一种压电MEMS扬声器及其性能提升方法

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


背景技术：

2.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。
3.然而，现有的压电mems扬声器在中低频段输出声压级较低、声压级频谱曲线不够平坦。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种压电mems扬声器及其性能提升方法，通过特定设计，将多种谐振频率不同的悬臂梁结构混合构成一个压电mems扬声器，可以用于解决现有压电mems扬声器在中低频段输出声压级较低、声压级频谱曲线不够平坦的技术问题。
5.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种压电mems扬声器，包括压电多层膜及衬底，所述压电多层膜包括多个谐振频率不同的悬臂梁。
6.进一步地，各所述悬臂梁在厚度方向上各层材料的参数保持一致。
7.进一步地，所述衬底具有空腔，所述压电多层膜形成在所述衬底上方，各所述悬臂梁均具有固定端和自由端，所述固定端连接所述衬底，所述自由端悬置在所述空腔上方。
8.进一步地，通过改变各所述悬臂梁的固定端与所述衬底的接触面积，使各所述悬臂梁的谐振频率不同。
9.进一步地，通过在各所述悬臂梁的固定端打孔，以改变各所述悬臂梁的固定端与所述衬底的接触面积。
10.进一步地，通过改变各所述悬臂梁的材料参数，使各所述悬臂梁的谐振频率不同。
11.第二方面，本发明提供了一种提升第一方面所述的压电mems扬声器性能的方法，各所述悬臂梁工作在各自对应谐振频率两侧时，对应施加的驱动电压反相。
12.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：
13.(1)相较于传统的压电mems扬声器通常由多个完全相同的悬臂梁结构组合构成，本发明中压电mems扬声器的各悬臂梁结构不必保持一致，可由多种谐振频率不同的悬臂梁结构混合构成。如此，在不额外增加工艺难度的前提下，通过混频可以提高单个压电mems扬声器在设计频段处的声压级，并使人耳听觉阈频段内的声压级频谱曲线相对平坦。
14.(2)本发明各悬臂梁外观尺寸类似、但厚度方向上各层材料参数等均需保持一致，
如此整个压电mems扬声器的制备工艺相同，容易控制，且可以实现紧凑布局。
15.(3)本发明基于所提供的压电mems扬声器提出了一种提升其性能的方法，即各悬臂梁工作在各自对应谐振频率两侧时，对应施加的驱动电压反相。由此即可保证各悬臂梁间始终保持同向运动以获得最大的推动空气体积。
附图说明
16.图1为本发明实施例提供的压电mems扬声器结构示意图之一，其中左侧结构包括四个各不相同的三角悬臂梁，右侧结构包括六个含三种不同结构的三角悬臂梁。
17.图2为本发明实施例提供的压电mems扬声器结构示意图之二，包括四个含两种不同结构的三角悬臂梁。
18.图3为本发明实施例提供的压电mems扬声器结构示意图之三，包括四个相同且固定端完整的三角悬臂梁。系图2中所示实例的声音输出性能对比参照组1。
19.图4为本发明实施例提供的压电mems扬声器结构示意图之四，包括四个相同且固定端均打孔形成三组支撑结构的三角悬臂梁。系图2中所示实例的声音输出性能对比参照组2。
20.图5为图2中所示压电mems扬声器结构驱动电压施加方式示意图。
21.图6为基于comsol multiphysics 5.6仿真软件对图2、图3、图4中所示压电mems扬声器结构在40vpp驱动电压下于人模拟耳道模型中仿真所得的声压级频谱曲线。
具体实施方式
22.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。
23.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。
