于提高振膜的机械柔顺性，并减小扬声器前后之间的“声短路”现象，从而在提升声学性能的同时实现压电电容的最小化。相关研究成果以“High Performance Mechanically-Open and Acoustically-Closed MEMS Loudspeakers for In-Ear Applications”为题发表在Journal of Microelectromechanical Systems期刊上。

在这项工作中，研究人员在前期方形振膜结构方案基础上进一步提出八边形振膜结构方案，并设计了两种压电MEMS扬声器结构。二者可实现相近的体积位移，但设计侧重点有所不同：器件I旨在最大化有效辐射面积，器件II则以减小部分辐射面积为代价提升结构柔顺性和面外位移。为了获得更高柔顺性，器件II增设了更多狭缝，预计会略微牺牲低频声学性能。器件由意法半导体采用PZT MEMS工艺制备，均基于低电容、单贴片压电梯形驱动器构建，包含8片由13 μm厚外延多晶硅制成的梯形板，并在其表面局部覆盖2 μm厚PZT压电薄膜；这些结构共同构成在电激励下驱动扬声器振动的压电驱动器。每个梯形板通过350 μm宽的外部硅框架锚定至衬底，器件整体尺寸为4.5 × 4.5 mm²，所有机械结构之间均由5 μm宽气隙隔开。

图1 前期提出的方形振膜结构与本研究提出的八边形振膜结构

图2 基于意法半导体PZT MEMS工艺制备压电MEMS扬声器

图3 压电MEMS扬声器的显微镜光学图像及扫描电镜图像

实验结果验证了该设计的有效性，两种压电MEMS扬声器在IEC 60318-4标准人工耳中，以30 V峰峰值驱动时，在100 Hz以上全频段声压级（SPL）分别达到108 dB和107 dB；在1 kHz、94 dB声压级条件下，器件总谐波失真（THD）均低于1%。两种器件的声学性能表现相近，其中器件I因布局简洁、易加工，更具实用优势。该实验结果与全阶有限元模型（FEM）及FEM辅助集总参数模型的预测结果高度吻合。

图4 用于压电MEMS扬声器机械表征的实验装置

图5 压电MEMS扬声器的声学测试结果

综上所述，这项研究设计、仿真、制造并实验表征了两种面向入耳式应用的全频段压电MEMS扬声器。所提出的器件在保持相同器件尺寸且仅使用约一半压电表面积的前提下，可在低频实现高达5 dB的声压级提升，并使总谐波失真略有降低。相较于其它机械开放型MEMS扬声器，该设计采用单个低电容压电贴片，显著降低了加工复杂度，并简化了电气互联结构。该研究为入耳式应用提供了一种兼顾声学性能、功耗和制造复杂度的解决方案。

论文信息：DOI: 10.1109/JMEMS.2026.3651898

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