隨著消費電子產品對音頻性能的需求日益增長，各種聲學微機電系統（MEMS）換能器和音頻微系統應運而生，應用于智能音箱、真無線立體聲（TWS）耳機以及各種可穿戴音頻設備。特別是MEMS揚聲器，由于其更小的外形尺寸，受到了學術界和工業界的高度關注。雙電極驅動的集成可增強振膜形變，從而增加振膜的平均面外位移，已被證明能有效提高MEMS揚聲器的聲壓級（SPL）。
據麥姆斯咨詢報道，北京理工大學謝會開教授團隊提出了一種具有準封閉振膜和雙頂部電極（內電極與外電極）結構的壓電MEMS揚聲器。當內電極面積理想配置為整個振膜的70?%時，這款振膜尺寸為 2.5mm × 2.5mm的壓電MEMS揚聲器，在僅2 Vpp的驅動電壓下，于1?kHz至20?kHz頻率范圍內，展現出高于73.5 dB的聲壓級。通過向內、外電極施加一系列不同相位和偏置電壓的驅動信號，謝會開教授團隊還研究了雙電極壓電MEMS揚聲器的聲學性能。研究發現最佳驅動相位在不同的頻率范圍內變化，并且還取決于偏置電壓水平。本研究為壓電MEMS揚聲器在未來應用中的實際部署，提供了一種有效的電極設計方法和驅動方案。相關研究成果以“Optimization of dual-electrode ratio and driving phase of piezoelectric MEMS speakers for improving sound pressure level”為題發表在Sensors and Actuators A: Physical期刊上。
本文所提出的具有雙電極配置的PZT壓電MEMS揚聲器如下圖所示。為了實現多相驅動，壓電層（PZT）上的頂部電極被分為兩個區域，形成內電極和外電極。這種設置允許產生正應力和負應力。雙向應力改變了壓電薄膜的形變，從而通過增加振膜位移來提高整個音頻范圍內的聲壓級。基于研究團隊之前的工作中描述的準封閉膜結構，所設計的MEMS揚聲器的振膜沿其對角線方向有四個窄縫。
具有雙電極配置的PZT壓電MEMS揚聲器示意圖
為了使壓電MEMS揚聲器的振膜位移最大化，從而獲得較大的聲壓級，需要適當設計雙電極的配置，其中面積比是需要考慮的關鍵參數。該研究選擇了三種不同的面積比來評估這種壓電MEMS揚聲器的聲學性能。內頂部電極（以藍色顯示）的面積分別占總振膜面積的30%、50%和70%。采用有限元仿真分析了所設計的具有不同雙電極配置的壓電MEMS揚聲器中振膜的面外位移。結果表明，在不同內外電極面積比下，雙電極配置均能顯著提升振膜性能；在70%的頂部電極面積比下，以反相方式驅動雙電極MEMS揚聲器，可有效提高聲壓級。
PZT壓電MEMS揚聲器有限元仿真結果
研究人員成功制備出振膜尺寸為2.5mm × 2.5mm的雙電極PZT壓電MEMS揚聲器。該揚聲器的堆疊結構（從上到下）依次為3.5 μm厚的Parylene-C層、頂部電極層（Au）、1.24 μm厚的PZT薄膜、底部電極層（Pt）和2.2 μm厚的器件硅（Si）層。頂部電極被分為內部和外部，由25 μm寬的間隙隔開。
雙電極PZT壓電MEMS揚聲器的微加工工藝
相位優化結果表明，該壓電MEMS揚聲器的最佳驅動相位不僅取決于工作頻率，還取決于驅動電壓。對于15 Vpp及以上的驅動電壓，所提出的設計在低頻下的理想相位差為90°和270°。通過采用理想相位差為90°的雙電極驅動方式，并配合-2.5 VDC的合理偏置電壓，該壓電MEMS揚聲器在15 Vpp交流電壓下，于100 Hz以上的所有工作頻率范圍內均實現了超過88 dB的聲壓級。
在15 Vpp驅動電壓下，不同激勵模式對聲壓級測試結果的對比
總而言之，本研究通過比較不同內外電極面積比的多種設計，優化了準封閉PZT壓電MEMS揚聲器的頂部雙電極面積。實驗結果表明，頂部內電極面積比為70%的壓電MEMS揚聲器在20 Hz至12 kHz的頻率范圍內表現出顯著提高的聲壓級，這說明了頂部雙電極的最佳配置對聲壓級改善的重要影響。在2 Vpp的驅動電壓下，該壓電MEMS揚聲器在1 kHz處的聲壓級達到73.5 dB，在11.5 kHz處的聲壓級最高可達117.3 dB。本研究通過優化頂部雙電極面積比，并基于雙電極驅動揚聲器的輸入激勵優化的作用，顯著提升了聲壓級。后續的研究將在電極結構、相位延遲及偏置電壓的研究基礎上，聚焦振膜設計，旨在提升緊湊型壓電MEMS揚聲器的聲學性能，為其未來商業化與實際應用奠定基礎。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.116109
