CN115442724A - 一种mems扬声器及其性能提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS扬声器及其性能提升方法，通过在周端固支的扬声器上施加直流偏置电压扩大其线性工作区，提高输出声压级，并降低失真率。通过施加直流偏置电压，可以使扬声器弯曲，随着直流偏置电压加大，工作模式由弯曲模式向拉伸模式过渡，可以提高扬声器驱动效率/校正扬声器的线性度，允许扬声器在相同失真率要求下，产生更大的位移与声压级输出。通过调节扬声器直流偏置电压的大小，可以扩大扬声器线性工作区间，从而降低扬声器的总谐波失真，提高输出声压级。

Description

一种MEMS扬声器及其性能提升方法

技术领域

本发明属于MEMS扬声器技术领域，更具体地，涉及一种MEMS扬声器及其性能提升方法。

背景技术

扬声器，一种将电信号转换为音频信号的声学器件，广泛应用于耳机、手机扬声器、可穿戴设备、医疗辅助设备、智能家居设备等领域。相比于传统的基于动圈振膜、动铁的电磁式扬声器，MEMS扬声器具有体积小，重量轻，可阵列化以实现拓宽工作频带、声音定向传输等特定功能；另外，MEMS扬声器与CMOS工艺兼容，无需复杂的人工装配步骤，可批量制作，利于控制产品良率并降低成本。

压电MEMS扬声器利用逆压电效应工作，为了产生高的声压级输出，要求压电多层膜结构产生大的弯曲形变。在大的形变下，器件会产生明显几何非线性效应，对于周端固支的完整膜结构，几何非线性效应尤为明显。该几何非线性效应导致压电MEMS扬声器产生较高的谐波失真，同时限制了器件进一步形变与声压级输出。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种MEMS扬声器及其性能提升方法，通过在MEMS扬声器上施加直流偏置电压，扩大扬声器线性工作区，提高其声压级输出，并降低失真率。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种MEMS扬声器，包括周端固支的压电多层膜及衬底结构，还包括驱动单元，所述驱动单元用于对所述压电多层膜中一个或多个电极施加直流偏置电压，以及对所述压电多层膜中一个或多个电极施加交流驱动信号。

进一步地，施加直流偏置电压的电极覆盖所述压电多层膜中压电层表面的部分区域。

进一步地，施加交流驱动信号的电极覆盖所述压电多层膜中压电层表面的部分区域或全部区域。

进一步地，当对所述压电多层膜中多个电极施加交流驱动信号时，各所述交流驱动信号为相同相位的交流驱动信号。

进一步地，所述压电多层膜包括自下而上的支撑层、下电极层、压电层和上电极层，所述上电极层包括电气隔离的第一上电极和第二上电极；

所述驱动单元用于对所述第一上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第二上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相反极性的直流偏置电压；

所述驱动单元还用于对所述第一上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第二上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相同相位的交流驱动信号。

进一步地，所述压电多层膜包括自下而上的下电极层、下压电层、中间电极层、上压电层和上电极层，所述上电极层包括电气隔离的第一上电极和第二上电极；

所述驱动单元用于对所述第一上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第二上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相反极性的直流偏置电压；

所述驱动单元还用于对所述第一上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第二上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相同相位的交流驱动信号。

进一步地，所述压电多层膜形状为多边形或圆形。

第二方面，本发明提供了一种提升MEMS扬声器性能的方法，所述MEMS扬声器包括周端固支的压电多层膜及衬底结构，所述方法包括：

对所述压电多层膜中一个或多个电极施加直流偏置电压；

对所述压电多层膜中一个或多个电极施加交流驱动信号；

通过调节所述直流偏置电压大小使所述MEMS扬声器的工作模式由弯曲模式转换为拉伸模式。

进一步地，所述压电多层膜包括自下而上的支撑层、下电极层、压电层和上电极层，所述上电极层包括电气隔离的第一上电极和第二上电极；

所述方法包括：

所述下电极层接地；

对所述第一上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第二上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相反极性的直流偏置电压；

对所述第一上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第二上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相同相位的交流驱动信号。

