压电MEMS
基于悬臂振膜设计的压电微机电系统（MEMS）扬声器，在电声转换效率与低频声压级（SPL）表现上已显现出显著的应用潜力。然而，该结构在首阶谐振频率附近总谐波失真（THD）明显升高，且高频段（10 kHz以上）因谐振频率与带宽限制导致SPL急剧衰减，严重影响音频还原质量。据行业资讯平台报道，北京理工大学谢会开教授团队近期研发出一种基于2.7微米厚度溅射锆钛酸铅（PZT）薄膜的压电MEMS扬声器，其创新结构包含悬臂式振膜与四组双S形驱动单元。该设计通过将悬臂振膜首阶谐振频率设定为3.2 kHz，并在21.3 kHz处通过双S驱动结构引入附加谐振峰，有效解决了高频SPL不足与THD劣化问题。
在711人工耳模拟器上的测试数据显示，采用1-3 Vpp驱动电压时，双S驱动结构的引入使平均SPL提升23 dB，平均THD降低80%，并在3.2-20 kHz频段内将THD控制在0.6%以下。中高频段的SPL与THD性能均得到显著改善。该研究成果以"SPL and THD improvement of a cantilever-diaphragm piezoelectric MEMS loudspeaker with Double-S actuators"为题发表于《Microsystems & Nanoengineering》期刊，为高保真压电MEMS扬声器开发提供了理论支撑，并拓展了入耳式设备的频响范围。
【器件结构与工作原理】
如图1a所示，该压电MEMS扬声器由四组双S驱动单元（每组尺寸3.8×0.8 mm）与悬臂梁式振膜（长度3 mm）构成，有效振动面积达28.3 mm²。其多层结构自上而下依次为320 nm金/2.7 μm PZT/100 nm铂/2.2 μm硅层。振膜背面采用70 μm厚硅框架增强结构稳定性，双S驱动单元通过四根连接梁与框架相连。驱动单元顶电极分为两组，当施加反相电压时，两组电极产生反向形变，从而驱动整个结构产生垂直位移。3.8 mm的长度设计确保大位移输出，0.8 mm宽度则用于调节谐振模式。
图1 本文提出的压电MEMS扬声器示意图
仿真分析（图2）表明，双S驱动单元在中低频段呈现活塞式振动模式，并在21.3 kHz处激发额外高频谐振，两种模式的协同作用显著提升了宽带SPL性能。电极配置（图1b）显示，悬臂振膜采用独立电极（电极1）实现d₃₁模式弯曲运动，双S驱动单元顶电极分为正负两组（电极2+/2-）。通过组合激励电压，该器件可实现三种工作模式：仅驱动悬臂振膜（模式A）、仅驱动双S单元（模式B）、同步驱动两者（模式A+B）。
图2 压电MEMS扬声器的有限元模型仿真
【制造工艺】
器件基于绝缘体上硅（SOI）晶圆制备，包含2.2 μm顶层硅、1.1 μm埋氧层及400 μm硅衬底。工艺流程依次为：沉积100 nm ZrO₂绝缘层与铂电极层，溅射2.7 μm PZT薄膜（实测d₃₁=-55 pC/N），最终形成多层结构（图3）。器件光学图像与扫描电镜照片（图4）验证了制造精度。
图3 压电MEMS扬声器的制造工艺流程
图4 压电MEMS扬声器照片及表面轮廓图
【声学表征】
测试系统（图5a）由计算机、声学分析仪（AAI-2718）、711人工耳、消声箱及待测器件组成。分析仪可输出180°反相激励电压，并接收标准麦克风信号。在400 Hz-20 kHz频段内，分别测试1/2/3 Vpp驱动电压下三种工作模式的SPL与THD性能。结果显示（图5），双S驱动结构的引入使中高频SPL提升23 dB（1 Vpp激励），THD降低至0.6%以下。
图5 耳模拟器环境下压电MEMS扬声器的声学表征
频响曲线（图6）表明，该器件在SPL≥80 dB且THD≤3%、以及SPL≥100 dB且THD≤1%两种性能指标下，带宽均优于现有同类产品。
图6 本文提出的压电MEMS扬声器与当前最先进的压电MEMS扬声器在耳模拟器环境中的频率范围对比
【创新价值】
相比传统悬臂振膜设计，双S驱动结构在优化中高频SPL与THD方面展现显著优势，同时扩展了有效带宽。该技术不仅可提升现有悬臂式扬声器的音质，更有望替代高成本平衡电枢单元，推动高保真压电MEMS耳机产业化进程。研究提出通过在基础MEMS扬声器周围集成双S驱动单元或类似结构，可实现全频段性能优化，为高端MEMS扬声器开发指明了可行路径。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-025-01031-0