24.参阅图1，本发明提供了一种压电mems扬声器，可由多个不同种类的悬臂梁结构混合组成，如图1中所示的两种结构分别由四个各不相同的三角悬臂梁、六个含三种不同结构的三角悬臂梁组成。在该设计中采用了三角悬臂梁固定支撑端打孔的设计方法，即三角悬臂梁固定支撑端不再完整，而是通过在固定支撑端打孔，借助两孔之间的结构进行支撑，且每形成一组支撑对应形成两个孔结构。其中，各不同种类的三角悬臂梁间的区别仅存在于固定支撑端的支撑数上，其余如外观尺寸、厚度方向上各层材料参数等均保持一致。
25.可以理解的是，固定支撑端完整的悬臂梁其谐振频率相对而言是最大的。通过对悬臂梁的固定支撑端打孔，可以改变其谐振频率；并且，在孔结构相同的情况下，孔结构越多，固定支撑端的支撑数越多，其谐振频率相对支撑数少的悬臂梁越大。
26.此外，需要说明的是，除了通过打孔实现各悬臂梁的谐振频率不同，还可以通过改变各悬臂梁的材料参数，使各悬臂梁的谐振频率不同。然而，考虑到制作工艺的简便，优选各悬臂梁在厚度方向上各层材料的参数保持一致、并通过打孔实现各悬臂梁的谐振频率不同的方案。
27.参阅图2，该设计由四个含两种不同结构的三角悬臂梁组成。在本实例中同样采用了图1中提到的固定支撑端打孔的设计，其中两个三角悬臂梁采用完整的固定支撑端，另外两个三角悬臂梁采用固定支撑端打孔形成三组支撑的结构。在布局上，采用对称分布，即不同结构的三角悬臂梁相邻放置，相同结构的三角悬臂梁相间放置。
28.进一步地，如图2所示，在外形尺寸上，由这四个悬臂梁构成的外形为正方形的压电mems扬声器对角线长3mm，相邻悬臂梁间狭缝宽度为5μm。打孔结构处，孔直径为50μm，两孔间的支撑部分宽30μm。在材料选择上，本实例中的压电mems扬声器选取了aln做为压电层材料，厚度为1μm，支撑层则采用了厚度为5μm的si材料。
29.压电mems扬声器的声压输出与悬臂梁推动空气体积呈正相关的关系。因此，为了获得更高的声压输出，传统的压电mems扬声器通常采用同相电压驱动，以使各悬臂梁产生同向位移。在本发明中，由于各种不同设计的悬臂梁分别对应的谐振频率不同。而在谐振频率处，悬臂梁位移会产生相位反转的现象。故若各悬臂梁间继续保持同相电压驱动，则可能出现位移反向的情况，而这种情况通常不利于压电mems扬声器获得较好的声音输出性能。因此，各悬臂梁间不宜始终保持同相电压驱动，而是悬臂梁工作在各自对应谐振频率两侧时对应的驱动电压应当反相。即如果某种结构的悬臂梁对应谐振频率为f0，则该悬臂梁工作在大于f0频率处的驱动电压应当与其工作在小于f0频率处的驱动电压保持反相关系。其他各种结构的悬臂梁以各自对应的谐振频率为界限同理驱动，由此即可保证各悬臂梁间始终保持同向运动以获得最大的推动空气体积。图5为图2中所示压电mems扬声器结构驱动电压施加方式示意图，即两种悬臂梁分别工作在高于、低于各自对应谐振频率的频段处时对应的驱动电压反相。在这种电压驱动方式下，通过设计压电mems扬声器各悬臂梁的结构，使其在人耳听觉阈范围内工作时存在多个谐振峰，即可获得相对平坦的声压级频谱曲线。
30.最终基于comsol multiphysics 5.6仿真软件对图2、图3、图4中所示压电mems扬声器结构在40vpp驱动电压下于人模拟耳道模型中进行了仿真，得到了如图6所示的声压级频谱曲线。与两组参考结构相比，本发明通过少量牺牲高频段的声压级，换取了中频段较为可观的声压级输出提升，并使人耳听觉阈频段内的声压级频谱曲线相对平坦，提高了压电mems扬声器的声音输出性能。
31.综上所述，本发明通过特定设计，将多种谐振频率不同的悬臂梁结构混合构成一个压电mems扬声器。在实际应用中，可以根据实际需求，对悬臂梁个数、悬臂梁种类数、各种悬臂梁谐振频率进行设计，以实现更优的声音输出性能。
32.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。