CN113840217A - 压电mems扬声系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种压电MEMS扬声系统，包括：至少一个压电MEMS扬声器；以及，至少一个变压器，所述变压器用于接收音频信号输入，以及用于驱动所述压电MEMS扬声器。该压电MEMS扬声系统，基于变压器对压电MEMS扬声器进行驱动，由于变压器是无源器件因此与传统功率放大器这种有源方案相比，其功耗极低，具有结构简单，适用于集成小型化器件等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微纳机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)技术领域，特别地涉及一种压电MEMS扬声系统。
背景技术
压电MEMS扬声器的工作原理是利用压电薄膜层的压电效应，将电学信号转化为机械振动，进而产生声音。其厚度很薄，尺寸很小，能效出色，响应快速，音频性能优异，可以覆盖20Hz-20kHz的整个频率范围。得益于现代芯片制造技术，利用硅材料来开发MEMS扬声器具有很大的优势，半导体材料硅可进行大批量超微结构加工，非常适用于扬声器这种市场需求极大的微型电子器件，并且，还具有很高的成本效益。但是目前的压电MEMS扬声器驱动需要高电压(一般>10V)，现有技术大多利用功率放大器对信号进行放大，这为电路增加了额外的功耗负担，限制了其在耳机等具有长续航需求领域的应用。因此，亟需提出一种使用低电压、小功率的方式驱动MEMS扬声器。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种功耗低的压电MEMS扬声系统。
根据本发明实施方式的压电MEMS扬声系统，包括：至少一个压电MEMS扬声器；以及，至少一个变压器，所述变压器用于接收音频信号输入，以及驱动所述压电MEMS扬声器。
可选地，所述压电MEMS扬声器的数量不少于所述变压器的数量。
可选地，所述系统中还包括动圈扬声器和/或动铁扬声器。
可选地，所述音频信号输入与所述动圈扬声器和/或动铁扬声器直接相连；或者，所述音频信号输入经过所述变压器与所述动圈扬声器和/或动铁扬声器间接相连。
可选地，所述变压器的初级线圈或者次级线圈，与如下的一种元件或多种元件串联或者并联：电容、电阻、电感。
可选地，所述变压器的初级线圈连接所述音频信号输入，所述变压器的次级线圈连接所述压电MEMS扬声器，所述变压器的初级线圈匝数小于等于次级线圈匝数。
可选地，所述压电MEMS扬声器的边长小于等于20mm。
可选地，所述变压器为音频变压器，其最大面的面积小于等于所述压电MEMS扬声器任一面面积的2倍，或其最大边长小于等于所述压电MEMS扬声器最大边长的2倍。
可选地，所述压电MEMS扬声器的工作频率为20Hz至20kHz。
可选地，所述变压器的初级线圈匝数与次级线圈匝数的比值为1:1至1:10000。
可选地，所述压电MEMS扬声器的电容值为0.1nF至1μF。
可选地，所述变压器的初级电感为0.01mH至5H或者0.1mH至10mH。
可选地，所述系统的输入阻抗大于20欧姆或者大于100欧姆。
可选地，所述系统的谐振点fr处的输入阻抗大于200欧姆或者大于2000欧姆。
可选地，所述压电MEMS扬声器为振膜垂直振动型或者振膜平面振动型。
可选地，还包括基板，所述压电MEMS扬声器和所述变压器设置在所述基板两侧。
可选地，所述压电MEMS扬声器包括压电薄膜，以及包括硅基底或硅框架。
可选地，所述系统的电学谐振点Fr在所述压电MEMS扬声器工作频段中，或所述系统的电学谐振点Fr在20Hz到20kHz之间。
可选地，所述系统的电学谐振点Fr小于所述压电MEMS扬声器工作频段的最低频率，或所述系统的电学谐振点Fr小于1kHz。
根据本发明实施方式的压电MEMS扬声系统，基于变压器对压电MEMS扬声器进行驱动，由于变压器是无源器件，因此与传统功率放大器这种有源方案相比，其功耗极低，具有结构简单，适用于集成小型化器件等优点。同时还可利用变压器与无源器件调节压电MEMS扬声器的电学输入，使扬声器系统的整体功耗进一步降低。
附图说明
为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：
图1a和图1b分别为振膜垂直振动型压电MEMS扬声器的剖视图和顶视图；
图1c为振膜垂直振动型压电MEMS扬声器的立体图；
图1d为振膜垂直振动型压电MEMS扬声器中的鳍片的立体图；
图2a至图2f分别为本发明第一至第六实施方式的压电MEMS扬声系统的工作过程示意图；
图3为本发明实施方式的压电MEMS扬声系统的剖面示意图；
