高線性MEMS微型揚(yáng)聲器無(wú)疑是當(dāng)前MEMS領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。真無(wú)線立體聲（TWS）耳機(jī)帶來(lái)的卓越互聯(lián)網(wǎng)連接體驗(yàn)推動(dòng)了MEMS微型揚(yáng)聲器的開(kāi)發(fā)。隨著MEMS微型揚(yáng)聲器能夠以更低的電流消耗提供高聲壓水平，創(chuàng)新且經(jīng)濟(jì)高效的聲學(xué)解決方案（即使對(duì)于助聽(tīng)器應(yīng)用）將變得觸手可及。

已有文獻(xiàn)報(bào)道了很多令人印象深刻的MEMS微型揚(yáng)聲器。它們分別基于不同的換能機(jī)制、材料和制造工藝。目前，MEMS微型揚(yáng)聲器的工作原理主要包括壓電式、電動(dòng)式、靜電式和熱聲式換能機(jī)制。

比較這些MEMS微型揚(yáng)聲器的一種方法是其幾何尺寸——根據(jù)特定聲學(xué)設(shè)置中獲得的聲壓級(jí)。對(duì)于尺寸在亞厘米范圍內(nèi)的微型揚(yáng)聲器，建議采用接近耳道的封閉腔（1.26?立方厘米，根據(jù)IEC 60318-4標(biāo)準(zhǔn)）作為聲學(xué)設(shè)置。具體而言，諧波失真在特定聲壓下應(yīng)盡可能低。此外，器件的電容負(fù)載是估計(jì)所報(bào)道方案相對(duì)功耗的一種重要方式。超過(guò)幾個(gè)納法拉的電容會(huì)產(chǎn)生無(wú)功峰值電流，這對(duì)于現(xiàn)代TWS耳機(jī)常用的電池來(lái)說(shuō)是無(wú)法承受的。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，德國(guó)弗勞恩霍夫光子微系統(tǒng)IPMS研究所的研究人員在近期發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering的一篇論文中介紹了針對(duì)MEMS微型揚(yáng)聲器的幾項(xiàng)研究成果，其中一些實(shí)現(xiàn)了基于推挽式（push-pull）概念的設(shè)計(jì)。由于采用了靜態(tài)電極，這些方法被認(rèn)為尺寸很大和/或需要相當(dāng)高的驅(qū)動(dòng)電壓。靜電推挽式執(zhí)行器的概念提供了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。尤其是在電壓偏轉(zhuǎn)關(guān)系方面可實(shí)現(xiàn)的高線性度是此類執(zhí)行器的主要特質(zhì)。然而，由于電極的布置及其各自相對(duì)彼此的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，靜電推挽式執(zhí)行器設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)仍然具有挑戰(zhàn)性。同樣，這會(huì)影響它們的電壓偏轉(zhuǎn)關(guān)系以及實(shí)現(xiàn)它們的器件設(shè)計(jì)。到目前為止，靜電執(zhí)行器的普遍缺點(diǎn)是需要在相當(dāng)高的電壓下運(yùn)行。這尤其適用于推挽式設(shè)計(jì)的靜電執(zhí)行器，對(duì)于微型揚(yáng)聲器，還需要實(shí)現(xiàn)低諧波失真。最終，高電壓要求和經(jīng)典的定子梭式電極配置以及吸合現(xiàn)象（奇點(diǎn)）造成的限制有關(guān)。

奇點(diǎn)吸引了許多研究人員的興趣。對(duì)于靜電驅(qū)動(dòng)MEMS微型揚(yáng)聲器，這種關(guān)鍵行為會(huì)在高聲壓級(jí)下工作的微型化、高保真音頻再現(xiàn)系統(tǒng)中遇到。典型MEMS微型揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)采用彈性力來(lái)平衡靜電力。這兩種力在本質(zhì)上截然不同。當(dāng)輸入信號(hào)產(chǎn)生足夠強(qiáng)的靜電力以消除相關(guān)的有效剛度時(shí)，這種不對(duì)稱會(huì)產(chǎn)生一個(gè)奇點(diǎn)，稱為吸合。對(duì)于最先進(jìn)的微型揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)，便攜式應(yīng)用對(duì)高品質(zhì)音頻再現(xiàn)的需求，意味著需要在接近吸合時(shí)運(yùn)行。只有接近吸合時(shí)換能器的靈敏度才足夠高，以在低信號(hào)電壓下產(chǎn)生高聲壓級(jí)，從而適用于便攜式設(shè)備。此外，只有當(dāng)微型揚(yáng)聲器以低信號(hào)幅度驅(qū)動(dòng)時(shí)，總諧波失真（THD）才可以低到可接受的程度。

