新闻网讯 8月7日，Microsystems & Nanoengineering在线刊发了光电信息学院余洪斌教授团队在压电MEMS扬声器领域最新研究成果“Capillary effect-based selective sealing strategy for increasing piezoelectric MEMS speaker performance”。

图1 (a) 传统悬臂梁基MEMS扬声器示意图；(b) 现有Parylene-C沉积密封方案；(c) 现有PDMS薄膜覆盖密封方案

基于MEMS技术的新型硅扬声器以其体积小、能耗低、可批量制备等优点，被视为下一代扬声器的发展趋势。为了满足高声压级输出与低失真度的应用需求，现有压电MEMS扬声器多采用悬臂梁设计。该设计通常由多个悬臂梁组成，悬臂梁之间具有狭缝。然而，狭缝形成了扬声器空气泄露的通路，导致其低频段声压级下降。此外，由于加工的不均匀性，不同悬臂梁的尺寸容易产生偏差，其谐振频率难以保持一致。这导致了异步振动现象的产生，进而使得扬声器在谐振频率附近的声压级严重下降。

现有技术通过Parylene-C沉积、PDMS薄膜覆盖等方案解决上述问题。其中，Parylene-C材料沉积于扬声器释放前，这将增加后续工艺的复杂性，并影响器件残余应力的释放，且其较高的杨氏模量将改变扬声器原始性能。PDMS薄膜覆盖方案中，虽然PDMS的杨氏模量较低，对器件性能影响小，并且其密封操作完成于器件释放后，不影响后续工艺，但PDMS薄膜难以在翘曲的悬臂梁上均匀覆盖，且存在损伤结构的风险。此外，密封依赖精确的人工操作，其可靠性和可重复性难以保证。

图2 (a) 提出的基于毛细效应的扬声器密封方案示意图；(b) 密封实验装置及结果

为了避免现有密封方法的诸多弊端，研究团队创新性地提出了基于毛细效应的扬声器密封策略，即利用液体在微通道内的自发毛细流动，使PDMS液体自发地完成对扬声器狭缝的密封，之后完成固化。该方案能够有效地解决空气泄露和异步振动问题，进而改善扬声器低频段与谐振频率附近的声压级输出，同时保持扬声器在其他频段的性能不变。

图3 (a) 低频段声压级测量结果；(b) 谐振频率附近声压级测量结果

IEC耳模拟器中的测试结果表明，在40 Vpp的驱动电压下，密封后的扬声器在20 Hz处的声压级增加了4.9 dB。此外，扬声器谐振频率附近（18 kHz-19 kHz）的声压级获得了约17.5 dB的改善。在100 Hz到16 kHz频段，扬声器在密封前/后具有几乎相同的SPL响应。该密封方法操作简单，损伤风险低，重复性/可靠性高，对器件原始性能影响小，并可适用于其他MEMS声学器件。

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、光谷实验室创新项目和海思光电子的支持。余洪斌教授为通讯作者，博士生王岩为第一作者，我校光电信息学院为论文第一完成单位。

文章链接：

Capillary effect-based selective sealing strategy for increasing piezoelectric MEMS speaker performance

https://doi.org/10.1038/s41378-024-00753-x