一种MEMS扬声器及其性能提升方法技术

本发明专利技术公开了一种MEMS扬声器及其性能提升方法，通过在周端固支的扬声器上施加直流偏置电压扩大其线性工作区，提高输出声压级，并降低失真率。通过施加直流偏置电压，可以使扬声器弯曲，随着直流偏置电压加大，工作模式由弯曲模式向拉伸模式过渡，可以提高扬声器驱动效率/校正扬声器的线性度，允许扬声器在相同失真率要求下，产生更大的位移与声压级输出。通过调节扬声器直流偏置电压的大小，可以扩大扬声器线性工作区间，从而降低扬声器的总谐波失真，提高输出声压级。提高输出声压级。提高输出声压级。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS扬声器及其性能提升方法


[0001]本专利技术属于MEMS扬声器
，更具体地，涉及一种MEMS扬声器及其性能提升方法。

技术介绍

[0002]扬声器，一种将电信号转换为音频信号的声学器件，广泛应用于耳机、手机扬声器、可穿戴设备、医疗辅助设备、智能家居设备等领域。相比于传统的基于动圈振膜、动铁的电磁式扬声器，MEMS扬声器具有体积小，重量轻，可阵列化以实现拓宽工作频带、声音定向传输等特定功能；另外，MEMS扬声器与CMOS工艺兼容，无需复杂的人工装配步骤，可批量制作，利于控制产品良率并降低成本。
[0003]压电MEMS扬声器利用逆压电效应工作，为了产生高的声压级输出，要求压电多层膜结构产生大的弯曲形变。在大的形变下，器件会产生明显几何非线性效应，对于周端固支的完整膜结构，几何非线性效应尤为明显。该几何非线性效应导致压电MEMS扬声器产生较高的谐波失真，同时限制了器件进一步形变与声压级输出。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种MEMS扬声器及其性能提升方法，通过在MEMS扬声器上施加直流偏置电压，扩大扬声器线性工作区，提高其声压级输出，并降低失真率。
[0005]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种MEMS扬声器，包括周端固支的压电多层膜及衬底结构，还包括驱动单元，所述驱动单元用于对所述压电多层膜中一个或多个电极施加直流偏置电压，以及对所述压电多层膜中一个或多个电极施加交流驱动信号。
[0006]进一步地，施加直流偏置电压的电极覆盖所述压电多层膜中压电层表面的部分区域。
[0007]进一步地，施加交流驱动信号的电极覆盖所述压电多层膜中压电层表面的部分区域或全部区域。
[0008]进一步地，当对所述压电多层膜中多个电极施加交流驱动信号时，各所述交流驱动信号为相同相位的交流驱动信号。
[0009]进一步地，所述压电多层膜包括自下而上的支撑层、下电极层、压电层和上电极层，所述上电极层包括电气隔离的第一上电极和第二上电极；
[0010]所述驱动单元用于对所述第一上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第二上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相反极性的直流偏置电压；
[0011]所述驱动单元还用于对所述第一上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第二上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相同相位的交流驱动信号。
[0012]进一步地，所述压电多层膜包括自下而上的下电极层、下压电层、中间电极层、上压电层和上电极层，所述上电极层包括电气隔离的第一上电极和第二上电极；
[0013]所述驱动单元用于对所述第一上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第二上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相反极性的直流偏置电压；
[0014]所述驱动单元还用于对所述第一上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第二上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相同相位的交流驱动信号。
[0015]进一步地，所述压电多层膜形状为多边形或圆形。
[0016]第二方面，本专利技术提供了一种提升MEMS扬声器性能的方法，所述MEMS扬声器包括周端固支的压电多层膜及衬底结构，所述方法包括：
[0017]对所述压电多层膜中一个或多个电极施加直流偏置电压；
[0018]对所述压电多层膜中一个或多个电极施加交流驱动信号；
[0019]通过调节所述直流偏置电压大小使所述MEMS扬声器的工作模式由弯曲模式转换为拉伸模式。
[0020]进一步地，所述压电多层膜包括自下而上的支撑层、下电极层、压电层和上电极层，所述上电极层包括电气隔离的第一上电极和第二上电极；
[0021]所述方法包括：
[0022]所述下电极层接地；
[0023]对所述第一上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第二上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相反极性的直流偏置电压；
[0024]对所述第一上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第二上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相同相位的交流驱动信号。
