近年來，面向入耳式應用設計的MEMS揚聲器受到越來越多關注，有望在尺寸、能效與成本方面超越傳統的非MEMS揚聲器。MEMS揚聲器可采用多種振膜驅動機制，包括電動式、靜電式、壓電式以及熱聲式。其中，壓電驅動機制研究最為廣泛，這主要得益于微加工工藝的進步，使具有強機電耦合能力的高精度壓電薄膜能夠實現集成。
據麥姆斯咨詢報道，近期，米蘭理工大學、法國勒芒大學聲學研究所和意法半導體的研究團隊聯合提出一種面向入耳式應用的新型高性能壓電MEMS揚聲器。該器件基于鋯鈦酸鉛（PZT）壓電薄膜驅動的薄板結構，并在振膜中引入微米級狹縫陣列，這些狹縫有助于提高振膜的機械柔順性，并減小揚聲器前后之間的“聲短路”現象，從而在提升聲學性能的同時實現壓電電容的最小化。相關研究成果以“High Performance Mechanically-Open and Acoustically-Closed MEMS Loudspeakers for In-Ear Applications”為題發表在Journal of Microelectromechanical Systems期刊上。
在這項工作中，研究人員在前期方形振膜結構方案基礎上進一步提出八邊形振膜結構方案，并設計了兩種壓電MEMS揚聲器結構。二者可實現相近的體積位移，但設計側重點有所不同：器件I旨在最大化有效輻射面積，器件II則以減小部分輻射面積為代價提升結構柔順性和面外位移。為了獲得更高柔順性，器件II增設了更多狹縫，預計會略微犧牲低頻聲學性能。器件由意法半導體采用PZT MEMS工藝制備，均基于低電容、單貼片壓電梯形驅動器構建，包含8片由13 μm厚外延多晶硅制成的梯形板，并在其表面局部覆蓋2 μm厚PZT壓電薄膜；這些結構共同構成在電激勵下驅動揚聲器振動的壓電驅動器。每個梯形板通過350 μm寬的外部硅框架錨定至襯底，器件整體尺寸為4.5 × 4.5 mm2，所有機械結構之間均由5 μm寬氣隙隔開。
圖1 前期提出的方形振膜結構與本研究提出的八邊形振膜結構
圖2 基于意法半導體PZT MEMS工藝制備壓電MEMS揚聲器
圖3 壓電MEMS揚聲器的顯微鏡光學圖像及掃描電鏡圖像
實驗結果驗證了該設計的有效性，兩種壓電MEMS揚聲器在IEC 60318-4標準人工耳中，以30 V峰峰值驅動時，在100 Hz以上全頻段聲壓級（SPL）分別達到108 dB和107 dB；在1 kHz、94 dB聲壓級條件下，器件總諧波失真（THD）均低于1%。兩種器件的聲學性能表現相近，其中器件I因布局簡潔、易加工，更具實用優勢。該實驗結果與全階有限元模型（FEM）及FEM輔助集總參數模型的預測結果高度吻合。
圖4 用于壓電MEMS揚聲器機械表征的實驗裝置
圖5 壓電MEMS揚聲器的聲學測試結果
綜上所述，這項研究設計、仿真、制造并實驗表征了兩種面向入耳式應用的全頻段壓電MEMS揚聲器。所提出的器件在保持相同器件尺寸且僅使用約一半壓電表面積的前提下，可在低頻實現高達5 dB的聲壓級提升，并使總諧波失真略有降低。相較于其它機械開放型MEMS揚聲器，該設計采用單個低電容壓電貼片，顯著降低了加工復雜度，并簡化了電氣互聯結構。該研究為入耳式應用提供了一種兼顧聲學性能、功耗和制造復雜度的解決方案。
論文信息：
DOI: 10.1109/JMEMS.2026.3651898
