壓電MEMS揚聲器的設計與優(yōu)化

汪曉潔 ，安志武(1.中國科學院 聲學研究所 聲場聲信息國家重點實驗室，北京 100190; 2.中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)利用半導體工藝和體硅微加工工藝制備微結(jié)構(gòu)，該技術(shù)已廣泛應用于各種應用芯片的制造，特別是微傳感器，如加速度計、陀螺儀及傳聲器等領(lǐng)域。微執(zhí)行器因輸出力及位移等較小而在應用中受限[1]。近些年，微執(zhí)行器在聲學器件上備受關(guān)注，如xMEMS、USound等國外新創(chuàng)公司正致力于開發(fā)研究性能更好的揚聲器。揚聲器是日常生活中的一種基本聲學設備，是便攜式筆記本電腦、智能手機、無線耳機、助聽器及人機界面等移動電子設備的核心部件之一[2]。隨著電子器件小型化的趨勢，國外企業(yè)已經(jīng)利用MEMS技術(shù)開發(fā)了幾種微型揚聲器，如xMEMS在2020年發(fā)布了全球第一款單芯片MEMS揚聲器Monolithic，USound推出了Conamara UT-P4010等揚聲器。

MEMS技術(shù)制成的揚聲器具有高精度、小尺寸、低功耗、片上電路集成、批量制造、低成本、高可靠性和可重復性等特性。但如何在體積小及功耗低的情況下實現(xiàn)足夠的聲壓級是目前MEMS揚聲器設計中最關(guān)鍵的問題。

MEMS揚聲器的驅(qū)動方式一般有電磁、靜電和壓電3種[3-7]，其中最常用的方式是電磁力(洛倫茲力)。電磁MEMS揚聲器可提供更大的驅(qū)動力和振膜位移，因此，可以獲得更好的聲學性能[1,3]。但其制造過程較復雜，且通常需組裝磁體。這種非批量組裝過程會增加電磁MEMS揚聲器的額外成本，同時磁體尺寸也難以減小，制造工藝和磁體集成是電磁MEMS揚聲器面臨的挑戰(zhàn)。

靜電MEMS揚聲器由2個獨立電極產(chǎn)生靜電力來驅(qū)動，通常能與CMOS工藝兼容，且易與IC電路集成[4-5]。然而靜電MEMS揚聲器制造工藝較復雜，驅(qū)動電壓較高，電極間的初始間隙造成的吸合效應和有限的聲壓級也是其面臨的難題[6-7]。

逆壓電效應是驅(qū)動MEMS揚聲器的另一種方法。壓電薄膜材料(ZnO、AlN和PZT等)已被廣泛應用于傳感和驅(qū)動。MEMS工藝制造的壓電揚聲器具有功耗低，單振膜結(jié)構(gòu)，制造加工簡單及頻率響應寬等優(yōu)點[8-10]。近年來，隨著壓電薄膜工藝技術(shù)和材料性能的不斷提高，進一步促進了壓電MEMS揚聲器性能增強。壓電常數(shù)影響機電轉(zhuǎn)換效率，決定了揚聲器等驅(qū)動應用的性能。通常，PZT薄膜具有最高的d31壓電常數(shù)[11]。因此，本文選用PZT薄膜作為壓電MEMS揚聲器的壓電層。

目前，國內(nèi)外已開展壓電MEMS揚聲器的相關(guān)研究，并取得較大進展，但輸出聲壓級不足，頻率響應不平坦。一般壓電MEMS揚聲器需要在寬頻率范圍內(nèi)，特別是在自由場和低頻下，聲壓級高(大于90 dB)時才能廣泛應用于手機、筆記本電腦、可穿戴電子設備和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域[12]。為了實現(xiàn)小尺寸、高輸出聲壓和平坦的頻率響應，在振膜結(jié)構(gòu)、電極設計、陣列設計等方面已有研究，以便提高其聲壓級。如Stoppel等[10]提出，在4 mm×4 mm的方形振膜上開口使振膜有更大的平面外位移，以增強聲壓級，但帶有未密封振膜的揚聲器存在聲學損失。Cheng等[1]提出一種雙曲線懸掛彈簧和雙電極結(jié)構(gòu)來增強振膜的平面外位移，從而改善低頻聲壓級。電壓峰-峰值為2 V下，在人耳模擬器中進行測量，雙曲線彈簧結(jié)構(gòu)在諧振頻率1.85 kHz處的聲壓級比固支的圓形振膜揚聲器結(jié)構(gòu)高28 dB，100 Hz～3 kHz內(nèi)，聲壓級高10 dB，顯著增強了低頻聲壓級。Tseng等[13]提出了一種由4個三角形板、1個連接質(zhì)量和雙驅(qū)動電極的壓電MEMS揚聲器結(jié)構(gòu)，并帶有5個揚聲器陣列形式，以進一步增強聲壓級。研究發(fā)現(xiàn)，雙驅(qū)動電極(兩電極反相)在1 kHz處的聲壓級比單驅(qū)動電極(內(nèi)部或外部電極)的聲壓級高9.5 dB。