进一步地，所述压电多层膜包括自下而上的下电极层、下压电层、中间电极层、上压电层和上电极层，所述上电极层包括电气隔离的第一上电极和第二上电极；

所述方法包括：

所述中间电极层接地；

所述下电极层悬空；

对所述第一上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第二上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相反极性的直流偏置电压；

对所述第一上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第二上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相同相位的交流驱动信号。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

本发明通过直流偏置电压，使MEMS扬声器表面形貌由平面转换为类球面，工作模式由弯曲模式过渡为拉伸模式，获得更大的线性工作区与驱动效率。弯曲模式由于应变零点的限制，MEMS扬声器的电极不能覆盖压电层整个表面，只能部分覆盖来获得最大的驱动效率；相比之下，拉伸模式的驱动电极可以全覆盖，从而获得最大的驱动效率。另外，选择合适的直流偏置电压，可以利用压电层的应力软化效应，提高器件驱动效率。通过直流偏置电压大小和覆盖区域的设置，可以扩大扬声器线性工作区，提高驱动效率，允许扬声器在低失真率下产生高的声压级输出。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1、图2、图3为本发明实施例一提供的MEMS扬声器的结构示意图，图1为俯视图，图2为截面图，图3为等轴测视图，其中压电多层膜为四周固支的四边形膜。

图4、图5、图6为本发明实施例二提供的MEMS扬声器的结构示意图，图4为俯视图，图5为截面图，图6为等轴测视图，其中压电多层膜为四周固支的圆形膜。

图7、图8、图9为本发明实施例三提供的MEMS扬声器的结构示意图，图7为俯视图，图8为截面图，图9为等轴测视图，其中压电多层膜为四周固支的圆形膜，包含两层压电层。

图10为采用有限元方法，仿真得到的本发明实施例一提供的四边形MEMS扬声器301的推动空气体积与交流驱动电压关系曲线，其中加直流偏置电压的四边形MEMS扬声器301具有更大的线性工作区与更高的驱动效率。

图11为采用有限元方法，在人的耳道环境中仿真得到的本发明实施例一提供的四边形MEMS扬声器301的声压级频谱响应曲线，其中加直流偏置电压的四边形MEMS扬声器301具有更大声压级输出。

图12为采用有限元方法，在人的耳道环境中仿真得到的本发明实施例一提供的四边形MEMS扬声器301在有无直流偏置电压与施加不同交流驱动电压情况下，扬声器在1kHz处的声压级与总谐波失真。

图13为采用有限元方法，仿真得到的本发明实施例二提供的圆形MEMS扬声器601的推动空气体积与交流驱动电压关系曲线之一，其中加直流偏置电压的圆形MEMS扬声器601具有更大的线性工作区与更高的驱动效率。

图14为采用有限元方法，在人的耳道环境中仿真得到的本发明实施例二提供的圆形MEMS扬声器601的声压级频谱响应曲线，其中加直流偏置电压的圆形MEMS扬声器601具有更大声压级输出。

图15为采用有限元方法，在人的耳道环境中仿真得到的本发明实施例二提供的圆形MEMS扬声器601在有无直流偏置电压与施加不同交流驱动电压情况下，扬声器在1kHz处的声压级与总谐波失真结果之一。其中，加直流偏置电压的圆形MEMS扬声器601在相同交流驱动电压下具有更高的声压级输出与更低的总谐波失真；并且具有更大的线性工作区，允许圆形MEMS扬声器601在总谐波失真<5％的情况下，产生更高的声压级输出。

图16为采用有限元方法，仿真得到的本发明实施例二提供的圆形MEMS扬声器601的推动空气体积与交流驱动电压关系曲线之二，其中加直流偏置电压的圆形MEMS扬声器601具有更大的线性工作区。

图17为采用有限元方法，在人的耳道环境中仿真得到的本发明实施例二提供的圆形MEMS扬声器601在1kHz处的声压级与总谐波失真结果之二。其中加直流偏置电压的圆形MEMS扬声器601具有更低的总谐波失真与更高的声压级输出。

图18为采用有限元方法，仿真得到的本发明实施例三提供的双压电层的圆形MEMS扬声器901的推动空气体积与交流驱动电压关系曲线，其中加直流偏置电压的双压电层的圆形MEMS扬声器901具有更大的线性工作区。