图4为本发明实施方式的以基础方式连接的变压器与压电MEMS扬声器的结构示意图；
图5为图4所示结构对应的阻抗Z曲线图；
图6为图4所示结构对应的声压SPL曲线图；
图7为图4所示结构对应的功耗P曲线图；
图8a至图8h以不同改进方式连接的变压器与压电MEMS扬声器的结构示意图；
图9为以改进方式连接的变压器与压电MEMS扬声器功耗P曲线图。
具体实施方式
鉴于背景技术中提到的技术问题，本发明专利提出了一种基于变压器驱动压电MEMS扬声器的压电MEMS扬声系统。由于变压器是无源器件，与功率放大器这种有源方案相比功耗极低。经优化后扬声系统中变压器设计保证了在工作频段内的频响性能，同时利用变压器与无源器件调节压电MEMS扬声器的电学输入，使其谐振频率在20Hz至20kHz，并且使得输入阻抗在谐振点达到最大，减小扬声器的功耗。
根据本发明实施方式的压电MEMS扬声系统，可以包括：音频信号输入；至少一个压电MEMS扬声器；以及，至少一个变压器，该变压器用于接收来自该压电MEMS扬声系统外部的音频信号，以及驱动压电MEMS扬声器。其中：为了保证系统整体尺寸的微型化，压电MEMS扬声器的边长可以小于等于20mm，变压器的最大面的面积小于等于压电MEMS扬声器任一面面积的2倍，或变压器的最大边长小于等于压电MEMS扬声器最大边长的2倍。压电MEMS扬声器的工作频率可以为20Hz至20kHz。该变压器为音频变压器。
压电MEMS扬声器可以为振膜垂直振动型和振膜平面振动型两种。
图1a和图1b分别为振膜垂直振动型压电MEMS扬声器100的剖视图和顶视图。该振膜垂直振动结构压电MEMS扬声器100包括：
101：硅基底，材料可以为单晶硅或者多晶硅；
102：底电极，材料可以为钼、铝等材料；
103：压电薄膜层，材料可以为ALN、ZnO、PZT等压电材料，厚度在20微米以下；
104：顶电极，材料可以为钼、金、铝等材料；
105：空槽(可选结构，在其他实施例中也可以没有)。
图1c为振膜垂直振动型压电MEMS扬声器110的立体图，图1d为振膜垂直振动型压电MEMS扬声器110中的鳍片112的立体图。该振膜垂直振动型压电MEMS扬声器110如图1c所示，可以包括：
111：周边框架，材料可以为硅；
112：鳍片，该鳍片如图1d所示，具体可以包括：
113：硅基骨架，材料可以为单晶硅或多晶硅；
114：压电薄膜层，材料可以为AlN、掺杂AlN、PZT等常用压电薄膜材料；
115：电极，材料可以为Mo、Pt、Au、Al等常用电极材料。
根据本发明实施方式的压电MEMS扬声系统，压电MEMS扬声器的数量不少于变压器的数量。这意味着，各个变压器可以分别驱动一个或者多个扬声器。压电MEMS扬声系统中还可以包括常规的动圈扬声器和/或动铁扬声器。动圈扬声器和/或动铁扬声器在低频有更好的表现，可以与高频表现良好的压电MEMS扬声器配合使用。其中，音频信号输入可以与动圈扬声器和/或动铁扬声器直接相连；或者，音频信号输入经过变压器与动圈扬声器和/或动铁扬声器间接相连。下面列举多个例子进行说明。
图2a示出了本发明第一实施方式的压电MEMS扬声系统10和外部的音频信号源3。该压电MEMS扬声系统10包括：一个压电MEMS扬声器1和一个变压器2。外部的音频信号源3提供的信号由变压器2放大，之后驱动压电MEMS扬声器1发声。该种方式占用空间小，适合于小尺寸扬声系统(例如耳机)的应用。
图2b示出了本发明第二实施方式的压电MEMS扬声系统10和外部的音频信号源3。该压电MEMS扬声系统10包括：两个相同或不同的压电MEMS扬声器1和一个变压器2。外部的音频信号源3提供的信号由变压器2放大，然后连接到两个压电MEMS扬声器1上，可以提高输出的声压。
图2c示出了本发明第三实施方式的压电MEMS扬声系统10和外部的音频信号源3。该压电MEMS扬声系统10包括：两个压电MEMS扬声器1和两个变压器2。外部的音频信号源3提供的信号由并联的两个变压器2放大，然后分别连接到两个压电MEMS扬声器1。该实施例适用于变压器2的线径较小，无法承载过大的电流时的情况。
图2d示出了本发明第四实施方式的压电MEMS扬声系统10和外部的音频信号源3。该压电MEMS扬声系统10包括：一个压电MEMS扬声器1、一个变压器2，以及一个动圈扬声器5。外部的音频信号源3提供的两路信号，一路经过变压器2放大后驱动压电MEMS扬声器1，另一路直接由外部的音频信号源3输出后驱动动圈扬声器5。该实施例目的是结合需要较高压驱动的压电MEMS扬声器以及需要较大电流驱动的动圈扬声器，获得更好的音频信号能量分配和音频输出。动圈扬声器5也可以替换为动铁扬声器。