為提高壓電MEMS揚聲器的聲壓級，本文提出了一種新型的振膜結(jié)構(gòu)，優(yōu)化其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。仿真模擬自由場測試條件，驅(qū)動電壓為10 V下，在振膜中心上方3 cm處測量聲壓級，在保持振膜面積相同、振膜諧振頻率基本一致的情況下，與優(yōu)化后的參考結(jié)構(gòu)進行比較，所提出的新型結(jié)構(gòu)聲壓級高5 dB。

1 參考揚聲器結(jié)構(gòu)設計

1.1 固支的圓形振膜壓電MEMS揚聲器的結(jié)構(gòu)設計

現(xiàn)有揚聲器結(jié)構(gòu)主要以固支的圓形多層振膜為主，本文利用COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件進行該參考結(jié)構(gòu)的仿真研究。圖1為該壓電MEMS揚聲器的橫截面示意圖。該結(jié)構(gòu)是由支撐層(Si)、底電極層(Pt)、壓電層(PZT)和頂電極(Au)層等組成。其中ZrO2作為絕緣層，防止漏電流的產(chǎn)生，同時作為底電極Pt的粘附層。

圖1 固支的圓形振膜壓電MEMS揚聲器的橫截面示意圖

當在壓電層的頂部和底部電極上施加電壓后，基于逆壓電效應，壓電層在橫向(針對d31振動模式)產(chǎn)生應變，壓電層發(fā)生一定的伸長或縮短。因壓電層受與其接合在一起的較厚支撐層及邊界的約束，其帶動支撐層一起產(chǎn)生向上/向下彎曲，使整個振膜彎曲振動而產(chǎn)生聲波。

壓電MEMS揚聲器的主要性能參數(shù)包括諧振頻率、輸出聲壓級SPL、尺寸、帶寬、總諧波失真和功耗等。本文重點討論揚聲器的一階諧振頻率f0、輸出SPL，以及尺寸參數(shù)對f0和輸出SPL的影響。

根據(jù)亥姆霍茲方程可計算出振膜的聲壓輸出。如圖2所示，以類活塞運動為參考，采用瑞利積分，圓形振膜的有效壓力幅值P(z)[14]可表示為

(1)

式中：ρ1為空氣密度；f為振動頻率；a為振膜的半徑；w(r)為振膜在徑向距離r處的振幅；z為振膜到聲壓測量處的距離。

圖2 振膜聲壓計算圖

將聲學振膜的振動簡化為活塞在無限大擋板上的振動時，則SPL可簡化[12]為

(2)

式中Pref=20 μPa為參考有效聲壓值。

由于壓電MEMS揚聲器振膜的橫向尺寸遠大于薄膜厚度，振膜可看作為薄板，固支圓形壓電振動板的模型已有研究，基于Kirchhoff板理論，利用平衡方程推導出解析解[15]，揚聲器振膜的一階諧振頻率f0為

(3)

式中：D為等效彎曲剛度；ρ為平均面積密度。且[16]：

(4)

(5)

式中：Ei、υi、hi、ρi分別為第i層的楊氏模量、泊松比、厚度和體積密度；di為中性軸Zn到第i層中平面的距離(見圖3)。圖3中，Zn為參考軸到中性軸的距離，Zi為第i層中心到參考軸的距離。

圖3 揚聲器多層薄膜中性軸計算原理圖

揚聲器振膜是由壓電層和支撐層等組成的多層薄膜，支撐層厚度必須與壓電層厚度相匹配。理想情況下，多層振膜的中性軸位于壓電層的邊緣，最大限度地提高振膜的振動幅度。復合振膜的Zn[12]可表示為

(6)

MEMS揚聲器的輸出聲壓級與振膜振動面積和幅度有關(guān)。本文保持振膜面積不變，合理設置壓電層和支撐層厚度，使中性軸處于合適位置，以增加振膜的面外位移，從而提高聲壓級。同時需合理設計振膜的諧振頻率，為了抑制寄生本征模，并獲得超過20 kHz的高再現(xiàn)帶寬[10]，設f0約為10 kHz。

1.2 固支的圓形振膜壓電MEMS揚聲器的電極優(yōu)化

保持振膜半徑R、Pt層厚度、Au層厚度及驅(qū)動電壓等不變。圖4是保持Si層厚度為5 μm，改變PZT層厚度，振膜中心處位移隨著頂電極半徑r與R之比(r/R)的變化關(guān)系。圖5是保持PZT層厚度為5 μm，改變Si層厚度，振膜中心處的位移與r/R的變化關(guān)系。結(jié)合圖4、5可知，PZT層、Si層厚度的變化對r/R最優(yōu)結(jié)果基本無影響。固支的圓形多層振膜頂電極半徑r是振膜半徑R的55%，即r/R=55%時，振膜振幅最大。

