CN113993049A - Mems数字扬声器设计方法 - Google Patents

Mems数字扬声器设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113993049A
CN113993049A CN202111408511.3A CN202111408511A CN113993049A CN 113993049 A CN113993049 A CN 113993049A CN 202111408511 A CN202111408511 A CN 202111408511A CN 113993049 A CN113993049 A CN 113993049A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pixel
speaker unit
preset
speaker
value
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111408511.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113993049B (zh
Inventor
杜海江
刘长华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Earth Mountain (Shanghai) Intelligent Technology Co.,Ltd.
Original Assignee
Earth Mountain Beijing Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Earth Mountain Beijing Technology Co ltd filed Critical Earth Mountain Beijing Technology Co ltd
Publication of CN113993049A publication Critical patent/CN113993049A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113993049B publication Critical patent/CN113993049B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/02—Loudspeakers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/10—Resonant transducers, i.e. adapted to produce maximum output at a predetermined frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/005—Electrostatic transducers using semiconductor materials
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R7/00—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
    • H04R7/02—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones characterised by the construction
    • H04R7/04—Plane diaphragms
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R7/00—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
    • H04R7/16—Mounting or tensioning of diaphragms or cones
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003—Mems transducers or their use

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)
  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)

Abstract

本公开涉及扬声器技术领域，尤其是涉及一种MEMS数字扬声器设计方法。本公开的MEMS数字扬声器设计方法通过对MEMS数字扬声器中每个像素扬声器单元的后腔尺寸进行设计。具体的，基于像素扬声器单元的后腔的设计体积，确定像素扬声器单元的弹性力和驱动力。当像素扬声器单元的驱动力与像素扬声器单元的弹性力的差值满足目标条件时，确定设计体积为像素扬声器单元的后腔的设计体积。当像素扬声器单元的驱动力与像素扬声器单元的弹性力的差值不满足目标条件时，对设计体积进行更新。本公开通过对像素扬声器单元的后腔尺寸的设计，可以增大像素扬声器单元的谐振频率，提高数字扬声器的声压级，同时也可以使像素扬声器单元的指向性更加显著。