在實(shí)際應(yīng)用中，并不希望在接近吸合位置操作靜電換能器。除非采取特殊的保護(hù)措施，否則這種工作方式很容易發(fā)生由微小機(jī)械沖擊造成的災(zāi)難性故障。

因此，問(wèn)題在于如何設(shè)計(jì)一種靜電式MEMS換能器，適合于具有低諧波失真且不需要在吸合奇點(diǎn)附近操作的寬頻率范圍運(yùn)行。這個(gè)問(wèn)題的經(jīng)典答案是使用推挽式設(shè)計(jì)，在兩個(gè)定子電極之間放置一個(gè)梭形電極。然而，由于所需的定子距離較大，這種推挽式設(shè)計(jì)利用MEMS實(shí)現(xiàn)，也需要在高電壓下工作，這對(duì)于便攜式應(yīng)用尤其是入耳式應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不切實(shí)際的。在之前的論文中，研究人員報(bào)道了一種解決大電壓?jiǎn)栴}的不對(duì)稱設(shè)計(jì)。

研究人員首次展示了定子梭式配置實(shí)際上可以通過(guò)將所有三個(gè)電極集成到靜電彎曲執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)部件中所取代。這意味著電極間距可以保持緊密，實(shí)現(xiàn)適合小型便攜式設(shè)備的電壓，同時(shí)在不犧牲最大聲壓級(jí)的情況下，大幅改善音頻再現(xiàn)的線性度。在這項(xiàng)工作中，研究人員描述了一種基于MEMS技術(shù)的靜電執(zhí)行器概念。首先，研究人員介紹了換能器的設(shè)計(jì)，然后，介紹了彎曲執(zhí)行器的原理、理論概述和制造工藝。作為概念驗(yàn)證，研究人員展示了一款MEMS微型揚(yáng)聲器，展示了低THD和低電壓要求，同時(shí)保持足夠的SPL。

采用推挽彎曲執(zhí)行器的MEMS微型揚(yáng)聲器，俯視示意圖和3D視圖

這項(xiàng)研究中制造的MEMS微型揚(yáng)聲器，a）展示執(zhí)行器的器件層俯視圖；b）具有幾何尺寸的推挽式執(zhí)行器俯視圖和局部放大視圖

MEMS微型揚(yáng)聲器制造工藝流程

這項(xiàng)工作研究的MEMS微型揚(yáng)聲器具有誘人的性能。其靜電執(zhí)行原理不會(huì)遇到壓電遲滯或固有功率耗散機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)THD?

這種靜電式微型揚(yáng)聲器也有望在功耗和峰值電流消耗方面取得重大進(jìn)展。先進(jìn)入耳式設(shè)備的電池很?。ㄍǔ?0? mAh）。大部分電池預(yù)算都需要留給語(yǔ)音識(shí)別和無(wú)線連接等智能功能。這限制了音頻再現(xiàn)系統(tǒng)的可用功率。

MEMS微型揚(yáng)聲器必須超越這些限制，才能與經(jīng)典電動(dòng)或平衡電樞揚(yáng)聲器競(jìng)爭(zhēng)。其換能器消耗電能的相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)是電容。其電容決定了無(wú)功峰值電流和無(wú)功功率，必須由不可避免的功率耗散驅(qū)動(dòng)電路處理。該研究提出的微型揚(yáng)聲器的總電容小于1?nF。

相比之下，目前幾家商業(yè)化MEMS微型揚(yáng)聲器廠商公開(kāi)的電容值超過(guò)了20?nF甚至150?nF。相對(duì)較低的信號(hào)電壓和執(zhí)行器電容的有益組合，使該研究所提出的MEMS微型揚(yáng)聲器可以通過(guò)連接小型鋰聚合物電池或鋅空氣電池的集成電荷泵來(lái)驅(qū)動(dòng)。

審核編輯：郭婷