高線性MEMS微型揚聲器無疑是當前MEMS領域的研究熱點之一。真無線立體聲（TWS）耳機帶來的卓越互聯(lián)網(wǎng)連接體驗推動了MEMS微型揚聲器的開發(fā)。隨著MEMS微型揚聲器能夠以更低的電流消耗提供高聲壓水平，創(chuàng)新且經(jīng)濟高效的聲學解決方案（即使對于助聽器應用）將變得觸手可及。

已有文獻報道了很多令人印象深刻的MEMS微型揚聲器。它們分別基于不同的換能機制、材料和制造工藝。目前，MEMS微型揚聲器的工作原理主要包括壓電式、電動式、靜電式和熱聲式換能機制。

比較這些MEMS微型揚聲器的一種方法是其幾何尺寸——根據(jù)特定聲學設置中獲得的聲壓級。對于尺寸在亞厘米范圍內(nèi)的微型揚聲器，建議采用接近耳道的封閉腔（1.26?立方厘米，根據(jù)IEC 60318-4標準）作為聲學設置。具體而言，諧波失真在特定聲壓下應盡可能低。此外，器件的電容負載是估計所報道方案相對功耗的一種重要方式。超過幾個納法拉的電容會產(chǎn)生無功峰值電流，這對于現(xiàn)代TWS耳機常用的電池來說是無法承受的。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，德國弗勞恩霍夫光子微系統(tǒng)IPMS研究所的研究人員在近期發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering的一篇論文中介紹了針對MEMS微型揚聲器的幾項研究成果，其中一些實現(xiàn)了基于推挽式（push-pull）概念的設計。由于采用了靜態(tài)電極，這些方法被認為尺寸很大和/或需要相當高的驅動電壓。靜電推挽式執(zhí)行器的概念提供了強大的優(yōu)勢。尤其是在電壓偏轉關系方面可實現(xiàn)的高線性度是此類執(zhí)行器的主要特質。然而，由于電極的布置及其各自相對彼此的相對運動，靜電推挽式執(zhí)行器設計的實現(xiàn)仍然具有挑戰(zhàn)性。同樣，這會影響它們的電壓偏轉關系以及實現(xiàn)它們的器件設計。到目前為止，靜電執(zhí)行器的普遍缺點是需要在相當高的電壓下運行。這尤其適用于推挽式設計的靜電執(zhí)行器，對于微型揚聲器，還需要實現(xiàn)低諧波失真。最終，高電壓要求和經(jīng)典的定子梭式電極配置以及吸合現(xiàn)象（奇點）造成的限制有關。

奇點吸引了許多研究人員的興趣。對于靜電驅動MEMS微型揚聲器，這種關鍵行為會在高聲壓級下工作的微型化、高保真音頻再現(xiàn)系統(tǒng)中遇到。典型MEMS微型揚聲器設計采用彈性力來平衡靜電力。這兩種力在本質上截然不同。當輸入信號產(chǎn)生足夠強的靜電力以消除相關的有效剛度時，這種不對稱會產(chǎn)生一個奇點，稱為吸合。對于最先進的微型揚聲器設計，便攜式應用對高品質音頻再現(xiàn)的需求，意味著需要在接近吸合時運行。只有接近吸合時換能器的靈敏度才足夠高，以在低信號電壓下產(chǎn)生高聲壓級，從而適用于便攜式設備。此外，只有當微型揚聲器以低信號幅度驅動時，總諧波失真（THD）才可以低到可接受的程度。

在實際應用中，并不希望在接近吸合位置操作靜電換能器。除非采取特殊的保護措施，否則這種工作方式很容易發(fā)生由微小機械沖擊造成的災難性故障。

因此，問題在于如何設計一種靜電式MEMS換能器，適合于具有低諧波失真且不需要在吸合奇點附近操作的寬頻率范圍運行。這個問題的經(jīng)典答案是使用推挽式設計，在兩個定子電極之間放置一個梭形電極。然而，由于所需的定子距離較大，這種推挽式設計利用MEMS實現(xiàn)，也需要在高電壓下工作，這對于便攜式應用尤其是入耳式應用來說是不切實際的。在之前的論文中，研究人員報道了一種解決大電壓問題的不對稱設計。

研究人員首次展示了定子梭式配置實際上可以通過將所有三個電極集成到靜電彎曲執(zhí)行器的運動部件中所取代。這意味著電極間距可以保持緊密，實現(xiàn)適合小型便攜式設備的電壓，同時在不犧牲最大聲壓級的情況下，大幅改善音頻再現(xiàn)的線性度。在這項工作中，研究人員描述了一種基于MEMS技術的靜電執(zhí)行器概念。首先，研究人員介紹了換能器的設計，然后，介紹了彎曲執(zhí)行器的原理、理論概述和制造工藝。作為概念驗證，研究人員展示了一款MEMS微型揚聲器，展示了低THD和低電壓要求，同時保持足夠的SPL。

采用推挽彎曲執(zhí)行器的MEMS微型揚聲器，俯視示意圖和3D視圖

這項研究中制造的MEMS微型揚聲器，a）展示執(zhí)行器的器件層俯視圖；b）具有幾何尺寸的推挽式執(zhí)行器俯視圖和局部放大視圖

MEMS微型揚聲器制造工藝流程

這項工作研究的MEMS微型揚聲器具有誘人的性能。其靜電執(zhí)行原理不會遇到壓電遲滯或固有功率耗散機制，從而實現(xiàn)THD?

這種靜電式微型揚聲器也有望在功耗和峰值電流消耗方面取得重大進展。先進入耳式設備的電池很小（通常為60? mAh）。大部分電池預算都需要留給語音識別和無線連接等智能功能。這限制了音頻再現(xiàn)系統(tǒng)的可用功率。

MEMS微型揚聲器必須超越這些限制，才能與經(jīng)典電動或平衡電樞揚聲器競爭。其換能器消耗電能的相關關鍵參數(shù)是電容。其電容決定了無功峰值電流和無功功率，必須由不可避免的功率耗散驅動電路處理。該研究提出的微型揚聲器的總電容小于1?nF。

相比之下，目前幾家商業(yè)化MEMS微型揚聲器廠商公開的電容值超過了20?nF甚至150?nF。相對較低的信號電壓和執(zhí)行器電容的有益組合，使該研究所提出的MEMS微型揚聲器可以通過連接小型鋰聚合物電池或鋅空氣電池的集成電荷泵來驅動。

審核編輯：郭婷