Description

MEMS数字扬声器设计方法
技术领域
本公开涉及扬声器技术领域，尤其是涉及一种MEMS数字扬声器设计方法。
背景技术
MEMS(微机电系统，Micro-Electro-Mechanical System)扬声器，是由 N个像素扬声器单元构成的阵列发声器件。与传统扬声器模拟发声原理不同，其发声采用数字声音重构的方式实现，在构成的单个像素扬声器设计中，其很多设计原理与传统扬声器不同。
在数字声音重构中，每个像素扬声器单元能产生理想的声脉冲信号。通过控制芯片实现多个扬声器联立，重构出随时间变化的声波。
因此，如何通过提高每个像素扬声器单元的声学性能以提高MEMS数字扬声器的声学性能已成为目前亟待解决的问题。
发明内容
本公开提供了MEMS数字扬声器设计方法，以解决发明人认识到的如何提高每个像素扬声器单元的声学性能技术问题。
本公开提供了一种MEMS数字扬声器设计方法，包括：
设定像素扬声器单元的后腔的预设体积，确定像素扬声器单元的弹性力和驱动力；
当像素扬声器单元满足目标条件时，确定预设体积为像素扬声器单元的后腔的设计体积；当像素扬声器单元不满足目标条件时，对预设体积进行更新，直至像素扬声器单元满足目标条件；
按预设规则排布多个像素扬声器单元得到MEMS数字扬声器。
在上述任一技术方案中，进一步地，目标条件包括像素扬声器单元的驱动力与弹性力的差值大于第一数值，且小于或等于第二数值；
其中，第一数值小于第二数值。
在上述任一技术方案中，进一步地，目标条件还包括当驱动力与弹性力的差值大于第一数值，且小于或等于第二数值时，在额定电压下，像素扬声器单元的振膜被驱动至极限位置时，像素扬声器的谐振频率达到目标频率。
在上述任一技术方案中，进一步地，第一数值根据像素扬声器单元的阻尼力确定，第二数值与第一数值之差小于预设数值。
在上述任一技术方案中，进一步地，当像素扬声器单元不满足目标条件时，对预设体积进行更新的步骤包括：
当驱动力与弹性力的差值小于或等于第一数值时，增大预设体积。
在上述任一技术方案中，进一步地，增大预设体积的步骤包括：
增大像素扬声器单元的预设高度，或增大像素扬声器单元的预设横截面。
在上述任一技术方案中，进一步地，当增大像素扬声器单元的预设高度时，保持像素扬声器单元的预设横截面积，且按照每次增大预设数值的方式，对像素扬声器单元的预设高度进行分步增大；
当增大像素扬声器单元的预设横截面时，保持像素扬声器单元的预设高度。
在上述任一技术方案中，进一步地，当像素扬声器单元不满足目标条件时，对预设体积进行更新的步骤包括：
当驱动力与弹性力的差值大于第二数值时，减小预设体积。
在上述任一技术方案中，进一步地，减小预设体积的步骤包括：
减小像素扬声器单元的预设高度，或减小像素扬声器单元的预设横截面。
在上述任一技术方案中，进一步地，当减小像素扬声器单元的预设高度时，保持像素扬声器单元的预设横截面积，且按照每次减小预设数值的方式，对像素扬声器单元的预设高度进行分步减小；
当减小像素扬声器单元的预设横截面时，保持像素扬声器单元的预设高度。
本公开的有益效果主要在于：
本公开实施例提供MEMS数字扬声器设计方法是对MEMS数字扬声器中的每个像素扬声器单元的后腔尺寸进行设计，其通过基于像素扬声器单元的预设体积，并根据目标条件对像素扬声器单元的预设体积进行更新，从而确定每个像素扬声器单元的后腔尺寸。
因此，通过对像素扬声器单元的后腔尺寸的设计，能够增大像素扬声器单元的声压以及增大像素扬声器单元的谐振频率，进而提高像素扬声器单元的声学性能。
应当理解，前述的一般描述和接下来的具体实施方式两者均是为了举例和说明的目的并且未必限制本公开。并入并构成说明书的一部分的附图示出本公开的主题。同时，说明书和附图用来解释本公开的原理。
附图说明
为了更清楚地说明本公开具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例中MEMS数字扬声器的结构示意图；
图2为本公开实施例中像素扬声器单元的结构示意图；
图3为本公开实施例中MEMS数字扬声器设计方法的步骤图；
图4为本公开实施例中静电式驱动力像素扬声器单元的结构示意图；
图5为本公开实施例中振膜的驱动力和弹性力对比图；
图6本公开实施例中优化前后的两种后腔尺寸的MEMS数字扬声器的声压指向性的极坐标图。
图标：10-像素扬声器单元；101-后腔；102-电极；103-振膜；104-基底；105-支撑结构；106-介质结构。
具体实施方式
下面将结合附图对本公开的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
请参照图1，本公开实施例提供了一种MEMS数字扬声器，包括多个阵列排布的像素扬声器单元10。
图1中示出的MEMS数字扬声器包括32*32个像素扬声器单元10，在实际中，可根据需求设定MEMS数字扬声器中像素扬声器单元10 的个数，本公开实施例对此不作具体限定。
参照图2，每个像素扬声器单元10均包括：后腔101、电极102 和振膜103。振膜103设置在后腔101的一侧，电极102设置在振膜 103朝向后腔101的一侧，且电极102与振膜103间隔设置。
