通过双共振形状调节振膜设计，提高MEMS压电扬声器的声学带宽和声压级平坦度

《Sensors and Actuators A: Physical》：Enhanced Acoustic Bandwidth and Sound Pressure Level Flatness in MEMS Piezoelectric Speakers via Dual-Resonance Shape-Tuned Diaphragm Design

MEMS压电扬声器采用双组三角形悬臂梁结构，通过几何参数调谐实现多阶共振，扩展带宽至6-20kHz并提升声压级至100dB，理论模型与有限元模拟吻合良好，验证了结构优化对性能的显著改善。

　　
MEMS压电扬声器技术突破与多模态共振设计研究

在微型化音频设备快速发展的背景下，压电型MEMS扬声器作为新型声学组件，逐渐取代传统电磁扬声器，广泛应用于无线耳机、可穿戴设备和智能终端等领域。该研究通过创新性结构设计突破了传统单模态共振的限制，实现了高频带宽扩展与声压级提升的双重突破，为微型声学器件发展提供了重要技术路径。

传统MEMS扬声器受限于单一共振频率，导致带宽覆盖不足（通常<5 kHz），难以满足人耳20-20 kHz的听觉需求。特别是中高频段（>5 kHz）的声压输出衰减明显，制约了其在超声波探测等领域的应用。该研究通过双模态共振结构设计，构建了低频（6-10 kHz）和高频（10-20 kHz）共振单元的协同工作体系，成功将有效带宽扩展至14 kHz以上，同时保持100 dB以上的声压级输出。

结构创新方面，研究团队开发了两种差异化三角悬臂梁结构。基础型悬臂梁采用标准几何参数设计，通过理论建模与有限元仿真验证，其第一阶共振频率稳定在10.132 kHz。改进型悬臂梁通过调整梁的几何形态（包括厚度、宽度比例和固定端曲率），成功将共振频率提升至14.434 kHz。这种双模态共振架构突破了传统单振型设计的带宽瓶颈，通过多阶共振叠加实现了连续频率响应覆盖。

在材料选择与极化调控方面，研究采用PZT压电薄膜构建声学振膜。通过系统研究不同极化方向（d31轴取向）对压电响应的影响，发现纵向极化可使机电耦合系数提升23%，显著增强声波辐射效率。实验表明，15V偏置电压配合1Vrms交流激励时，系统实现了低失真（0.73%）与高声压输出（100 dB）的协同优化。

制造工艺方面，研究采用SOI晶圆制备技术，通过磁控溅射逐层沉积形成电极-压电层-支撑层复合结构。关键创新在于湿法刻蚀与干法刻蚀的协同使用，既保证了电极层的薄膜精度（误差<5 nm），又实现了悬臂梁结构的高效制备。该工艺兼容CMOS集成流程，为规模化生产奠定了基础。

性能测试数据显示，该扬声器在6-20 kHz频段内SPL值稳定在98-100 dB，较传统单模态结构提升4-6 dB。特别是在10-15 kHz过渡带，通过双振型能量叠加，使声压波动幅度控制在±2 dB以内。谐波失真测试表明，在1 kHz工作点时THD值仅为0.73%，优于现有商业化MEMS扬声器产品30%以上。

该研究在理论建模方面提出了几何参数与共振频率的映射关系。通过建立悬臂梁刚度与质量分布的量化模型，揭示了梁端曲率半径、厚度梯度变化对共振频率的调控机制。仿真结果与实验数据高度吻合（误差<3%），验证了理论模型的可靠性。这种参数化设计方法为后续结构优化提供了可量化的调整依据。

在应用场景拓展方面，研究团队通过结构创新实现了多频段声学响应。低频单元（<10 kHz）采用较厚（200 nm）PZT层设计，配合大曲率半径（300 μm）的梁端结构，有效降低刚体振动模态；高频单元（>10 kHz）则采用梯度厚度（50-200 nm渐变）与窄梁宽（50 μm）设计，提升振动模态的离散度。这种结构设计使单元在有限尺寸（1.4×1.7 mm2）内实现了多阶共振频率的精准控制。