图2e示出了本发明第五实施方式的压电MEMS扬声系统10和外部的音频信号源3。该压电MEMS扬声系统10包括：一个压电MEMS扬声器1、一个变压器2，一个动圈扬声器5以及一个动铁扬声器6。外部的音频信号源3提供的信号由变压器2放大后驱动压电MEMS扬声器1，同时不放大驱动动圈扬声器5与动铁扬声器6。该实施例可以结合三种扬声器不同频段的表现来提升音质，同时更合理地分配音频信号能量。
图2f示出了本发明第六实施方式的压电MEMS扬声系统10和外部的音频信号源3。该压电MEMS扬声系统10包括：一个压电MEMS扬声器1、一个变压器2，一个动圈扬声器5以及一个动铁扬声器6。外部的音频信号源3提供的信号由变压器2放大后驱动压电MEMS扬声器1与动铁扬声器6，同时不放大驱动动圈扬声器5。该实施例展示了利用变压器2同时驱动两种扬声器的声压，从而平衡全频段的音质。需要说明的是，动圈扬声器5和动铁扬声器6的连接方式可以互换。
图2a至图2f中的信号传输可以通过导线实现。为了减少体积，本发明实施方式的压电MEMS扬声系统，还可以包括基板，压电MEMS扬声器和变压器可以设置在基板两侧。采用这样的背部安装的方式能够减小整体体积。其中压电MEMS扬声器还可以包括壳体，壳体上具有声孔以便于声波传出。示例地，如图3所示，将变压器2安装在基板8的背部，之后通过基板8上的过孔连接到正面的压电MEMS扬声器1，压电MEMS扬声器1的壳体7上具有声孔。这种方式可以减小体积与面积，易于集成到小型设备。
图4为本发明实施方式的以基础方式连接的变压器与压电MEMS扬声器的结构示意图。变压器的初级线圈连接音频信号输入，变压器的次级线圈连接压电MEMS扬声器，变压器的初级线圈匝数小于等于次级线圈匝数。
该情况下的输入阻抗Z如图5所示，输出声压SPL如图6所示，系统功耗P如图7所示。由于变压器与压电MEMS扬声器连接，变压器调制了压电MEMS扬声器的输入阻抗曲线，尤其是在频率fr处产生并联电学谐振。这一谐振由压电MEMS扬声器与变压器初级线圈产生，取决于压电MEMS扬声器的电容值、变压器初级线圈的电感值以及变压器初级与次级线圈的匝数比。通过调整压电MEMS扬声器的电容值，变压器初级线圈的电感值以及变压器初级与次级线圈的匝数比可以将电学谐振点fr置于扬声器的工作频段中，即f1<fr<f2，f1和f2为工作频段的最低频率(如20Hz)和最高频率(如20kHz)。变压器/扬声器系统的输入阻抗在fr处达到最大，可以大幅减小这一频率点以及附近频段的功耗。当f1<fr<f2时，扬声器的功耗可以大幅降低。另外，当fr<f1时，也可以一定程度上降低扬声器的功耗；例如，当f1为1kHz时，fr可以小于1kHz。一般情况下，f1和f2为设计目标，无法调整，因此可以通过调整变压器初级与次级线圈的匝数比、扬声器的电容值、以及变压器初级线圈的电感值进而调整fr。变压器的初级线圈匝数与次级线圈匝数的比值可以为1:1至1:10000。压电MEMS扬声器的电容值可以为0.1nF至1μF。变压器的初级电感可以为0.01mH至5H或者0.1mH至10mH。
为得到良好扬声效果，根据本发明实施方式的压电MEMS扬声系统中，系统输入阻抗Z可以大于20欧姆或者大于100欧姆，系统的谐振点fr处的输入阻抗可以大于200欧姆或者大于2000欧姆。
根据本发明实施方式的压电MEMS扬声系统，变压器的初级线圈或者次级线圈，还可以与如下的一种元件或多种元件串联或者并联：电容、电阻、电感，进一步提升阻抗，降低功耗，尤其是f1和/或fr处的功耗。
如图8a所示，将初级线圈串接电容，增加了其在低频段的阻抗，既可以调节谐振点，改善音质，又可以降低低频段的功耗。
如图8b所示，将初级线圈串接电阻，增加了全频段的阻抗，从而改善了各个频段内的功耗表现。
如图8c所示，将初级线圈串接电感，可以起到调节谐振点的作用，使得谐振点往更低的频段移动，从而改变低频段功耗。同时增加了高频阻抗，高频的功耗也降低。
如图8d所示，将次级线圈串接电容，可以增加低频段的阻抗，从而降低低频段的功耗。
如图8e所示，将初级线圈并联电容，可以降低谐振点频率，改善低频音质，同时降低低频功耗。
如图8f所示，将初级线圈串联电容与电阻，电容可以提高低频阻抗，电阻提高全频段阻抗，进而改善全频段的功耗表现。
如图8g所示，将次级线圈串联电阻，可以提升全频段的阻抗，进而降低全频段功耗。
如图8h所示，将次级线圈串联电感，可以有效的提升高频处的阻抗，从而降低高频段的功耗。
采用如图8a至图8h所示的方式对压电MEMS扬声系统改进，改进后的功耗表现如图9所示，可以大大的降低功耗，尤其是fr频率以下的低频频段功耗。
根据本发明实施方式的压电MEMS扬声系统，基于变压器对压电MEMS扬声器进行驱动，由于变压器是无源器件因此与传统功率放大器这种有源方案相比，其功耗极低，具有结构简单，适用于集成小型化器件等优点。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (19)