图19为采用有限元方法，在人的耳道环境中仿真得到的本发明实施例三提供的双压电层的圆形MEMS扬声器901在1kHz处的声压级与总谐波失真。其中加直流偏置电压的双压电层的圆形MEMS扬声器901具有更低的总谐波失真与更高的声压级输出。

图20给出了有限元仿真中四边形MEMS扬声器301的结构尺寸参数。

图21给出了有限元仿真中圆形MEMS扬声器601的结构尺寸参数。

图22给出了有限元仿真中双压电层的圆形MEMS扬声器901的结构尺寸参数。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中，对于图1、图2、图3所示的四边形MEMS扬声器301：101-第一上电极；102-第二上电极；201-Si衬底；202-SiO₂衬底；203-Si支撑层；204-下电极；205-压电层；206-第一上电极；207-第二上电极；208-后腔；301-四边形MEMS扬声器。

对于图4、图5、图6所示的圆形MEMS扬声器601：401-第一上电极；402-第二上电极；501-Si衬底；502-SiO₂衬底；503-Si支撑层；504-下电极；505-压电层；506-第一上电极；507-第二上电极；508-后腔；601-圆形MEMS扬声器。

对于图7、图8、图9所示的双压电层的圆形MEMS扬声器901：701-第一上电极；702-第二上电极；801-Si衬底；802-SiO₂衬底；803-第一下电极；804-第二下电极；805-下压电层、806-中间电极；807-上压电层；808-第一上电极；809-第二上电极；810-后腔；901-双压电层的圆形MEMS扬声器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

在本发明中，MEMS扬声器周端固支，不存在自由端，压电多层膜为一个整体，不限定压电多层膜的几何结构，可以为任意多边形结构，比如三角形结构、四边形结构、六边形结构至圆形结构。对于任意几何结构的周端固支圆形膜，当形变过大时，都将受到几何非线性效应的限制，导致大位移振动时失真率较大的问题。

在本发明中，施加直流偏置电压的电极覆盖在压电层表面部分区域，可以通过单个电极或多个电极施加。交流驱动信号可以施加在压电层表面部分区域或全部区域，可以通过单个电极或多个电极施加。在多个电极上施加交流驱动信号时，交流驱动信号为同相信号。交流驱动信号与直流偏置电压信号可以共用电极，也可以独立施加。

实施例一

参阅图1、图2、图3，本发明提供了一种MEMS扬声器的结构示意图，图1为俯视图，图2为截面图，图3为等轴测视图，其中压电多层膜为四周固支的四边形膜。四边形MEMS扬声器301包括依次堆叠的Si衬底201、SiO₂衬底202、Si支撑层203、下电极204、压电层205、第一上电极206和第二上电极207，以及后腔208。其中第一上电极206和第二上电极207之间以狭缝隔开电学连接。

本发明不限定直流偏置电压的施加位置。四边形MEMS扬声器301工作时，下电极204接地。第一上电极206施加带有直流偏置电压的驱动信号，第二上电极207悬空；也可以第二上电极207施加带有直流偏置电压的驱动信号，第一上电极206悬空；或者第一上电极206与第二上电极207施加相反极性的直流偏置电压。

图10至图12为第一上电极206施加带有直流偏置电压的驱动信号，第二上电极207悬空的情形。

实施例二

参阅图4、图5、图6，本发明提供了一种MEMS扬声器的结构示意图，图4为俯视图，图5为截面图，图6为等轴测视图，其中压电多层膜为四周固支的圆形膜。圆形MEMS扬声器601包括依次堆叠的Si衬底501、SiO₂衬底502、Si支撑层503、下电极504、压电层505、第一上电极506和第二上电极507，以及后腔508。其中第一上电极506和第二上电极507之间以狭缝隔开电学连接。

对于圆形MEMS扬声器601，同样不需要限定直流偏置电压的施加位置。

图13至图15为第一上电极506施加带有直流偏置电压的驱动信号，第二上电极507悬空的情形。

图16和图17为第一上电极506施加直流偏置电压，第一上电极506和第二上电极507施加同相位的交流驱动信号的情形。

调节直流偏置电压大小，可使压电多层膜弯曲，扬声器工作在拉伸模式，在所述工作点，扬声器受非线性效应的影响较弱，从而导致扬声器线性区变大，同时驱动效率提高。具体直流偏置电压调节为多少，可以借助电子显微镜进行观察分析。

