可穿戴电子产品、真无线立体声（TWS）耳机、智能手机和智能控制器的持续发展，催生了对微型扬声器的巨大需求。然而，在电子设备的小型化进程中，如何在有限体积内实现声学性能优化是一项关键挑战。
据麦姆斯咨询报道，近期，台湾大学（National Taiwan University）和塞吉巴黎大学（CY Cergy Paris University）等机构的研究团队通过自主研发的气溶胶沉积技术与金属MEMS微加工工艺相结合，开发了两种压电驱动微型扬声器结构，可用于制造低音扬声器单元。相关研究成果以“The Woofer-Type Piezo-Actuated Microspeaker Based on Aerosol Deposition and Metal MEMS Process”为题发表在Micromachines期刊上。
在这项工作中，研究人员提出两种压电驱动微型扬声器结构：单层压电双晶片（BSL）结构和多层压电双晶片（BML）结构。它们是利用自主研发的气溶胶沉积方法以及金属MEMS微纳加工工艺制备而成的。基板制备采用自主研发的气溶胶沉积方法，在经过结构优化的不锈钢基底上沉积高质量压电薄膜。为了在基板的一阶共振频率下增大振膜的位移，研究人员对基板进行了特定图案的蚀刻，以减轻其质量、降低刚性，从而提高柔韧性，使得位移增大了4倍。器件封装集成采用PET材料作为耦合质量块，结合振膜与印刷电路板（PCB）构成完整的扬声器模块。
与双面均采用单一厚层PZT薄膜的BSL结构相比，BML结构通过工艺创新，将PZT薄膜厚度减半，随后堆叠一层相同厚度的PZT薄膜，使总厚度保持不变。减薄后的PZT薄膜能够更均匀地接收电场，刚性也更低，因此在相同驱动条件下可比单一厚层薄膜产生更大的形变。这些器件通过标准金属MEMS工艺制备，在保证成本效益的同时，具备大规模量产的可行性。
图1 压电驱动微型扬声器的分解图：（a）BSL结构；（b）BML结构
图2 气溶胶沉积机示意图
图3 压电驱动微型扬声器封装横截面及各个部件尺寸
研究人员采用符合IEC-60318-4标准的耳道模拟器对两种结构的微型扬声器进行了封闭声场测量分析。结果表明，BSL结构在1 kHz以下呈现平稳的声压级响应，在15 Vpp和30 Vpp电压下，其峰值声压级分别为92.4 dB和98.4 dB。对于BML结构而言，其在沉积四层5 µm压电薄膜时，膜厚偏差可控制在8%以内，在保持结构对称性的同时，其频率响应趋势在不同驱动电压下呈现一致性规律，且实现了更高的声压级，在15 Vpp和30 Vpp电压下，峰值声压级分别为102.2 dB和108.2 dB。
图4 两种双晶片结构在不同驱动电压下的性能对比
综上所述，这项研究工作开发了两种适用于制造低音扬声器单元的压电驱动微型扬声器结构，研究证明，所开发的BML结构扬声器，在较低的驱动电压下，能够达到与BSL结构扬声器相当的声压级性能。这项研究为提升微型扬声器在低频范围内的声压级性能提供了重要思路。
论文信息：
https://doi.org/10.3390/mi16030353
