基于多模态激发的ScAlN压电MEMS扬声器宽带性能优化研究

针对传统压电MEMS扬声器单模态共振导致的宽带高声压级(SPL)输出难题，华中科技大学团队提出通过选择性激发高阶共振模态的创新设计策略。研究采用Sc0.2Al0.8N压电材料，通过三角形悬臂梁结构优化与分区电极设计，同时激活4.05kHz一阶和17.83kHz三阶共振，实现全音频范围>90dB SPL输出，在3.2×3.2mm2微型器件上突破100dB@20Vpp性能瓶颈，为高保真微型扬声器商业化提供新思路。

　　

在智能穿戴设备爆炸式发展的今天，TWS耳机、智能眼镜等产品对微型扬声器提出了近乎苛刻的要求：既要体积小如绿豆，又要爆发出堪比音响的澎湃音质。然而传统电磁式扬声器受限于线圈结构，微型化后音质断崖式下跌；而基于锆钛酸铅(PZT)的压电MEMS扬声器虽能突破尺寸限制，却因含铅材料的环境风险与铁电迟滞效应，在欧盟RoHS环保法规下举步维艰。更棘手的是，当前主流方案仅利用一阶共振模态，导致声压输出如同"独木桥"——低频沉闷、高频尖锐，用户仿佛在听"被掐头去尾"的音乐。

这一行业痛点被华中科技大学光学与电子信息学院的研究团队敏锐捕捉。他们另辟蹊径，选择环境友好的掺钪氮化铝(Sc_0.2Al_0.8N)作为压电材料，通过精妙的"声学魔术"——多模态协同激发技术，让微型扬声器首次实现了"高音甜、中音准、低音沉"的Hi-Fi级表现。这项突破性成果发表于传感器领域顶级期刊《Sensors and Actuators A: Physical》，其核心创新在于将四个三角形悬臂梁构成"声学方阵"，通过应力工程与电极分区控制，使4.05kHz的一阶模态与17.83kHz的三阶模态同台"合唱"。

研究团队采用三项关键技术：1）基于SOI晶圆的Mo/ScAlN/Mo多层膜磁控溅射工艺，实现CMOS兼容的压电悬臂梁阵列制造；2）通过激光多普勒测振仪(LDV)精确解析模态振型，指导顶电极划分为应力反相区；3）采用IEC标准人工耳测量系统量化声学性能。这些方法确保了器件在3.2mm见方的微型腔体内，仍能精准控制空气净体积位移。

结构设计
研究揭示，传统封闭振膜因残余应力会导致声学短路。团队创新设计的等腰直角三角悬臂梁，其斜边自由端可释放90%以上残余应力。有限元分析显示，当梁长1.6mm、顶角30°时，一阶模态产生整体弯曲，而三阶模态形成"S"形波节，二者相位差180°的振动可协同推动空气。

制备工艺
在8英寸SOI晶圆上，团队采用刻蚀终止技术控制1μm厚ScAlN层的结晶质量。关键突破在于通过反应离子刻蚀(RIE)形成4μm空气间隙，该尺寸既避免声泄漏又保证模态纯度。SEM显示，三分区电极的引线电阻<2Ω，确保高频信号无损传输。

实验结果
在20V_pp驱动下，器件在65Hz-20kHz范围实现100dB SPL，THD低至0.52%@1kHz。尤为惊艳的是，30V_pp时仍保持线性响应，打破ScAlN器件易出现非线性失真的魔咒。LDV数据证实，三阶模态贡献了高频段15dB的增益提升。

这项研究为压电MEMS扬声器树立了新标杆。其意义不仅在于首次实现ScAlN器件全频段>90dB SPL输出，更开创了"一器多模"的声学设计范式。相比需多个单元拼凑的阵列方案，该设计在1/4面积上实现相当性能，且规避了PZT材料的环保风险。未来通过优化Sc掺杂浓度与模态耦合算法，有望在智能助听器等医疗设备中率先商用，让"针尖上的交响乐"成为现实。