基于静电悬浮原理的MEMS扬声器的工作原理

据麦姆斯咨询报道，近期，一支由加拿大魁北克大学希库蒂米分校（Université du Québec à Chicoutimi， UQAC）和蒙特利尔分校（Université du Québec à Montréal， UQAM）研究人员组成的团队在2022 20th IEEE Interregional NEWCAS Conference（NEWCAS）上发表了题为“A Surface-Micromachined Levitating MEMS Speaker”的最新论文，据研究人员所知，本论文首次提出了一种悬浮式MEMS扬声器，该扬声器在1mm处产生的最大声压级（SPL）约为85db，在高保真、高效率的应用领域具有良好的前景。

在过去的三十年里，许多宏观尺度的机电设备已经成功地被小型化了，就像电子集成电路（IC）从批量制造工艺和规模经济中受益，例如：采用微机电系统（MEMS）技术的加速度计、陀螺仪或压力传感器。尽管取得了这些进展，但是无处不在的音频扬声器仍然相当庞大和低效，正在等待可行的商业小型化解决方案。

虽然对于许多设备类型来说，微尺度物理学有利于提高性能，但不幸的是，扬声器应用并非如此。由于MEMS器件通常依赖于刚性材料的形变运动，因此在功率和频率带宽之间存在一种权衡。此外，在低频下的工作依赖于非常大的器件尺寸。对于音频应用来说，低频和覆盖所有可听波长的带宽是至关重要的要求，所有这些都不能牺牲输出功率，即音量。

尽管存在这些挑战，但近年来，MEMS扬声器因其在便携式电子产品方面的巨大潜力而引起了广泛的研究兴趣。

H. Wang等提出了一种使用PZT薄膜制造的压电MEMS扬声器，该扬声器能够在1cm处产生119dB的声压级，单个薄膜的器件面积小于50mm²。然而，它的效率在声音频率低于4kHz时明显下降。

M. V. Garud等开发了静电驱动微型扬声器，其换能电极位于薄膜的侧面，以实现外围驱动，并扩大挠度范围（增加声压级），而不存在吸合风险。然而，由于薄膜在共振时被激发，因此频率响应并不平坦，这对于高保真扬声器来说是至关重要的。

B. Y. Majlis等和I. Shahosseini等分别提出了MEMS扬声器，它由一个悬浮振膜支撑的微线圈组成，并被固定在永磁体上方。虽然该器件在低频时表现出优异的性能，但由于需要集成一种磁性材料，其制造工艺复杂且难以规模化。

为了克服小型MEMS扬声器的低频限制，研究人员已经进行了一系列尝试，例如数字声音重建。在这种方法中，研究人员使用了一个薄膜阵列，其中每个元件产生一系列离散的声能脉冲。阵列发射的总能量是每个元件产生的能量的组合。因此，人们可以通过动态调整同时发声源的数量来控制产生的声音的强度和频率。利用这种方法，重建更高频率的声波可能更具挑战性，因为它需要更快的采样率，并且薄膜元件能够足够快速地启动。

为完全避免基于形变的MEMS器件的常规限制，本论文试图提出一种基于静电悬浮原理的MEMS扬声器新架构。

器件概念和工作原理

图1 悬浮式MEMS器件的工作原理

图1说明了本论文中使用的驱动机理，在一个浮动电势体上产生静电力以使其悬浮。将两个电极连接到差动电压（V+ / V-），当它们靠近自由薄膜放置时，由于产生的电场，导致薄膜内的电荷重新分布。负电荷向V+方向漂移，正电荷向V-方向漂移，进而在整个薄膜上产生向上的电场力，将其向上拉。

为了能够控制薄膜在空间中的位置，电极需要在6个可能的自由度（DOF）中的5个中起作用：x、y和z的线性位移，以及围绕x轴和y轴的旋转。围绕z轴的旋转（即薄膜旋转）对于离面扬声器应用而言不是问题，因此不需要可操作性。图2说明了作用于5个所需自由度的必要电极配置。由于所提出的静电驱动方法只能产生单向力，因此悬浮式MEMS器件的电极配置需要加倍，以允许其在任何方向和方位上进行驱动。

图2 悬浮式MEMS扬声器的示意图（突出显示各种驱动电极）

制造工艺

研究人员设计的悬浮式MEMS扬声器使用MEMSCAP的商业化PolyMUMPS制造工艺，这是一种三层多晶硅表面微加工工艺，可实现横向和纵向换能间隙。如图3所示，悬浮薄膜是使用Poly1实现的，底部电极使用Poly0，横向电极使用Poly1，顶部电极使用Poly2。所进行的仿真符合该技术的所有材料和设计规则。

图3 使用PolyMUMPS工艺制造悬浮式MEMS扬声器的示意图

仿真结果

研究人员使用COMSOL Multiphysics进行有限元仿真，同时考虑固体力学、静电学、压力声学和热粘性声学域的影响。为了减少仿真负载，进行了以下简化：1）由于薄膜的质量非常低，因此忽略重力；2）薄膜沿x轴和y轴运动被禁止；3）薄膜开始处于间隙中心（距底部电极1.375µm高程）。

通过在空气中的声压域仿真，他们确定了在距离薄膜中心1mm处接收到的声压，如图4所示。在1mm处接收到的最大声压级约为85db，对应于1cm处的声压级为65db。

图4 距离薄膜中心1mm处的声压级

综上，本论文提出了一种基于静电悬浮原理的MEMS扬声器。研究人员解释了所提出的工作原理，并给出了研究的仿真结果，结果表明该器件在1mm处能产生的最大声压级约为85db，同时能很好地跟踪输入的指令信号。需要指出的是，本论文提出的设计是作为功能概念验证实现的，尚未对其性能进行优化。因此，提出的新型MEMS扬声器架构在高保真、高效率的应用领域具有良好的前景，即使是低频率的声音应用。