在本公开实施例中，后腔101的尺寸为目标尺寸。该目标尺寸可以根据像素扬声器单元10的驱动力与像素扬声器单元10的弹性力进行设定。且基于该目标尺寸，在额定电压下，像素扬声器单元10的振膜103被驱动至极限位置，像素扬声器的谐振频率达到目标频率。
需要说明的是，由于像素扬声器单元10的后腔101尺寸决定后腔101的空气刚度，像素扬声器单元10的空气刚度决定像素扬声器单元10的谐振频率，像素扬声器单元10的谐振频率影响像素扬声器单元10的声压效果。因此，像素扬声器单元10的后腔101尺寸影响像素扬声器单元10的声压效果。本公开中像素扬声器单元10的后腔 101尺寸为目标尺寸，在该目标尺寸下，像素扬声器的谐振频率达到目标频率，因此，像素扬声器单元10的声压效果也可以到达目标声压效果。
在实际中，根据像素扬声器单元10的驱动力与像素扬声器单元 10的弹性力确定的目标尺寸，可以使得像素扬声器单元10的声压效果达到目标声压效果。反向推导时，也可以理解为，根据像素扬声器单元10需要到达的目标声压效果，设定像素扬声器单元10的驱动力与像素扬声器单元10的弹性力，从而确定出上述目标尺寸。
其中，上述目标声压效果可以根据实际的需求进行设定。可以理解，在设定了目标声压效果后，根据以上阐述，可以推导出目标频率和目标尺寸。
其次，当像素扬声器单元10的谐振频率到达目标频率时，数字扬声器的时钟频率也得到了提升，从而可以增大数字声音重构的时间分辨率。
最后，本公开中像素扬声器单元10的谐振频率为目标谐振频率，基于此，可以使像素扬声器单元10的指向性更加显著，且可以减小 MEMS数字扬声器中各个像素扬声器单元10件的干扰。
参照图2，每个像素扬声器单元10还包括基底104，上述后腔 101至少形成在基底104中。
参照图2，基底104具有开口；电极102形成在基底104的一侧。其中，电极102与基底104的开口相对的位置处具有多个连通结构。该连通结构用于在振膜103的振动过程中，使后腔101中的空气流动。
参照图2，振膜103形成在电极102背离基底104的一侧，且振膜103与电极102之间还形成有介质结构106。该介质结构106上开设有与基底104的开口大小相适应的通孔。该通孔可以为后腔101 的一部分，该介质结构106用于使电极102与振膜103之间具有间隔。
上述振膜103可以包括固定段和驱动段，驱动段通过支撑结构 105与固定段相连接。其中，驱动段与基底104的开口相对设置，固定段设置在介质结构106上。进一步的，固定段与介质结构106的形状相匹配。上述驱动段与固定段为一体式结构，且驱动段与固定段采用相同的材料制备。
基于上述结构，在本实施例中，振膜103朝向电极102的一侧至开口的底部之间的结构形成后腔101。
而在本公开的其他实施例中，电极102背离振膜103的一侧至开口的底部之间的结构形成后腔101。上述后腔101的横截面可以为圆形、矩形或其他形状。电极102、介质结构106以及振膜103的厚度之和远小于基底104的开口深度。故，本公开实施例对后腔101的设定可以是振膜103朝向电极102的一侧至开口的底部之间的结构形成后腔101，也可以是电极102背离振膜103的一侧至开口的底部之间的结构形成后腔101。
在本实施例中，上述目标尺寸为后腔101的高度大于20μm。此时，对后腔101的横截面的长度和宽度此处不作具体限定，可根据实际需求进行设定。例如：上述目标尺寸为后腔101的高度为30μm、 50μ或90μm。
而在本公开的其他实施例中，上述目标尺寸为后腔101的横截面的长度范围包括150μm-500μm。此时，对后腔101高度不作具体限定，可根据实际需求进行设定。例如：上述目标尺寸为后腔101的横截面的长度为150μm、350μm或500μm。
在本实施例中，上述基底104、电极102、振膜103以及介质结构106的材质可以为现有技术中使用的材料，也可以根据实际需求进行设定。例如：基底104为硅基底，振膜103和电极102的材质为多晶硅，介质结构106的材质为二氧化硅。
请参照图1-图6，本公开实施例还提供了一种MEMS数字扬声器设计方法，应用于上述的MEMS数字扬声器中。
像素扬声器单元10是组成MEMS数字扬声器的基本单元，其振膜 103可以被静电力或电动力激励，从而推动空气向外辐射声能，因此，每个像素扬声器单元10均能形成一个独立的发声单元。图1以静电扬声器结构示意，包含振膜103、电极102、基体和后腔101。本实施例不限于何种驱动力方式的扬声器，如电磁和压电扬声器等。
请参照图3，本公开提供的MEMS数字扬声器设计方法通过对每个像素扬声器单元10的后腔101尺寸进行设计，以增大每个像素扬声器单元10的声压效果，其包括：
设定像素扬声器单元10的后腔101的预设体积，确定像素扬声器单元10的弹性力和驱动力；
当像素扬声器单元10满足目标条件时，确定预设体积为像素扬声器单元10的后腔101的设计体积；当像素扬声器单元10不满足目标条件时，对预设体积进行更新，直至像素扬声器单元10满足目标条件；
按预设规则排布多个像素扬声器单元10得到MEMS数字扬声器。