圖4 Si層厚為5 μm，不同PZT層厚度下，振膜中心處位移隨r/R變化曲線

圖5 PZT層厚為5μm，不同Si層厚度下，振膜中心處位移隨r/R變化曲線

1.3 固支的圓形振膜壓電MEMS揚聲器的壓電層與支撐層厚度優(yōu)化

圓形振膜半徑R為1.5mm，Pt層厚為200 nm，Au層厚為200 nm，頂電極半徑為0.825 mm，驅(qū)動電壓為10 V，設該揚聲器諧振頻率約為10 kHz，仿真優(yōu)化Si層和PZT層厚度。圖6、7分別為不同Si層、PZT層與諧振頻率和聲壓級的關(guān)系色度圖。由圖6、7可知，改變Si層、PZT層厚度，當Si層厚為6 μm、PZT層厚為3 μm時，f0=9 773.1 Hz。驅(qū)動電壓為10 V下，在1 kHz處對應的聲壓級為52.5 dB。將其代入式(3)計算可得該固支的圓形振膜壓電MEMS揚聲器的理論值(f0=9 782.7 Hz)與仿真計算值(f0=9 773.1 Hz)基本一致。

圖6 一階諧振頻率與Si層、PZT層厚度的關(guān)系色度圖

圖7 1 kHz處聲壓級與Si層、PZT層厚度的關(guān)系色度圖

2 新型扇環(huán)驅(qū)動單元揚聲器結(jié)構(gòu)設計

圖8為本文提出的一種通過剛?cè)嵴駝玉詈蠙C制實現(xiàn)的壓電MEMS揚聲器的仰視圖，包括4個相同的扇環(huán)壓電懸臂(含有支撐層、底電極、壓電層、頂電極)，分布在半徑為1.5 mm的圓中，中間是圓形質(zhì)量塊。襯底為絕緣體上硅(SOI)。上表面覆有一層聚酰亞胺柔性膜，形成剛性-柔性耦合封閉振動膜。

圖8 新型扇環(huán)驅(qū)動單元的揚聲器的仰視示意圖

本文所提出的新型扇環(huán)驅(qū)動單元的振膜結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)均與上述固支的圓形多層振膜參考結(jié)構(gòu)保持一致。柔性膜厚為500 nm，設該揚聲器的f0約為10 kHz。改變中間圓形質(zhì)量塊半徑r2及相鄰扇環(huán)的相臨邊夾角θ，使f0約為10 kHz時對應的聲壓級最大。參數(shù)化掃描，f0與θ、r2關(guān)系色度圖如圖9所示。1 kHz處的聲壓級與θ、r2關(guān)系色度圖如圖10所示。仿真優(yōu)化可得，當θ=50°，r2=700 μm時，f0=9 689.4 Hz，1 kHz處的聲壓級為56.8 dB。

圖9 f0與θ、r2關(guān)系色度圖

圖10 1 kHz處的聲壓級與θ、r2關(guān)系色度圖

3 頻率響應曲線對比

圖11為通過計算所得新型結(jié)構(gòu)與參考結(jié)構(gòu)的壓電MEMS揚聲器頻率響應曲線。在驅(qū)動電壓10 V下，仿真模擬自由場測試條件，在振膜中心上方3 cm處測試聲壓級。與參考結(jié)構(gòu)壓電MEMS揚聲器進行比較，仿真結(jié)果得出，在100 Hz～9.3 kHz內(nèi)，本文所提出的新型扇環(huán)驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)比優(yōu)化后參考結(jié)構(gòu)壓電MEMS揚聲器的聲壓級高5 dB。本文所提出的新型扇環(huán)驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)響應比優(yōu)化后的參考結(jié)構(gòu)的壓電MEMS揚聲器優(yōu)。

圖11 新型和參考結(jié)構(gòu)的壓電MEMS揚聲器頻響曲線對比

4 結(jié)束語

本文提出了一種由4個相同的扇環(huán)驅(qū)動單元和中間質(zhì)量塊以及柔性膜組成的剛性-柔性耦合封閉振動膜的新型揚聲器結(jié)構(gòu)，利用有限元仿真軟件優(yōu)化該結(jié)構(gòu)中θ，r2等關(guān)鍵參數(shù)。在驅(qū)動電壓10 V下，保持振膜面積相同、振膜諧振頻率基本一致，本文所提出新型結(jié)構(gòu)的聲壓級比優(yōu)化后的參考結(jié)構(gòu)的聲壓級高5 dB，且高頻響應更平坦。本文的結(jié)果和思路可為壓電MEMS揚聲器的研發(fā)提供參考。

致謝：感謝中國科學院聲學研究所李俊紅研究員的耐心指導。