[0025]进一步地，所述压电多层膜包括自下而上的下电极层、下压电层、中间电极层、上压电层和上电极层，所述上电极层包括电气隔离的第一上电极和第二上电极；
[0026]所述方法包括：
[0027]所述中间电极层接地；
[0028]所述下电极层悬空；
[0029]对所述第一上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第二上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相反极性的直流偏置电压；
[0030]对所述第一上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第二上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相同相位的交流驱动信号。
[0031]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0032]本专利技术通过直流偏置电压，使MEMS扬声器表面形貌由平面转换为类球面，工作模式由弯曲模式过渡为拉伸模式，获得更大的线性工作区与驱动效率。弯曲模式由于应变零点的限制，MEMS扬声器的电极不能覆盖压电层整个表面，只能部分覆盖来获得最大的驱动效率；相比之下，拉伸模式的驱动电极可以全覆盖，从而获得最大的驱动效率。另外，选择合适的直流偏置电压，可以利用压电层的应力软化效应，提高器件驱动效率。通过直流偏置电压大小和覆盖区域的设置，可以扩大扬声器线性工作区，提高驱动效率，允许扬声器在低失
真率下产生高的声压级输出。
附图说明
[0033]为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
[0034]图1、图2、图3为本专利技术实施例一提供的MEMS扬声器的结构示意图，图1为俯视图，图2为截面图，图3为等轴测视图，其中压电多层膜为四周固支的四边形膜。
[0035]图4、图5、图6为本专利技术实施例二提供的MEMS扬声器的结构示意图，图4为俯视图，图5为截面图，图6为等轴测视图，其中压电多层膜为四周固支的圆形膜。
[0036]图7、图8、图9为本专利技术实施例三提供的MEMS扬声器的结构示意图，图7为俯视图，图8为截面图，图9为等轴测视图，其中压电多层膜为四周固支的圆形膜，包含两层压电层。
[0037]图10为采用有限元方法，仿真得到的本专利技术实施例一提供的四边形MEMS扬声器301的推动空气体积与交流驱动电压关系曲线，其中加直流偏置电压的四边形MEMS扬声器301具有更大的线性工作区与更高的驱动效率。
[0038]图11为采用有限元方法，在人的耳道环境中仿真得到的本专利技术实施例一提供的四边形MEMS扬声器301的声压级频谱响应曲线，其中加直流偏置电压的四边形MEMS扬声器301具有更大声压级输出。
[0039]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MEMS扬声器，包括周端固支的压电多层膜及衬底结构，其特征在于，还包括驱动单元，所述驱动单元用于对所述压电多层膜中一个或多个电极施加直流偏置电压，以及对所述压电多层膜中一个或多个电极施加交流驱动信号。2.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，施加直流偏置电压的电极覆盖所述压电多层膜中压电层表面的部分区域。3.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，施加交流驱动信号的电极覆盖所述压电多层膜中压电层表面的部分区域或全部区域。4.根据权利要求3所述的MEMS扬声器，其特征在于，当对所述压电多层膜中多个电极施加交流驱动信号时，各所述交流驱动信号为相同相位的交流驱动信号。5.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述压电多层膜包括自下而上的支撑层、下电极层、压电层和上电极层，所述上电极层包括电气隔离的第一上电极和第二上电极；所述驱动单元用于对所述第一上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第二上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相反极性的直流偏置电压；所述驱动单元还用于对所述第一上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第二上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相同相位的交流驱动信号。6.根据权利要求1所述的MEMS扬声器，其特征在于，所述压电多层膜包括自下而上的下电极层、下压电层、中间电极层、上压电层和上电极层，所述上电极层包括电气隔离的第一上电极和第二上电极；所述驱动单元用于对所述第一上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第二上电极施加直流偏置电压；或者，对所述第一上电极和第二上电极同时施加相反极性的直流偏置电压；所述驱动单元还用于对所述第一上电极施加交流驱动信号；或者，对所述第二上电极施加交流驱动信号；或者...

【专利技术属性】
技术研发人员：余洪斌，王岩，吕途南，张峻宁，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：