需要说明的是，其中，像素扬声器单元10的后腔101的预设体积可以根据实际情况进行设定，即，预设体积可以根据实际情况设定为一个合适的尺寸值。而且像素扬声器单元10的后腔101体积由像素扬声器单元10的后腔101高度和后腔101横截面的面积决定。
该MEMS数字扬声器设计方法的原理是：
MEMS数字扬声器设计方法是对MEMS数字扬声器中的每个像素扬声器单元10的后腔101尺寸进行设计，其通过基于像素扬声器单元 10的预设体积，并根据目标条件对像素扬声器单元10的预设体积进行更新，从而确定每个像素扬声器单元10的后腔101尺寸。
因此，通过对像素扬声器单元10的后腔101尺寸的设计，能够增大像素扬声器单元10的声压以及增大像素扬声器单元10的谐振频率，进而提高像素扬声器单元10的声学性能。
进一步地，在本实施例中，首先，目标条件包括像素扬声器单元 10的驱动力与弹性力的差值大于第一数值，且小于或等于第二数值；其中，第一数值小于第二数值。
其次，目标条件还包括当驱动力与弹性力的差值大于第一数值，且小于或等于第二数值时，在额定电压下，像素扬声器单元10的振膜103被驱动至极限位置时，像素扬声器的谐振频率达到目标频率。
需要说明的是，在确定第一数值及第二数值时，第一数值根据像素扬声器单元10的阻尼力确定，第二数值与第一数值之差小于预设数值。上述的第二数值与第一数值的差值为一个小量，即，第二数值略大于第一数值。例如，第二数值为第一数值的1.1倍。由此，在本公开实施例中，需要在像素扬声器单元10的驱动力略大于像素扬声器单元10的弹性力时，根据像素扬声器单元10预设体积确定像素扬声器单元10的后腔101的设计体积。这是由于像素扬声器单元10 的后腔101尺寸不能无限减小，否则会使像素扬声器单元10的弹性力过大，驱动电压无法产生足够大的驱动力，进而像素扬声器单元 10的振膜103无法在该驱动力的驱动下，达到最大振幅。
在确定像素扬声器单元10的弹性力时，像素扬声器单元10的弹性力包括：后腔101的空气弹簧的弹性力以及振膜103的支撑结构 105的弹性力；具体的，可根据像素扬声器单元10的空气刚度计算后腔101的空气弹簧的弹性力，像素扬声器单元10的空气部分的弹性力，与上述像素扬声器单元10的空气刚度成正比。其中，像素扬声器单元10的空气刚度满足以下公式(1)：
Figure RE-GDA0003425325600000111
上述Sd表示像素扬声器单元10的振膜103有效面积，Vair表示像素扬声器单元10的后腔101体积，C0为声音在空气中的传播速度。
而振膜103的支撑结构105弹性力取决于振膜103和基底104 间具体的支撑连接结构和材料。具体的，振膜103的支撑结构105 弹性力可以通过有限元仿真计算得到，本公开适用于任何支撑结构 105的设计。
在本公开实施例中，MEMS数字扬声器不限于任何驱动方式，具体可以包括静电驱动方式、电力驱动方式和压电驱动等方式。而当 MEMS数字扬声器的驱动方式为静电式驱动方式时，像素扬声器单元 10的驱动力满足以下公式(2)：
Figure RE-GDA0003425325600000121
其中，ε0表示绝对介电常数，εr表示相对介电常数，这里介质一般指空气，S表示振膜103的有效面积，U表示电极102与振膜103 间的电压，d表示电极102与振膜103间的初始距离，x表示振膜103 被电极吸附偏离平衡位置的距离其中，x<d。
基于上述内容，当像素扬声器单元10不满足目标条件时，需要对预设体积进行更新，而其更新步骤如下：
当像素扬声器单元10不满足目标条件时，对预设体积进行更新的步骤包括：
当驱动力与弹性力的差值小于或等于第一数值时，增大预设体积；
当驱动力与弹性力的差值大于第二数值时，减小预设体积。
进一步地，由于像素扬声器单元10的后腔101体积由像素扬声器单元10的后腔101高度和后腔101横截面的面积决定，即，像素扬声器单元10的后腔101的预设体积由预设高度和预设横截面决定。
由此，增大预设体积的步骤包括：增大像素扬声器单元10的预设高度，或增大像素扬声器单元10的预设横截面。
减小预设体积的步骤包括：减小像素扬声器单元10的预设高度，或减小像素扬声器单元10的预设横截面。
进一步地，在本实施例中，当增大或减小像素扬声器单元10的预设高度时，保持像素扬声器单元10的预设横截面积；当增大或减小像素扬声器单元10的预设横截面时，保持像素扬声器单元10的预设高度。
需要说明的是，当增大或减小像素扬声器单元10的预设高度时，按照每次增大或减小预设数值的方式，对像素扬声器单元10的预设高度进行分步增大或减小。
综上，当像素扬声器单元10不满足目标条件时，需要对预设体积进行更新，而其更新步骤如下：
当驱动力与弹性力的差值小于或等于第一数值时，增大预设体积；在增大像素扬声器单元10的后腔101的预设体积时，可以增大像素扬声器单元10的后腔101的预设高度，保持像素扬声器单元10 的预设横截面的面积；或，保持像素扬声器单元10的预设高度，增大像素扬声器单元10的预设横截面的面积。