测试结果显示，在1 Vrms激励电压下，系统在6 kHz处仍保持95 dB以上声压输出，20 kHz时SPL值稳定在97 dB，较传统结构分别提升12 dB和8 dB。通过优化悬臂梁的振动模态耦合关系，研究团队成功将总谐波失真控制在0.73%以下，特别是在1 kHz工作点，失真水平达到现有最先进电磁扬声器的1/3。

该成果在微机电系统声学器件领域具有重要突破意义。首先，双模态共振结构设计突破了传统单振型带宽限制，通过多阶共振叠加使有效带宽提升至14 kHz，接近电磁扬声器水平。其次，提出的几何参数优化模型为定制化带宽设计提供了理论支撑，开发者可根据具体应用需求调整梁结构参数，实现6-30 kHz的灵活带宽配置。

在产业化应用方面，研究团队开发的制造工艺具有显著优势。采用SOI晶圆基底，通过磁控溅射实现多层薄膜的精确沉积（厚度控制精度±2 nm），结合干湿法刻蚀工艺，成功在1.7 mm2面积内集成四组悬臂梁结构。该工艺兼容标准CMOS流程，生产成本较传统工艺降低40%，为大规模量产奠定了基础。

研究还系统考察了PZT极化方向对性能的影响。实验表明，沿d31轴极化可使压电应变系数提升18%，同时将边缘应力集中系数降低至0.25。这种极化处理技术不仅提高了声波辐射效率，还显著改善了器件长期工作的可靠性，在200小时耐久性测试中未出现性能衰减。

当前研究仍存在部分待优化空间。首先，在10-15 kHz频段，双模态共振能量叠加效应导致局部SPL达到102 dB，但存在0.5 dB的波动，这可能与梁结构模态耦合度有关。其次，在20 kHz高频段，SPL值下降至93 dB，这主要受限于PZT薄膜的声学质量因子（Q值）随频率升高而降低的特性。未来研究可考虑引入声学质量阻尼层或采用多频段激励策略改善高频响应。

该技术突破对微型声学器件发展具有里程碑意义。在可穿戴设备领域，该扬声器体积较传统电磁扬声器缩小60%，功耗降低至0.5 mW，特别适用于医疗监护设备中的生物信号采集。在智能硬件领域，其宽频特性可支持多语种语音识别系统，同时低失真特性满足高保真音频设备需求。据市场调研机构预测，采用此类技术的微型扬声器在2025年市场规模将突破50亿美元，年复合增长率达28%。

研究团队在作者贡献方面体现了专业分工：黄 Xiaoming 主导系统设计与性能测试，负责论文撰写与修改；丁 Jiaqi 开发了有限元仿真模型；许 Qinwen 负责数据分析和实验验证；刘 Yan 参与概念设计；蔡 Yao 管理项目资源；归 Shishang 提供技术指导与资金支持；孙 Chengliang 协助实验设备维护；魏 Min 开发了自动化测试平台；屈 Yuanhang 参与材料采购。这种多学科协作模式有效整合了机械、材料、电子等多领域专家资源，确保了研究的技术深度与产业化可行性。

该成果已获得多项国际专利授权（专利号：CN2023XXXXXX.X），并与某知名消费电子企业达成技术合作。产业化路线规划显示，未来三年将实现年产200万片的生产能力，目标成本控制在8美元/个。随着5G通信技术的发展，该扬声器在超声波定位、生物阻抗测量等新兴领域的应用潜力正在被逐步挖掘。

从技术发展角度看，该研究标志着MEMS声学器件进入多模态共振设计新阶段。传统单振型设计受限于物理谐振频率的单一性，而多模态共振结构通过能量叠加机制实现了带宽扩展。未来研究可探索三模态共振结构设计，进一步拓宽工作频段。在材料科学方面，开发具有频率可调特性的新型PZT基材料，可能实现免加工定制化生产。

综上所述，该研究通过结构创新、材料优化和工艺改进，在有限尺寸内实现了宽频带、高声压、低失真的突破性性能。其提出的双模态共振架构设计理念，为微型声学器件的后续发展指明了重要方向，特别是在可穿戴设备、AR/VR系统和物联网终端等领域具有广阔应用前景。