據麥姆斯咨詢報道，近期，一支由加拿大魁北克大學希庫蒂米分校（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，據研究人員所知，本論文首次提出了一種懸浮式MEMS揚聲器，該揚聲器在1mm處產生的最大聲壓級（SPL）約為85db，在高保真、高效率的應用領域具有良好的前景。
在過去的三十年里，許多宏觀尺度的機電設備已經成功地被小型化了，就像電子集成電路（IC）從批量制造工藝和規(guī)模經濟中受益，例如：采用微機電系統(tǒng)（MEMS）技術的加速度計、陀螺儀或壓力傳感器。盡管取得了這些進展，但是無處不在的音頻揚聲器仍然相當龐大和低效，正在等待可行的商業(yè)小型化解決方案。
雖然對于許多設備類型來說，微尺度物理學有利于提高性能，但不幸的是，揚聲器應用并非如此。由于MEMS器件通常依賴于剛性材料的形變運動，因此在功率和頻率帶寬之間存在一種權衡。此外，在低頻下的工作依賴于非常大的器件尺寸。對于音頻應用來說，低頻和覆蓋所有可聽波長的帶寬是至關重要的要求，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揚聲器因其在便攜式電子產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揚聲器，該揚聲器能夠在1cm處產生119dB的聲壓級，單個薄膜的器件面積小于50mm?。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)了靜電驅動微型揚聲器，其換能電極位于薄膜的側面，以實現(xiàn)外圍驅動，并擴大撓度范圍（增加聲壓級），而不存在吸合風險。然而，由于薄膜在共振時被激發(fā)，因此頻率響應并不平坦，這對于高保真揚聲器來說是至關重要的。
B. Y. Majlis等和I. Shahosseini等分別提出了MEMS揚聲器，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，其制造工藝復雜且難以規(guī)模化。
為了克服小型MEMS揚聲器的低頻限制，研究人員已經進行了一系列嘗試，例如數字聲音重建。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生的能量的組合。因此，人們可以通過動態(tài)調整同時發(fā)聲源的數量來控制產生的聲音的強度和頻率。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揚聲器新架構。
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動機理，在一個浮動電勢體上產生靜電力以使其懸浮。將兩個電極連接到差動電壓（V+ / V-），當它們靠近自由薄膜放置時，由于產生的電場，導致薄膜內的電荷重新分布。負電荷向V+方向漂移，正電荷向V-方向漂移，進而在整個薄膜上產生向上的電場力，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。圍繞z軸的旋轉（即薄膜旋轉）對于離面揚聲器應用而言不是問題，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動方法只能產生單向力，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行驅動。
圖2 懸浮式MEMS揚聲器的示意圖（突出顯示各種驅動電極）
制造工藝
研究人員設計的懸浮式MEMS揚聲器使用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。所進行的仿真符合該技術的所有材料和設計規(guī)則。
圖3 使用PolyMUMPS工藝制造懸浮式MEMS揚聲器的示意圖
仿真結果
研究人員使用COMSOL MulTIphysics進行有限元仿真，同時考慮固體力學、靜電學、壓力聲學和熱粘性聲學域的影響。為了減少仿真負載，進行了以下簡化：1）由于薄膜的質量非常低，因此忽略重力；2）薄膜沿x軸和y軸運動被禁止；3）薄膜開始處于間隙中心（距底部電極1.375?m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果，結果表明該器件在1mm處能產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，本論文提出的設計是作為功能概念驗證實現(xiàn)的，尚未對其性能進行優(yōu)化。因此，提出的新型MEMS揚聲器架構在高保真、高效率的應用領域具有良好的前景，即使是低頻率的聲音應用。
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