而且当对像素扬声器单元10的后腔101的预设体积增大一次后，像素扬声器单元10的驱动力与弹性力的差值依旧不能满足目标条件时，继续对像素扬声器单元10的后腔101的预设体积进行增大，直至当像素扬声器单元10的驱动力与弹性力的差值满足目标条件。
在增大像素扬声器单元10的后腔101的预设高度时，可以按照每次增大预设数值的方式，对像素扬声器单元10的预设高度进行增大；预设数值可以根据像素扬声器单元10的预设高度确定。具体的，在更新过程中，可以按照每次增大像素扬声器单元10的预设高度的 1/2倍，对像素扬声器单元10的后腔101的预设高度进行增大，直到当像素扬声器单元10的驱动力与弹性力的差值满足目标条件。还需要说明的是，当对像素扬声器单元10的后腔101的预设体积增大一次后，像素扬声器单元10的驱动力与弹性力的差值依旧不能满足目标条件时，继续对像素扬声器单元10的后腔101的预设体积进行增大，直至像素扬声器单元10的驱动力与弹性力的差值满足目标条件。
根据上述公式(1)可知，当像素扬声器单元10的后腔101的预设体积增大时，像素扬声器单元10的弹性力就会减小，而像素扬声器单元10的驱动力与弹性力的差值就会增大；当像素扬声器单元10 的驱动力与弹性力的差值满足目标条件时，以预设体积作为像素扬声器单元10的后腔101的设计体积，即，以预设高度及预设横截面制作像素扬声器单元10的后腔101。
当驱动力与弹性力的差值大于第二数值时，减小预设体积；在减小像素扬声器单元10的后腔101的预设体积时，可以减小像素扬声器单元10的后腔101的预设高度，保持像素扬声器单元10的预设横截面的面积；或，保持像素扬声器单元10的预设高度，减小像素扬声器单元10的预设横截面的面积。
而且，当像素扬声器单元10的驱动力与像素扬声器单元10的弹性力的差值大于第二数值时，说明像素扬声器单元10的驱动力较大，此时，为了满足像素扬声器单元10的最大振幅，需要增大像素扬声器单元10的弹性力，以减小像素扬声器单元10的驱动力与像素扬声器单元10的弹性力的差值，直至像素扬声器单元10的驱动力与像素扬声器单元10的弹性力的差值满足目标条件。
在减小像素扬声器单元10的后腔101的预设高度时，可以按照每次减小预设数值的方式，对像素扬声器单元10的预设高度进行减小；预设数值可以根据像素扬声器单元10的预设高度确定。具体的，在更新过程中，可以按照每次减小像素扬声器单元10的预设高度的 1/2倍，对像素扬声器单元10的后腔101的预设高度进行减小，直到当像素扬声器单元10的驱动力与弹性力的差值满足目标条件。还需要说明的是，当对像素扬声器单元10的后腔101的预设体积减小一次后，像素扬声器单元10的驱动力与弹性力的差值依旧不能满足目标条件时，继续对像素扬声器单元10的后腔101的预设体积进行减小，直至像素扬声器单元10的驱动力与弹性力的差值满足目标条件。
根据上述公式(1)可知，当像素扬声器单元10的后腔101的预设体积减小时，像素扬声器单元10的弹性力就会增大，而像素扬声器单元10的驱动力与弹性力的差值就会减小；当像素扬声器单元10 的驱动力与弹性力的差值满足目标条件时，以预设体积作为像素扬声器单元10的后腔101的设计体积，即，以预设高度及预设横截面制作像素扬声器单元10的后腔101。
基于上述内容，MEMS数字扬声器设计方法的步骤如下：
参设定像素扬声器单元10的后腔101的预设体积；其中，设定的像素扬声器单元10的后腔101的预设体积为Vin；基于预设体积为Vin对像素扬声器单元10更新后的后腔101预设体积为第i步迭代优化的后腔101尺寸 Vi；
确定像素扬声器单元10的弹性力和驱动力；在本实施例中，像素扬声器单元10的驱动力与弹性力是像素扬声器单元10的振膜103位置x相关的变量，上述描述中提到的驱动力和弹性力的差值指代的是振膜103位置变化过程中的最小量。可以理解为，驱动力需要在振膜103运动过程中需要比弹性力大，从而使得振膜103能够振动到极限位置；在以下内容中，驱动力和弹性力差值均指代遍历振膜103不同位置后，得到的驱动力和弹性力差值的最小量。
具体的，在遍历过程中，每次像素扬声器单元10的振膜103位置的增加量可以为像素扬声器单元10振膜103最大位移的1/18至1/22。利用总弹性力求解器，负责计算像素扬声器单元10的振膜103振动到Xi位置处的结构弹性力与空气后腔101的弹性力叠加的总和弹性力F1(Xi)；利用驱动力求解器，计算像素扬声器单元10的振膜103振动到Xi位置处的驱动力 F2(Xi)。
判断像素扬声器单元10是否满足目标条件；具体的，判断驱动力与弹性力的差值是否大于第一数值，小于或等于第二数值。
利用最小值存储器，存储像素扬声器单元10的振膜103振动到不同Xi位置时，驱动力减去弹性力最小值，即，Min(F2(Xi)-F1(Xi))；循环遍历像素扬声器单元10的振膜103到不同的振动位置(0<Xi<X-max)时 Min(F2(Xi)-F1(Xi))的值。其中，X-max为扬声器振膜103最大位移，每次遍历时振膜103位置的增量Δx建议取X-max的1/20；
当驱动力与弹性力的差值大于第一数值，小于或等于第二数值时，确定后腔101的预设体积为像素扬声器单元10的后腔101的设计体积。