1.一种压电MEMS扬声系统，其特征在于，包括：
至少一个压电MEMS扬声器；以及，
至少一个变压器，所述变压器用于接收音频信号输入，以及用于驱动所述压电MEMS扬声器。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压电MEMS扬声器的数量不少于所述变压器的数量。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统中还包括动圈扬声器和/或动铁扬声器。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，
所述音频信号输入与所述动圈扬声器和/或动铁扬声器直接相连；或者，
所述音频信号输入经过所述变压器与所述动圈扬声器和/或动铁扬声器间接相连。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变压器的初级线圈或者次级线圈，与如下的一种元件或多种元件串联或者并联：电容、电阻、电感。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述变压器的初级线圈连接所述音频信号输入，所述变压器的次级线圈连接所述压电MEMS扬声器，所述变压器的初级线圈匝数小于等于次级线圈匝数。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述压电MEMS扬声器的边长小于等于20mm。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述变压器为音频变压器，其最大面的面积小于等于所述压电MEMS扬声器任一面面积的2倍，或其最大边长小于等于所述压电MEMS扬声器最大边长的2倍。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述压电MEMS扬声器的工作频率为20Hz至20kHz。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述变压器的初级线圈匝数与次级线圈匝数的比值为1:1至1:10000。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述压电MEMS扬声器的电容值为0.1nF至1μF。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述变压器的初级电感为0.01mH至5H或者0.1mH至10mH。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统的输入阻抗大于20欧姆或者大于100欧姆。
14.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统的谐振点fr处的输入阻抗大于200欧姆或者大于2000欧姆。
15.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述压电MEMS扬声器为振膜垂直振动型或者振膜平面振动型。
16.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，还包括基板，所述压电MEMS扬声器和所述变压器设置在所述基板两侧。
17.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述压电MEMS扬声器包括压电薄膜，以及包括硅基底或硅框架。
18.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统的电学谐振点Fr在所述压电MEMS扬声器工作频段中，或所述系统的电学谐振点Fr在20Hz到20kHz之间。
19.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统的电学谐振点Fr小于所述压电MEMS扬声器工作频段的最低频率，或所述系统的电学谐振点Fr小于1kHz。
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- 2021-07-12 CN CN202110786779.4A patent/CN113840217A/zh active Pending
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