实施例三

参阅图7、图8、图9，本发明提供了一种MEMS扬声器的结构示意图，图7为俯视图，图8为截面图，图9为等轴测视图，其中压电多层膜为四周固支的圆形膜，包含两层压电层。双压电层的圆形MEMS扬声器901包括依次堆叠的Si衬底801、SiO₂衬底802、第一下电极803、第二下电极804、下压电层805、中间电极806、上压电层807、第一上电极808和第二上电极809，以及后腔810。其中第一下电极803和第二下电极804之间以狭缝隔开电学连接，第一上电极808和第二上电极809之间以狭缝隔开电学连接。

对于双压电层的圆形MEMS扬声器901，同样不需要限定直流偏置电压的施加位置。

例如，双压电层的圆形MEMS扬声器901工作时，第一下电极803、第二下电极804和中间电极806接地，第一上电极808施加直流偏置电压，第一上电极808和第二上电极809施加同相位的交流驱动信号。调节直流偏置电压大小，可使扬声器工作模式由弯曲模式转换为拉伸模式，在所述工作模式，扬声器具有更大的线性工作区，允许扬声器在相同失真率要求下，产生更大的声压级输出。仿真结果如图18和图19所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MEMS扬声器，包括周端固支的压电多层膜及衬底结构，其特征在于，还包括驱动单元，所述驱动单元用于对所述压电多层膜中一个或多个电极施加直流偏置电压，以及对所述压电多层膜中一个或多个电极施加交流驱动信号。

2.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，施加直流偏置电压的电极覆盖所述压电多层膜中压电层表面的部分区域。

3.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，施加交流驱动信号的电极覆盖所述压电多层膜中压电层表面的部分区域或全部区域。

4.根据权利要求3所述的MEMS扬声器，其特征在于，当对所述压电多层膜中多个电极施加交流驱动信号时，各所述交流驱动信号为相同相位的交流驱动信号。

5.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述压电多层膜包括自下而上的支撑层、下电极层、压电层和上电极层，所述上电极层包括电气隔离的第一上电极和第二上电极；

所述驱动单元用于对所述第一上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第二上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相反极性的直流偏置电压；

所述驱动单元还用于对所述第一上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第二上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相同相位的交流驱动信号。

6.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述压电多层膜包括自下而上的下电极层、下压电层、中间电极层、上压电层和上电极层，所述上电极层包括电气隔离的第一上电极和第二上电极；

所述驱动单元用于对所述第一上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第二上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相反极性的直流偏置电压；

所述驱动单元还用于对所述第一上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第二上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相同相位的交流驱动信号。

7.根据权利要求1至6任一项所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述压电多层膜形状为多边形或圆形。

8.一种提升MEMS扬声器性能的方法，所述MEMS扬声器包括周端固支的压电多层膜及衬底结构，其特征在于，所述方法包括：

对所述压电多层膜中一个或多个电极施加直流偏置电压；

对所述压电多层膜中一个或多个电极施加交流驱动信号；

通过调节所述直流偏置电压大小使所述MEMS扬声器的工作模式由弯曲模式转换为拉伸模式。

9.根据权利要求8所述的提升MEMS扬声器性能的方法，其特征在于，所述压电多层膜包括自下而上的支撑层、下电极层、压电层和上电极层，所述上电极层包括电气隔离的第一上电极和第二上电极；

所述方法包括：

所述下电极层接地；

对所述第一上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第二上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相反极性的直流偏置电压；

对所述第一上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第二上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相同相位的交流驱动信号。

10.根据权利要求8所述的提升MEMS扬声器性能的方法，其特征在于，所述压电多层膜包括自下而上的下电极层、下压电层、中间电极层、上压电层和上电极层，所述上电极层包括电气隔离的第一上电极和第二上电极；

所述方法包括：

所述中间电极层接地；

所述下电极层悬空；

对所述第一上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第二上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相反极性的直流偏置电压；

对所述第一上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第二上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相同相位的交流驱动信号。

Images