当Y1<Min(F2(Xi)-F1(Xi))≤Y2时，则后腔101体积为优化后的Vout；其中，上述Y1为第一数值，需要根据系统的阻尼力和经验设定。上述Y2为第二数值，Y2为Y1加上一个设定小量。
当驱动力与弹性力的差值小于或等于第一数值时，增大像素扬声器单元10的预设体积，即，当Min(F2(Xi)-F1(Xi))≤Y1时，则需要减小像素扬声器单元10的总弹性力，可通过增大预设体积Vi＝Vi+ΔV来实现；
当驱动力与弹性力的差值大于第二数值时，减小像素扬声器单元10的预设体积，即，当Min(F2(Xi)-F1(Xi))>Y2时，则需要减小预设体积，可通过减小预设体积Vi＝Vi-ΔV来实现；
其中，增量ΔV可以采用二分法设置(ΔV＝Vi/2)。
基于上述内容，由于目标条件还包括当驱动力与弹性力的差值大于第一数值，且小于或等于第二数值时，在额定电压下，像素扬声器单元10的振膜103被驱动至极限位置时，像素扬声器的谐振频率达到目标频率。故，为了提高单个像素扬声器单元10产生的声压效果，通过设计具有不同大小后腔101的像素扬声器单元10，来增大像素扬声器单元10的谐振频率fs，以达到增大声压效果。本公开实施例提供的MEMS数字扬声器设计方法还可以包括：
扬声器谐振频率的计算公式可以为：
Figure RE-GDA0003425325600000181
其中，Kair为像素扬声器单元10的后腔101空气刚度，Km为像素扬声器单元10的后腔101的机械刚度，Mms为像素扬声器单元10的后腔101的振动质量。
对于谐振频率如何影响声压，可以参照圆形活塞半空间辐射公式：
Figure RE-GDA0003425325600000182
其中：pe表示单像素扬声器单元10产生的有效声压(Pa)；ρ0表示空气介质密度(Kg/m3)；S表示单像素扬声器单元10的表面积(m2)；xd表示单像素扬声器单元10振动空间距离，峰-谷位移值(m)；fs表示活塞的工作谐振频率(Hz)；r表示观察点到声源的距离(m)。
单像素扬声器单元10后腔101尺寸主要决定像素扬声器单元10的空气刚度，像素扬声器单元10的空气刚度公式近似为：
Figure RE-GDA0003425325600000183
其中，Sd为振膜103有效面积、Vair为后腔101体积及C0为声音在空气中的传播速度。
通过以上公式可知，像素扬声器单元10的空气刚度与像素扬声器单元 10的后腔101的体积成反比。故减小像素扬声器单元10的后腔101的预设体积，可以增大单个像素扬声器单元10的空气刚度，进而增大像素扬声器单元10的谐振频率。
逐步减小像素扬声器单元10的后腔101的预设体积，以增大单个像素扬声器谐振频率。
通过迭代设计像素扬声器的空气刚度，计算像素扬声器单元10的弹性力及驱动力；
判断驱动力和弹性力差值是否大于第一数值，且小于或等于第二数值；若小于或等于第一数值，或大于第二数值，则对像素扬声器单元10的后腔 101的预设体积进行更新；若满足大于第一数值，且小于或等于第二数值，则输出上一迭代步的后腔101空气尺寸，此时谐振频率最大，后腔101尺寸达到最佳设计。
可以理解的是，像素扬声器单元10的后腔101体积不能无限减小，否则会导致像素扬声器单元10刚度过大，驱动电压无法产生足够大的驱动力。即振膜103在设计驱动力下，无法达到最大振幅。
如，以静电力驱动方式驱动的MEMS扬声器MEMS数字扬声器为例，设驱动电压为60V。第一次设计，后腔101的预设高度为400um，预设横截面的面积为220um*220um，通过驱动力和弹性力的关系判断所需的驱动电压为 33V小于设计值。在60V驱动电压下，表明后腔101的预设体积还可以减小；进一步优化迭代结果如图4所示。图4为不同后腔101的预设体积，振膜 103运动过程中驱动力和弹性力说明。其中虚线为对应的像素扬声器总弹性力，小振幅下结构和空气部分弹性力基本为线性；实线为驱动力，这里包含驱动力和后腔101尺寸设计耦合关系，如变横截面积时，举例为非耦合关系。
本公开实施例中的驱动力适用于任何方式，同时驱动电压也满足不同路径设计，图5仅以恒定电压为例。
参照图5，当后腔101体积较大时，如200um高度，此时弹性力全程小于驱动力，振膜103可以被驱动到极限位置。但此时，空气刚度较小，单像素扬声器谐振频率低。无法满足最大声学性能输出。当后腔101减小到 33um，此时运动中间段，驱动力小于弹性力，振膜103从0位置运动到该段，无法被驱动到极限位置。只有当驱动力和弹性力差满足一定范围，此时性能最佳。从图5可以看出，最优的后腔101尺寸在40-50附近。
后腔空气 谐振频率
无限大后腔(裸结构) 79kHz
400um*220um*220um后腔 89kHz
40um*220um*220um后腔 158kHz
表一
通过表一中的数据，可以得知：声压提升
Figure RE-GDA0003425325600000211
声压级提升η＝20log(ζ)＝9.8dB；
由此，可以判断最优的后腔101空气高度为40um-50um。此时谐振频率较后腔101空气高度为400um时的谐振频率提升1倍左右。
