《電子技術(shù)應(yīng)用》
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入門:基于靜電懸浮原理的MEMS揚(yáng)聲器的工作原理

2022-09-29
來源:MEMS
關(guān)鍵詞: 揚(yáng)聲器 電極 MEMS

  據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,近期,一支由加拿大魁北克大學(xué)希庫(kù)蒂米分校(Université du Québec à ChicouTImi,, UQAC)和蒙特利爾分校(Université du Québec à Montréal, UQAM)研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在2022 20th IEEE Interregional NEWCAS Conference(NEWCAS)上發(fā)表了題為“A Surface-Micromachined LevitaTIng MEMS Speaker”的最新論文,,據(jù)研究人員所知,本論文首次提出了一種懸浮式MEMS揚(yáng)聲器,該揚(yáng)聲器在1mm處產(chǎn)生的最大聲壓級(jí)(SPL)約為85db,在高保真,、高效率的應(yīng)用領(lǐng)域具有良好的前景。

  在過去的三十年里,,許多宏觀尺度的機(jī)電設(shè)備已經(jīng)成功地被小型化了,就像電子集成電路(IC)從批量制造工藝和規(guī)模經(jīng)濟(jì)中受益,,例如:采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的加速度計(jì),、陀螺儀或壓力傳感器。盡管取得了這些進(jìn)展,,但是無處不在的音頻揚(yáng)聲器仍然相當(dāng)龐大和低效,,正在等待可行的商業(yè)小型化解決方案。

  雖然對(duì)于許多設(shè)備類型來說,,微尺度物理學(xué)有利于提高性能,,但不幸的是,揚(yáng)聲器應(yīng)用并非如此,。由于MEMS器件通常依賴于剛性材料的形變運(yùn)動(dòng),,因此在功率和頻率帶寬之間存在一種權(quán)衡。此外,,在低頻下的工作依賴于非常大的器件尺寸,。對(duì)于音頻應(yīng)用來說,低頻和覆蓋所有可聽波長(zhǎng)的帶寬是至關(guān)重要的要求,,所有這些都不能犧牲輸出功率,,即音量。

  盡管存在這些挑戰(zhàn),,但近年來,,MEMS揚(yáng)聲器因其在便攜式電子產(chǎn)品方面的巨大潛力而引起了廣泛的研究興趣。

  H. Wang等提出了一種使用PZT薄膜制造的壓電MEMS揚(yáng)聲器,,該揚(yáng)聲器能夠在1cm處產(chǎn)生119dB的聲壓級(jí),,單個(gè)薄膜的器件面積小于50mm?。然而,,它的效率在聲音頻率低于4kHz時(shí)明顯下降,。

  M. V. Garud等開發(fā)了靜電驅(qū)動(dòng)微型揚(yáng)聲器,,其換能電極位于薄膜的側(cè)面,以實(shí)現(xiàn)外圍驅(qū)動(dòng),,并擴(kuò)大撓度范圍(增加聲壓級(jí)),,而不存在吸合風(fēng)險(xiǎn)。然而,,由于薄膜在共振時(shí)被激發(fā),,因此頻率響應(yīng)并不平坦,這對(duì)于高保真揚(yáng)聲器來說是至關(guān)重要的,。

  B. Y. Majlis等和I. Shahosseini等分別提出了MEMS揚(yáng)聲器,,它由一個(gè)懸浮振膜支撐的微線圈組成,并被固定在永磁體上方,。雖然該器件在低頻時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,,但由于需要集成一種磁性材料,其制造工藝復(fù)雜且難以規(guī)?;?。

  為了克服小型MEMS揚(yáng)聲器的低頻限制,研究人員已經(jīng)進(jìn)行了一系列嘗試,,例如數(shù)字聲音重建,。在這種方法中,研究人員使用了一個(gè)薄膜陣列,,其中每個(gè)元件產(chǎn)生一系列離散的聲能脈沖,。陣列發(fā)射的總能量是每個(gè)元件產(chǎn)生的能量的組合。因此,,人們可以通過動(dòng)態(tài)調(diào)整同時(shí)發(fā)聲源的數(shù)量來控制產(chǎn)生的聲音的強(qiáng)度和頻率,。利用這種方法,重建更高頻率的聲波可能更具挑戰(zhàn)性,,因?yàn)樗枰斓牟蓸勇?,并且薄膜元件能夠足夠快速地啟?dòng)。

