CN117177152A - 一种混频压电mems扬声器及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混频压电MEMS扬声器及设计方法，属于MEMS扬声器领域，包括：振动发声结构，所述振动发声结构包括悬梁臂结构；所述悬梁臂结构包括第一悬梁臂结构和第二悬梁臂结构；所述第一悬梁臂结构包括压电驱动层和支撑层；所述第二悬梁臂结构包括双压电驱动层。本系统在不额外增加工艺难度的前提下，在人耳听觉频阈范围内引入多个谐振工作频率点，整体提升了扬声器的声压输出性能。
Description
技术领域
本发明属于MEMS扬声器领域，尤其涉及一种混频压电MEMS扬声器及设计方法。
背景技术
MEMS全称Micro-Electro-Mechanical Systems，即微机电系统，是指由微加工技术制备，结构在微米甚至纳米量级，集成有微传感器、微执行器、微电子信号处理与控制电路等部件的微型系统。压电MEMS扬声器是基于逆压电效应驱动以及MEMS技术制造的工作在人耳听觉频阈范围内的微型扬声器器件。由于压电MEMS扬声器具有体积小、结构简单、功耗低、驱动力大、价格低廉的突出优点，有望取代传统扬声器成为下一代新型高性能扬声器。
现有技术中，压电MEMS扬声器往往面临在人耳听觉频阈范围内整体声压输出性能和器件体积压缩难以兼顾的技术难题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了如下方案：一种混频压电MEMS扬声器，包括：
振动发声结构，所述振动发声结构包括悬梁臂结构；
所述悬梁臂结构包括第一悬梁臂结构和第二悬梁臂结构；
所述第一悬梁臂结构包括压电驱动层和支撑层；
所述第二悬梁臂结构包括双压电驱动层。
优选地，所述压电驱动层包括依次连接的上电极、压电层和下电极。
优选地，所述双压电驱动层包括依次连接的上电极、压电层、中电极、压电层和下电极。
优选地，所述压电层的材料包括AlN、AlScxN1-x、PZT、PMN、ZnO、LiNbO3、LiTaO3和KNN；电极的材料包括Pt、Mo、Al和Au。
优选地，所述支撑层的材料包括Si、SiN和SiO2。
本发明还提供了一种混频压电MEMS扬声器的设计方法，包括以下步骤：
通过设计具有不同一阶谐振频率的若干个悬臂梁结构引入若干个谐振工作频率点，或者在一个悬臂梁结构中通过激发不同阶次的谐振模态来引入若干个谐振工作频率点，基于所述谐振工作频率点获得混频压电MEMS扬声器。
优选地，所述具有不同一阶谐振频率的若干个悬臂梁结构在运行时，当各悬臂梁工作在各自对应谐振工作频率点两侧时，对悬臂梁对应的驱动信号进行反相处理。
优选地，在一个悬臂梁结构中通过激发不同阶次的谐振模态来引入若干个谐振工作频率点时，根据各谐振模态处悬臂梁上各区域的应力极性及分布情况，设计划分独立电极驱动的区域，其中应力极性相同区域的驱动信号同相，应力极性相反区域的驱动信号反相。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明公开了一种混频压电MEMS扬声器及设计方法，在不额外增加工艺难度的前提下，在人耳听觉频阈范围内引入多个谐振工作频率点，整体提升了扬声器的声压输出性能。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的压电MEMS扬声器采用本发明方法设计实例的俯视、剖面示意图；
图2为本发明实施例的压电MEMS扬声器设计对照组的俯视、剖面示意图；
图3为本发明实施例的B类悬臂梁的电极设置方式图；
图4为本发明实施例的A、B、C三类悬臂梁的尺寸以及在人耳听觉频阈范围内谐振工作频率点及对应谐振模态图；
图5为本发明实施例基于有限元仿真软件，仿真所得的于1Vpp驱动电压下，压电MEMS扬声器设计实例与对照组的声压级频谱图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
一种混频压电MEMS扬声器：扬声器结构在人耳听觉频阈范围内具有多个谐振工作频率点。同时，结合各谐振模态，设计相应的电极布局及驱动策略，提升扬声器在听觉频阈范围内整体的声压输出性能。
所述压电MEMS扬声器，包括：振动发声结构。所述振动发声结构中设置有若干个结构尺寸及外形相同但边界约束条件不同或具有不同结构尺寸及外形的悬臂梁结构，所述悬臂梁结构由压电驱动层(上电极+压电层+下电极)及支撑层组成或由两层压电驱动层(上电极+压电层+中电极+压电层+下电极)组成，所述压电层的材料可采用AlN、AlScxN1-x、PZT、PMN、ZnO、LiNbO3、LiTaO3、KNN等，所述支撑层材料可采用Si、SiN、SiO2等，所述电极层材料可采用Pt、Mo、Al、Au等。