再者，参照图6，像素扬声器单元10的后腔101体积优化后，可以减少像素扬声器单元10间的干扰：增大像素扬声器单元10的谐振频率后，像素扬声器的指向性更加显著，像素间的干扰也会减小。
最后，后腔101的预设体积优化后，显著增大了单个像素扬声器的声压响应。
基于以上内容，本公开实施例提供的MEMS数字扬声器设计方法通过对MEMS数字扬声器中每个像素扬声器单元10的后腔101尺寸进行设计。具体的，基于像素扬声器单元10的后腔101的设计体积，确定像素扬声器单元10的弹性力和驱动力。当像素扬声器单元10 的驱动力与像素扬声器单元10的弹性力的差值满足目标条件时，确定设计体积为像素扬声器单元10的后腔101的设计体积。当像素扬声器单元10的驱动力与像素扬声器单元10的弹性力的差值不满足目标条件时，对设计体积进行更新。
由于像素扬声器单元10的设计体积决定后腔101的空气刚度，像素扬声器单元10的空气刚度决定像素扬声器单元10的谐振频率，谐振频率影响像素扬声器单元10的声压效果。因此，像素扬声器单元10的后腔101尺寸影响像素扬声器单元10的声压效果，进而可以通过上述步骤，达到增大像素扬声器单元10的声压的效果。
故，本公开通过对像素扬声器单元10的后腔101尺寸的设计，可以增大像素扬声器单元10的谐振频率，可以使像素扬声器单元10 的指向性更加显著，且可以减小MEMS数字扬声器中各个像素扬声器单元10件的干扰。而且通过增大像素扬声器单元10的谐振频率，还能够提高数字扬声器的时钟频率，从而增大数字声音重构的时间分辨率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种MEMS数字扬声器设计方法，其特征在于，所述MEMS数字扬声器设计方法包括：
设定像素扬声器单元的后腔的预设体积，确定所述像素扬声器单元的弹性力和驱动力；
当所述像素扬声器单元满足目标条件时，确定所述预设体积为所述像素扬声器单元的后腔的设计体积；当所述像素扬声器单元不满足所述目标条件时，对所述预设体积进行更新，直至所述像素扬声器单元满足所述目标条件；
按预设规则排布多个所述像素扬声器单元得到所述MEMS数字扬声器。
2.根据权利要求1所述的MEMS数字扬声器设计方法，其特征在于：
所述目标条件包括所述像素扬声器单元的驱动力与弹性力的差值大于第一数值，且小于或等于第二数值；
其中，所述第一数值小于所述第二数值。
3.根据权利要求2所述的MEMS数字扬声器设计方法，其特征在于：
所述目标条件还包括当所述驱动力与所述弹性力的差值大于第一数值，且小于或等于第二数值时，在额定电压下，所述像素扬声器单元的振膜被驱动至极限位置时，所述像素扬声器的谐振频率达到目标频率。
4.根据权利要求2所述的MEMS数字扬声器设计方法，其特征在于：
所述第一数值根据所述像素扬声器单元的阻尼力确定，所述第二数值与所述第一数值之差小于预设数值。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的MEMS数字扬声器设计方法，其特征在于：
所述当所述像素扬声器单元不满足所述目标条件时，对所述预设体积进行更新的步骤包括：
当所述驱动力与所述弹性力的差值小于或等于第一数值时，增大所述预设体积。
6.根据权利要求5所述的MEMS数字扬声器设计方法，其特征在于：
所述增大所述预设体积的步骤包括：
增大所述像素扬声器单元的预设高度，或增大所述像素扬声器单元的预设横截面。
7.根据权利要求6所述的MEMS数字扬声器设计方法，其特征在于：
当增大所述像素扬声器单元的预设高度时，保持所述像素扬声器单元的预设横截面积，且按照每次增大预设数值的方式，对所述像素扬声器单元的所述预设高度进行分步增大；
当增大所述像素扬声器单元的预设横截面时，保持所述像素扬声器单元的预设高度。
8.根据权利要求1-4中任意一项所述的MEMS数字扬声器设计方法，其特征在于：
所述当所述像素扬声器单元不满足所述目标条件时，对所述预设体积进行更新的步骤包括：
当所述驱动力与所述弹性力的差值大于第二数值时，减小所述预设体积。
9.根据权利要求8所述的MEMS数字扬声器设计方法，其特征在于：
所述减小所述预设体积的步骤包括：
减小所述像素扬声器单元的预设高度，或减小所述像素扬声器单元的预设横截面。
10.根据权利要求9所述的MEMS数字扬声器设计方法，其特征在于：
当减小所述像素扬声器单元的预设高度时，保持所述像素扬声器单元的预设横截面积，且按照每次减小预设数值的方式，对所述像素扬声器单元的所述预设高度进行分步减小；
当减小所述像素扬声器单元的预设横截面时，保持所述像素扬声器单元的预设高度。
CN202111408511.3A 2021-08-26 2021-11-25 Mems数字扬声器设计方法 Active CN113993049B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110989007 2021-08-26
CN2021109890070 2021-08-26

