基于MEMS微型扬声器实现静电式MEMS换能器的设计

高线性MEMS微型扬声器无疑是当前MEMS领域的研究热点之一。真无线立体声（TWS）耳机带来的卓越互联网连接体验推动了MEMS微型扬声器的开发。随着MEMS微型扬声器能够以更低的电流消耗提供高声压水平，创新且经济高效的声学解决方案（即使对于助听器应用）将变得触手可及。

已有文献报道了很多令人印象深刻的MEMS微型扬声器。它们分别基于不同的换能机制、材料和制造工艺。目前，MEMS微型扬声器的工作原理主要包括压电式、电动式、静电式和热声式换能机制。

比较这些MEMS微型扬声器的一种方法是其几何尺寸——根据特定声学设置中获得的声压级。对于尺寸在亚厘米范围内的微型扬声器，建议采用接近耳道的封闭腔（1.26 立方厘米，根据IEC 60318-4标准）作为声学设置。具体而言，谐波失真在特定声压下应尽可能低。此外，器件的电容负载是估计所报道方案相对功耗的一种重要方式。超过几个纳法拉的电容会产生无功峰值电流，这对于现代TWS耳机常用的电池来说是无法承受的。

据麦姆斯咨询报道，德国弗劳恩霍夫光子微系统IPMS研究所的研究人员在近期发表于Microsystems & Nanoengineering的一篇论文中介绍了针对MEMS微型扬声器的几项研究成果，其中一些实现了基于推挽式（push-pull）概念的设计。由于采用了静态电极，这些方法被认为尺寸很大和/或需要相当高的驱动电压。静电推挽式执行器的概念提供了强大的优势。尤其是在电压偏转关系方面可实现的高线性度是此类执行器的主要特质。然而，由于电极的布置及其各自相对彼此的相对运动，静电推挽式执行器设计的实现仍然具有挑战性。同样，这会影响它们的电压偏转关系以及实现它们的器件设计。到目前为止，静电执行器的普遍缺点是需要在相当高的电压下运行。这尤其适用于推挽式设计的静电执行器，对于微型扬声器，还需要实现低谐波失真。最终，高电压要求和经典的定子梭式电极配置以及吸合现象（奇点）造成的限制有关。

奇点吸引了许多研究人员的兴趣。对于静电驱动MEMS微型扬声器，这种关键行为会在高声压级下工作的微型化、高保真音频再现系统中遇到。典型MEMS微型扬声器设计采用弹性力来平衡静电力。这两种力在本质上截然不同。当输入信号产生足够强的静电力以消除相关的有效刚度时，这种不对称会产生一个奇点，称为吸合。对于最先进的微型扬声器设计，便携式应用对高品质音频再现的需求，意味着需要在接近吸合时运行。只有接近吸合时换能器的灵敏度才足够高，以在低信号电压下产生高声压级，从而适用于便携式设备。此外，只有当微型扬声器以低信号幅度驱动时，总谐波失真（THD）才可以低到可接受的程度。

在实际应用中，并不希望在接近吸合位置操作静电换能器。除非采取特殊的保护措施，否则这种工作方式很容易发生由微小机械冲击造成的灾难性故障。

因此，问题在于如何设计一种静电式MEMS换能器，适合于具有低谐波失真且不需要在吸合奇点附近操作的宽频率范围运行。这个问题的经典答案是使用推挽式设计，在两个定子电极之间放置一个梭形电极。然而，由于所需的定子距离较大，这种推挽式设计利用MEMS实现，也需要在高电压下工作，这对于便携式应用尤其是入耳式应用来说是不切实际的。在之前的论文中，研究人员报道了一种解决大电压问题的不对称设计。

研究人员首次展示了定子梭式配置实际上可以通过将所有三个电极集成到静电弯曲执行器的运动部件中所取代。这意味着电极间距可以保持紧密，实现适合小型便携式设备的电压，同时在不牺牲最大声压级的情况下，大幅改善音频再现的线性度。在这项工作中，研究人员描述了一种基于MEMS技术的静电执行器概念。首先，研究人员介绍了换能器的设计，然后，介绍了弯曲执行器的原理、理论概述和制造工艺。作为概念验证，研究人员展示了一款MEMS微型扬声器，展示了低THD和低电压要求，同时保持足够的SPL。

采用推挽弯曲执行器的MEMS微型扬声器，俯视示意图和3D视图

这项研究中制造的MEMS微型扬声器，a）展示执行器的器件层俯视图；b）具有几何尺寸的推挽式执行器俯视图和局部放大视图

MEMS微型扬声器制造工艺流程

这项工作研究的MEMS微型扬声器具有诱人的性能。其静电执行原理不会遇到压电迟滞或固有功率耗散机制，从而实现THD < 1%，无需任何进一步的声学设计或信号预处理。为宏观静电式扬声器提供卓越性能的线性策略，成功应用于低电压MEMS领域。

这种静电式微型扬声器也有望在功耗和峰值电流消耗方面取得重大进展。先进入耳式设备的电池很小（通常为60  mAh）。大部分电池预算都需要留给语音识别和无线连接等智能功能。这限制了音频再现系统的可用功率。

MEMS微型扬声器必须超越这些限制，才能与经典电动或平衡电枢扬声器竞争。其换能器消耗电能的相关关键参数是电容。其电容决定了无功峰值电流和无功功率，必须由不可避免的功率耗散驱动电路处理。该研究提出的微型扬声器的总电容小于1 nF。

相比之下，目前几家商业化MEMS微型扬声器厂商公开的电容值超过了20 nF甚至150 nF。相对较低的信号电压和执行器电容的有益组合，使该研究所提出的MEMS微型扬声器可以通过连接小型锂聚合物电池或锌空气电池的集成电荷泵来驱动。

审核编辑：郭婷