压电MEMS入耳式耳机的设计与电声分析
第二届AES国际耳机技术大会刚于2019年8月29日在美国加利福尼亚州旧金山结束。
会议中有发表一篇论文“Design and electroacoustic analysis of a piezoelectric MEMS in-ear headphone”（压电MEMS入耳式耳机的设计与电声分析）。作者是来自德国的Andreas Männchen等人。
文中深入探讨了带有压电MEMS扬声器的入耳式耳机演示样品。演示样品包括，MEMS扬声器，耳机外壳，信号处理和应用特定的功放。研究的主要焦点在于MEMS耳机的详尽电声分析，包括电阻抗测量，各种声学测量以及压电MEMS驱动器的热行为研究。结果表明该技术在入耳式应用中具有很高的潜力，并认为在未来的改进中可以提供更好的声学性能。
压电MEMS扬声器样品简图
4片三角形的悬臂压电薄片，组成一个4mm*4mm的正方形。每片压电片由15um厚的多晶硅和2um的PZT（压电锆钛酸铅）组成。
压电片之间留9um间隙，以便机械解耦，并提供尽可能大的驱动位移。间隙非常窄，考虑空气的热粘性，空气泄露很小，可以忽略。所以虽然压电片之间有间隙，但可以当成一个整体。这样机电效率可以提升，并且不需要额外的柔性膜片。
压电MEMS入耳式耳机样品简图
前后腔设计和DSP调试和常规耳机是一样。
不过功放需要特殊定制。因为需要至少等于音频信号交流电压幅度的正向直流偏置电压，并且放大器必须能够稳定地驱动相对高的容性负载。
演示样品实物图片
阻抗幅值和相位曲线，激励电压1V直流偏置/ 0.2V交流
阻抗呈现容性。幅值斜率约-6dB/oct。从77kΩ@20Hz到84Ω@20kHz。相位基本保持-90°，除了9.3kHz出现一个谐振。电容约等于99nF。
声压级频响曲线测试结果，包含和不包含DSP。
频率响应测试的耳模拟器是根据IEC 60318-4采用GRAS RA0401。因为低频阻抗非常大，所以虽然激励电压需要较高10V，其功耗相对常规耳机其实会更小。
转换为相对于1mW功率的灵敏度
失真，1V不带DSP
失真，1V 带DSP
失真，10V 带DSP
1V激励时，失真还可接受。10V激励时中频失真较高。
主要是2次谐波失真，应该是存在一个非对称的非线性因素。很有可能是压电片本身的形状和材料等特性造成的。
互调失真
温度上升测量
无外壳，仅仅是压电MEMS扬声器。
器件表面增加了一层哑光黑色薄膜喷漆，以提高热辐射率。
在最恶劣的条件下，20kHz，10V直流，10V交流正弦信号激励下，172秒后最高温度稳定在27.2°，温度仅上升6.5℃。
这也是采用压电MEMS扬声器的优势之一，温升很低。
未来改善的方向
提高灵敏度。
改善压电片的形状和材料特性。可以提高输出的声压级或者缩小尺寸。
降低失真
增加机械阻尼，需要找到对应的材料和工艺
改变压电MEMS的设计，比如采用双向压电片，或许可以降低偶次谐波失真和互调失真。
自适应的非线性补偿。构建压电MEMS耳机的模型，通过音频算法来补偿失真。
改变压电材料。比如采用铝氮化钪（AlScN）等。这种材料已被证明具有高压电线性，可进一步降低非线性失真。此外，预计AlScN的材料变化会增加传感器灵敏度并消除对直流偏置的需求。可以提高输出的声压级或者缩小尺寸。且电容显着减小，从而简化了放大器电子元件。
除了耳机之外，压电MEMS扬声器也有可能应用在可穿戴设备，助听器，智能手机接收器以及智能手机或平板电脑等移动设备。
