高線性MEMS微型揚(yáng)聲器無疑是當(dāng)前MEMS領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。真無線立體聲（TWS）耳機(jī)帶來的卓越互聯(lián)網(wǎng)連接體驗(yàn)推動(dòng)了MEMS微型揚(yáng)聲器的開發(fā)。隨著MEMS微型揚(yáng)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(jì)高效的聲學(xué)解決方案（即使對(duì)于助聽器應(yīng)用）將變得觸手可及。

已有文獻(xiàn)報(bào)道了很多令人印象深刻的MEMS微型揚(yáng)聲器。它們分別基于不同的換能機(jī)制、材料和制造工藝。目前，MEMS微型揚(yáng)聲器的工作原理主要包括壓電式、電動(dòng)式、靜電式和熱聲式換能機(jī)制。

比較這些MEMS微型揚(yáng)聲器的一種方法是其幾何尺寸——根據(jù)特定聲學(xué)設(shè)置中獲得的聲壓級(jí)。對(duì)于尺寸在亞厘米范圍內(nèi)的微型揚(yáng)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(biāo)準(zhǔn)）作為聲學(xué)設(shè)置。具體而言，諧波失真在特定聲壓下應(yīng)盡可能低。此外，器件的電容負(fù)載是估計(jì)所報(bào)道方案相對(duì)功耗的一種重要方式。超過幾個(gè)納法拉的電容會(huì)產(chǎn)生無功峰值電流，這對(duì)于現(xiàn)代TWS耳機(jī)常用的電池來說是無法承受的。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，德國(guó)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(duì)MEMS微型揚(yáng)聲器的幾項(xiàng)研究成果，其中一些實(shí)現(xiàn)了基于推挽式（push-pull）概念的設(shè)計(jì)。由于采用了靜態(tài)電極，這些方法被認(rèn)為尺寸很大和/或需要相當(dāng)高的驅(qū)動(dòng)電壓。靜電推挽式執(zhí)行器的概念提供了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。尤其是在電壓偏轉(zhuǎn)關(guān)系方面可實(shí)現(xiàn)的高線性度是此類執(zhí)行器的主要特質(zhì)。然而，由于電極的布置及其各自相對(duì)彼此的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，靜電推挽式執(zhí)行器設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)仍然具有挑戰(zhàn)性。同樣，這會(huì)影響它們的電壓偏轉(zhuǎn)關(guān)系以及實(shí)現(xiàn)它們的器件設(shè)計(jì)。到目前為止，靜電執(zhí)行器的普遍缺點(diǎn)是需要在相當(dāng)高的電壓下運(yùn)行。這尤其適用于推挽式設(shè)計(jì)的靜電執(zhí)行器，對(duì)于微型揚(yáng)聲器，還需要實(shí)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(diǎn)）造成的限制有關(guān)。

奇點(diǎn)吸引了許多研究人員的興趣。對(duì)于靜電驅(qū)動(dòng)MEMS微型揚(yáng)聲器，這種關(guān)鍵行為會(huì)在高聲壓級(jí)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(yáng)聲器設(shè)計(jì)采用彈性力來平衡靜電力。這兩種力在本質(zhì)上截然不同。當(dāng)輸入信號(hào)產(chǎn)生足夠強(qiáng)的靜電力以消除相關(guān)的有效剛度時(shí)，這種不對(duì)稱會(huì)產(chǎn)生一個(gè)奇點(diǎn)，稱為吸合。對(duì)于最先進(jìn)的微型揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)，便攜式應(yīng)用對(duì)高品質(zhì)音頻再現(xiàn)的需求，意味著需要在接近吸合時(shí)運(yùn)行。只有接近吸合時(shí)換能器的靈敏度才足夠高，以在低信號(hào)電壓下產(chǎn)生高聲壓級(jí)，從而適用于便攜式設(shè)備。此外，只有當(dāng)微型揚(yáng)聲器以低信號(hào)幅度驅(qū)動(dòng)時(shí)，總諧波失真（THD）才可以低到可接受的程度。

在實(shí)際應(yīng)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(hù)措施，否則這種工作方式很容易發(fā)生由微小機(jī)械沖擊造成的災(zāi)難性故障。

因此，問題在于如何設(shè)計(jì)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(diǎn)附近操作的寬頻率范圍運(yùn)行。這個(gè)問題的經(jīng)典答案是使用推挽式設(shè)計(jì)，在兩個(gè)定子電極之間放置一個(gè)梭形電極。然而，由于所需的定子距離較大，這種推挽式設(shè)計(jì)利用MEMS實(shí)現(xiàn)，也需要在高電壓下工作，這對(duì)于便攜式應(yīng)用尤其是入耳式應(yīng)用來說是不切實(shí)際的。在之前的論文中，研究人員報(bào)道了一種解決大電壓?jiǎn)栴}的不對(duì)稱設(shè)計(jì)。

研究人員首次展示了定子梭式配置實(shí)際上可以通過將所有三個(gè)電極集成到靜電彎曲執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)部件中所取代。這意味著電極間距可以保持緊密，實(shí)現(xiàn)適合小型便攜式設(shè)備的電壓，同時(shí)在不犧牲最大聲壓級(jí)的情況下，大幅改善音頻再現(xiàn)的線性度。在這項(xiàng)工作中，研究人員描述了一種基于MEMS技術(shù)的靜電執(zhí)行器概念。首先，研究人員介紹了換能器的設(shè)計(jì)，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(yàn)證，研究人員展示了一款MEMS微型揚(yáng)聲器，展示了低THD和低電壓要求，同時(shí)保持足夠的SPL。

采用推挽彎曲執(zhí)行器的MEMS微型揚(yáng)聲器，俯視示意圖和3D視圖

這項(xiàng)研究中制造的MEMS微型揚(yáng)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(yáng)聲器制造工藝流程

這項(xiàng)工作研究的MEMS微型揚(yáng)聲器具有誘人的性能。其靜電執(zhí)行原理不會(huì)遇到壓電遲滯或固有功率耗散機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)THD?

這種靜電式微型揚(yáng)聲器也有望在功耗和峰值電流消耗方面取得重大進(jìn)展。先進(jìn)入耳式設(shè)備的電池很?。ㄍǔ?0? mAh）。大部分電池預(yù)算都需要留給語音識(shí)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(yáng)聲器必須超越這些限制，才能與經(jīng)典電動(dòng)或平衡電樞揚(yáng)聲器競(jìng)爭(zhēng)。其換能器消耗電能的相關(guān)關(guān)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(qū)動(dòng)電路處理。該研究提出的微型揚(yáng)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(yáng)聲器廠商公開的電容值超過了20?nF甚至150?nF。相對(duì)較低的信號(hào)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(yáng)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(qū)動(dòng)。

審核編輯：郭婷