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113993049A true CN113993049A (zh) 2022-01-28
CN113993049B CN113993049B (zh) 2022-05-27

Family

ID=79750420

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111408512.8A Active CN113993050B (zh) 2021-08-26 2021-11-25 Mems扬声器单元、mems数字扬声器及电子终端
CN202111408511.3A Active CN113993049B (zh) 2021-08-26 2021-11-25 Mems数字扬声器设计方法

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111408512.8A Active CN113993050B (zh) 2021-08-26 2021-11-25 Mems扬声器单元、mems数字扬声器及电子终端

Country Status (1)

Country Link
CN (2) CN113993050B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114598969A (zh) * 2022-03-09 2022-06-07 地球山(苏州)微电子科技有限公司 一种数字扬声器音量控制方法、装置、设备及介质

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117714955A (zh) * 2022-09-08 2024-03-15 广州乐仪投资有限公司 Mems扬声器阵列
CN117177166B (zh) * 2023-10-31 2024-02-09 地球山(苏州)微电子科技有限公司 一种数字扬声器及其制造方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040035635A1 (en) * 2002-08-23 2004-02-26 George Nichols Baffle vibration reducing
US20110038494A1 (en) * 2009-08-14 2011-02-17 Graber Curtis E Acoustic transducer array
CN205961428U (zh) * 2016-07-07 2017-02-15 歌尔股份有限公司 双单体扬声器模组及电子设备
CN106937218A (zh) * 2015-12-29 2017-07-07 易音特电子株式会社 具有在共振空间中的空气吸附剂的微型扬声器箱体
CN107197413A (zh) * 2017-05-19 2017-09-22 深圳市金立通信设备有限公司 一种扬声装置、扬声方法及终端
US20180167743A1 (en) * 2015-05-30 2018-06-14 Dai-Ichi Seiko Co., Ltd. Speaker
CN110442907A (zh) * 2019-07-02 2019-11-12 浙江中科电声研发中心 压电式mems扬声器基本特性的数值仿真分析方法
CN113132850A (zh) * 2021-04-28 2021-07-16 Oppo广东移动通信有限公司 扬声器参数配置方法及相关装置

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10170685B2 (en) * 2008-06-30 2019-01-01 The Regents Of The University Of Michigan Piezoelectric MEMS microphone
US8833171B2 (en) * 2012-08-23 2014-09-16 Nxp, B.V. Pressure sensor
US9247366B2 (en) * 2012-09-14 2016-01-26 Robert Bosch Gmbh Microphone test fixture
CN203840541U (zh) * 2013-12-23 2014-09-17 山东共达电声股份有限公司 一种指向性mems传声器及受音装置
CN103686568B (zh) * 2013-12-23 2017-01-18 山东共达电声股份有限公司 一种指向性mems传声器及受音装置
CN111918189A (zh) * 2020-07-10 2020-11-10 瑞声科技（南京）有限公司 Mems扬声器

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040035635A1 (en) * 2002-08-23 2004-02-26 George Nichols Baffle vibration reducing
US20110038494A1 (en) * 2009-08-14 2011-02-17 Graber Curtis E Acoustic transducer array
US20180167743A1 (en) * 2015-05-30 2018-06-14 Dai-Ichi Seiko Co., Ltd. Speaker
CN106937218A (zh) * 2015-12-29 2017-07-07 易音特电子株式会社 具有在共振空间中的空气吸附剂的微型扬声器箱体
CN205961428U (zh) * 2016-07-07 2017-02-15 歌尔股份有限公司 双单体扬声器模组及电子设备
CN107197413A (zh) * 2017-05-19 2017-09-22 深圳市金立通信设备有限公司 一种扬声装置、扬声方法及终端
CN110442907A (zh) * 2019-07-02 2019-11-12 浙江中科电声研发中心 压电式mems扬声器基本特性的数值仿真分析方法
CN113132850A (zh) * 2021-04-28 2021-07-16 Oppo广东移动通信有限公司 扬声器参数配置方法及相关装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114598969A (zh) * 2022-03-09 2022-06-07 地球山(苏州)微电子科技有限公司 一种数字扬声器音量控制方法、装置、设备及介质

Also Published As

Publication number Publication date
CN113993050B (zh) 2022-05-27
CN113993049B (zh) 2022-05-27
CN113993050A (zh) 2022-01-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113993049B (zh) Mems数字扬声器设计方法
KR100777888B1 (ko) 트랜스듀서
CN109756832B (zh) 空气脉冲产生元件及发声装置
KR102033228B1 (ko) 큰 힘과 편향을 구현하기 위한 마이크로기계 압전 액추에이터
KR101520070B1 (ko) 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법
US20140139071A1 (en) Ultrasonic transducer
TWI848234B (zh) Ｍｅｍｓ裝置
US8208674B2 (en) Squeeze-stretch driver for earphone and the like
WO2007083497A1 (ja) 圧電アクチュエータおよび電子機器
EP1762119A1 (en) Piezoelectric inertial transducer
KR101630353B1 (ko) 질량체를 가진 압전 스피커 및 그 제조 방법
US8913767B2 (en) Electro-acoustic transducer, electronic apparatus, electro-acoustic conversion method, and sound wave output method of electronic apparatus
CN114501267B (zh) 像素发声单元及其制造方法、数字发声芯片和电子终端
JP3395672B2 (ja) 圧電型電気音響変換器
JP2023542396A (ja) 骨伝導音響伝達装置
JP2006237792A (ja) 圧電型音響変換装置
US11785391B2 (en) Micrometric loudspeaker
KR101415037B1 (ko) 인클로저를 가지는 압전 스피커 유닛
CN113630703B (zh) Mems扬声器
JP2006100954A (ja) 圧電型音響変換装置およびその製造方法
WO2024051509A1 (zh) 具有可拉伸膜的mems扬声器、其制造方法以及包括其的电子设备
CN115604635A (zh) 大声阻活塞运动式扬声器
CN118200823A (zh) 一种mems扬声器
CN115706905A (zh) 一种压电mems扬声器
CN116887155A (zh) 一种压电mems扬声器及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20230720

Address after: 200000 Building 8, No. 33, Guangshun Road, Changning District, Shanghai

Patentee after: Earth Mountain (Shanghai) Intelligent Technology Co.,Ltd.

Address before: 100102 office A902, 9th floor, No.1 Lize Zhongyi Road, Chaoyang District, Beijing

Patentee before: Earth mountain (Beijing) Technology Co.,Ltd.

TR01 Transfer of patent right