據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，一支由加拿大魁北克大學(xué)希庫蒂米分校（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（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、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，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。對于音頻應(yīng)用來說，低頻和覆蓋所有可聽波長的帶寬是至關(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，單個薄膜的器件面積小于50mm2。然而，它的效率在聲音頻率低于4kHz時明顯下降。

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

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薄膜陣列，其中每個元件產(chǎn)生一系列離散的聲能脈沖。陣列發(fā)射的總能量是每個元件產(chǎn)生的能量的組合。因此，人們可以通過動態(tài)調(diào)整同時發(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，因為它需要更快的采樣率，并且薄膜元件能夠足夠快速地啟動。

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

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)動機(jī)理，在一個浮動電勢體上產(chǎn)生靜電力以使其懸浮。將兩個電極連接到差動電壓（V+ / V-），當(dāng)它們靠近自由薄膜放置時，由于產(chǎn)生的電場，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)而在整個薄膜上產(chǎn)生向上的電場力，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個可能的自由度（DOF）中的5個中起作用：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個所需自由度的必要電極配置。由于所提出的靜電驅(qū)動方法只能產(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。

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

制造工藝

研究人員設(shè)計的懸浮式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)計規(guī)則。

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)動被禁止；3）薄膜開始處于間隙中心（距底部電極1.375μm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約為85db，對應(yīng)于1cm處的聲壓級為65db。

圖4 距離薄膜中心1mm處的聲壓級

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)生的最大聲壓級約為85db，同時能很好地跟蹤輸入的指令信號。需要指出的是，本論文提出的設(shè)計是作為功能概念驗證實現(xiàn)的，尚未對其性能進(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。