  為完全避免基于形變的MEMS器件的常規(guī)限制,,本論文試圖提出一種基于靜電懸浮原理的MEMS揚(yáng)聲器新架構(gòu),。

  器件概念和工作原理

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  圖1 懸浮式MEMS器件的工作原理

  圖1說明了本論文中使用的驅(qū)動(dòng)機(jī)理,在一個(gè)浮動(dòng)電勢(shì)體上產(chǎn)生靜電力以使其懸浮,。將兩個(gè)電極連接到差動(dòng)電壓(V+ / V-),,當(dāng)它們靠近自由薄膜放置時(shí),由于產(chǎn)生的電場(chǎng),,導(dǎo)致薄膜內(nèi)的電荷重新分布,。負(fù)電荷向V+方向漂移,正電荷向V-方向漂移,進(jìn)而在整個(gè)薄膜上產(chǎn)生向上的電場(chǎng)力,,將其向上拉,。

  為了能夠控制薄膜在空間中的位置,電極需要在6個(gè)可能的自由度(DOF)中的5個(gè)中起作用:x,、y和z的線性位移,,以及圍繞x軸和y軸的旋轉(zhuǎn)。圍繞z軸的旋轉(zhuǎn)(即薄膜旋轉(zhuǎn))對(duì)于離面揚(yáng)聲器應(yīng)用而言不是問題,,因此不需要可操作性,。圖2說明了作用于5個(gè)所需自由度的必要電極配置。由于所提出的靜電驅(qū)動(dòng)方法只能產(chǎn)生單向力,,因此懸浮式MEMS器件的電極配置需要加倍,,以允許其在任何方向和方位上進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

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  圖2 懸浮式MEMS揚(yáng)聲器的示意圖(突出顯示各種驅(qū)動(dòng)電極)

  制造工藝

  研究人員設(shè)計(jì)的懸浮式MEMS揚(yáng)聲器使用MEMSCAP的商業(yè)化PolyMUMPS制造工藝,,這是一種三層多晶硅表面微加工工藝,,可實(shí)現(xiàn)橫向和縱向換能間隙。如圖3所示,,懸浮薄膜是使用Poly1實(shí)現(xiàn)的,,底部電極使用Poly0,橫向電極使用Poly1,,頂部電極使用Poly2。所進(jìn)行的仿真符合該技術(shù)的所有材料和設(shè)計(jì)規(guī)則,。

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  圖3 使用PolyMUMPS工藝制造懸浮式MEMS揚(yáng)聲器的示意圖

  仿真結(jié)果

  研究人員使用COMSOL MulTIphysics進(jìn)行有限元仿真,,同時(shí)考慮固體力學(xué)、靜電學(xué),、壓力聲學(xué)和熱粘性聲學(xué)域的影響,。為了減少仿真負(fù)載,進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化:1)由于薄膜的質(zhì)量非常低,,因此忽略重力,;2)薄膜沿x軸和y軸運(yùn)動(dòng)被禁止;3)薄膜開始處于間隙中心(距底部電極1.375?m高程),。

  通過在空氣中的聲壓域仿真,,他們確定了在距離薄膜中心1mm處接收到的聲壓,如圖4所示,。在1mm處接收到的最大聲壓級(jí)約為85db,,對(duì)應(yīng)于1cm處的聲壓級(jí)為65db。

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  圖4 距離薄膜中心1mm處的聲壓級(jí)

  綜上,,本論文提出了一種基于靜電懸浮原理的MEMS揚(yáng)聲器,。研究人員解釋了所提出的工作原理,并給出了研究的仿真結(jié)果,結(jié)果表明該器件在1mm處能產(chǎn)生的最大聲壓級(jí)約為85db,,同時(shí)能很好地跟蹤輸入的指令信號(hào),。需要指出的是,本論文提出的設(shè)計(jì)是作為功能概念驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)的,,尚未對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化,。因此,提出的新型MEMS揚(yáng)聲器架構(gòu)在高保真,、高效率的應(yīng)用領(lǐng)域具有良好的前景,,即使是低頻率的聲音應(yīng)用。



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