在振动发声结构中，可通过设计具有不同一阶谐振频率的多个悬臂梁结构以及在同一悬臂梁结构中激发出不同阶次的谐振模态等多种组合策略用来在人耳听觉频阈范围内引入多个谐振工作频率点。
针对设计具有不同一阶谐振频率的多个悬臂梁结构来引入多个谐振工作频率点的方法，由于在谐振工作频率点处，悬臂梁所产生的受迫振动位移和驱动信号间会发生180度的相位反转，为保证工作时扬声器中各悬臂梁始终保持同步振动，当各悬臂梁工作在各自对应谐振工作频率点两侧时，其所对应的驱动信号应当进行反相处理。
针对在同一悬臂梁结构中通过激发不同阶次的谐振模态来引入多个谐振工作频率点的方法，需根据各谐振模态处悬臂梁上各区域的应力极性及分布情况，设计划分多个由独立电极驱动的区域，其中应力极性相同区域的驱动信号同相，应力极性相反区域的驱动信号反相，用以有效激发该谐振模态，与多个悬臂梁结构的施加方式不同之处在于，后者在单一悬臂梁上驱动信号保持一致，不同悬臂梁间在特定频段存在驱动信号反相的施加方式。
在相同驱动条件下，当发声结构工作在谐振状态时会产生位移放大效应，进而增加其振动过程中所推动的环境空气体积从而提升输出声压。考虑到单一结构谐振频率仅能在谐振峰附近的较窄频段范围内对声压输出产生增益，通过在整个人耳听觉频阈范围内合理设计多个结构谐振工作频率点，则可整体提升扬声器的声压输出性能。
实施例二
根据图1、图2内容，可以了解到本发明系统的大致结构。其中设计组压电MEMS扬声器借助设计了A、B两种不同悬臂梁结构，同时在B类悬臂梁结构中激发不同谐振模态两种策略，在人耳听觉频阈范围内共引入了2.7kHz、5.1kHz、16.9kHz三个谐振工作频率点。
设计组与对照组压电MEMS扬声器振动发声结构的外形尺寸均为边长为2.6mm的正方形，即有效面积相同。材料选择上，本实例与对照组中的压电MEMS扬声器均选取了ScAlN作为压电层材料，厚度为1μm，支撑层则采用了厚度为3μm的Si材料。
针对B类悬臂梁，为激发其位于16.9kHz处的二阶谐振模态，根据其振型设置了内、中、外三个电极，如图3所示。为激发该振型，需将中电极上施加的电压与内、外两个电极反相。
设计组的三个谐振工作频率点分别对应低、中、高三个频段，如图4所示，各谐振工作频率点对附近频段处声压输出产生增益，整体提高了人耳听觉频阈范围内声压输出性能。通过图5可知，相较于对照组，可以明显看出，设计组结构的声压级几乎在全频段都得到了提升。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种混频压电MEMS扬声器，其特征在于，包括：
振动发声结构，所述振动发声结构包括悬梁臂结构；
所述悬梁臂结构包括第一悬梁臂结构和第二悬梁臂结构；
所述第一悬梁臂结构包括压电驱动层和支撑层；
所述第二悬梁臂结构包括双压电驱动层。
2.根据权利要求1所述的混频压电MEMS扬声器，其特征在于，所述压电驱动层包括依次连接的上电极、压电层和下电极。
3.根据权利要求1所述的混频压电MEMS扬声器，其特征在于，所述双压电驱动层包括依次连接的上电极、压电层、中电极、压电层和下电极。
4.根据权利要求2所述的混频压电MEMS扬声器，其特征在于，所述压电层的材料包括AlN、AlScxN1-x、PZT、PMN、ZnO、LiNbO3、LiTaO3和KNN；电极的材料包括Pt、Mo、Al和Au。
5.根据权利要求1所述的混频压电MEMS扬声器，其特征在于，所述支撑层的材料包括Si、SiN和SiO2。
6.一种混频压电MEMS扬声器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过设计具有不同一阶谐振频率的若干个悬臂梁结构引入若干个谐振工作频率点，或者在一个悬臂梁结构中通过激发不同阶次的谐振模态来引入若干个谐振工作频率点，基于所述谐振工作频率点获得混频压电MEMS扬声器。
7.根据权利要求6所述的混频压电MEMS扬声器的设计方法，其特征在于，
所述具有不同一阶谐振频率的若干个悬臂梁结构在运行时，当各悬臂梁工作在各自对应谐振工作频率点两侧时，对悬臂梁对应的驱动信号进行反相处理。
8.根据权利要求6所述的驱动信号施加方式，其特征在于，在一个悬臂梁结构中通过激发不同阶次的谐振模态来引入若干个谐振工作频率点时，根据各谐振模态处悬臂梁上各区域的应力极性及分布情况，设计划分独立电极驱动的区域，其中应力极性相同区域的驱动信号同相，应力极性相反区域的驱动信号反相。
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