PS46×46片式微型壓電揚聲器振子的設計與應用

周　濤，文　理，劉超英

（1.廣東捷成科創電子股份有限公司，廣東 肇慶　526060；2.肇慶學院 電子信息與機電工程學院，廣東 肇慶　526061）

PS46×46片式微型壓電揚聲器振子的設計與應用

周濤1，文理1，劉超英2

（1.廣東捷成科創電子股份有限公司，廣東 肇慶526060；2.肇慶學院 電子信息與機電工程學院，廣東 肇慶526061）

片式壓電平板揚聲器是繼傳統動圈式揚聲器之后發展起來的新型揚聲器，具有電磁干擾小、功率低、結構簡單、重量輕、尺寸薄的優點.壓電揚聲器的振子直接決定了其片式壓電平板揚聲器的性能，本文從PS46×46片式壓電揚聲器的材料、工藝、結構及應用等方面進行了研究分析.

片式；微型壓電揚聲器；材料；工藝；結構

0　引言

片式壓電平板揚聲器是繼傳統動圈式揚聲器之后發展起來的新型揚聲器，是壓電陶瓷［1-5］的一種新型應用.與傳統的動圈式揚聲器相比（見圖1），壓電平板揚聲器（見圖2）具有以下幾方面優勢：

1）壓電平板揚聲器結構中不需要磁鐵，因而也不會存在任何磁場對周圍電路產生干擾和影響.

2）僅需壓電陶瓷片和振膜即可構成發聲結構，其結構簡單且可靠性高.

3）壓電平板揚聲器的厚度超薄，目前所制成的壓電揚聲器本身的厚度僅有0.7 mm，而動圈式揚聲器的厚度一般在2.4 mm以上.相比之下，壓電平板揚聲器可安裝于更為狹小的空間中，這一優勢使其在當今市場中極具競爭力.

4）壓電平板揚聲器具有輕便的特點，重量一般小于1 g，比傳統的動圈揚聲器輕30%～50%.

5）壓電平板揚聲器的功耗低，一般小于15 mW，是動圈式揚聲器消耗功率的1/5～1/2，這大大延長了器件的電池壽命.

6）壓電平板揚聲器的聲學設計簡單，背面只需很少空間.

圖1　動圈揚聲器結構圖

圖2　壓電平板揚聲器結構圖

片式壓電平板揚聲器已成功生產出新一代壓電揚聲器（外型結構見圖3），PS46×46片式壓電揚聲器是高性能多層壓電揚聲器中的一種.該揚聲器可應用于高聲壓要求的手機、平板終端設備、MID（mobile inter-net device移動互聯網設備）、掌上電腦（PDA）、筆記本電腦、便攜式音頻播放器、電子書、電子詞典、手持游戲機等消費類電子產品領域.

片式壓電平板揚聲器的核心技術包括壓電陶瓷材料配方設計、制程控制、元件結構優化設計和揚聲器模塊設計.

1　設計與應用

1.1高性能、高可靠性的壓電陶瓷材料

高性能、高可靠性的壓電陶瓷材料，是制備性能優異的PS46型微型壓電揚聲器的重要前提.我們需要盡可能地提高陶瓷材料的機電耦合系數，以獲得較大的機電轉換效率；同時，需要改善其電性能參數的疲勞特性和老化特性.

為實現材料的高性能，我們選取了（PMN-PZN-PZT）四元系壓電陶瓷.通過優化設計PZT-PMN-PZN多元壓電組成體系，設計與具有高介電常數的馳豫鐵電材料復合的近準同型相界組成.先確定PMN-PZN-PZT主晶相的成分，經實驗證明，PMN的增多使陶瓷的晶體結構從四方相過渡到三方相，準同型相界的位置在PMN含量為6 mol處.此處電性能發生了突變，壓電常數、介電常數及機電耦合系數達到極大值，而介電損耗達到最大值，機械品質因數達到最小值.由于PMN屬于“硬性”摻雜物，故增加它將使PMN-PZN-PZT陶瓷的介電常數、壓電常數降低，機械品質因數升高.由于Zn-O的結合能大于Mn-O的結合能，Mn離子在氧八面體偏位處的穩定性較低，自發極化定向不穩定，較低的熱運動能即可摧毀其鐵電態，故PMN的居里點低于PZN的居里點.隨著PMN的增多，PMN-PZN-PZT壓電陶瓷居里點將會下降，因此，要在確保性能最優化的情況下，選取合理的PMN-PZN-PZT配比.

在確定了主晶相的情況下，通過摻雜進一步優化及提高材料的電性能.引入微量的摻雜元素（La，Sb）及多種其他元素進一步優化材料的電性能，對PMN-PZN-PZT壓電陶瓷進行Sr離子摻雜，Sr離子的半徑小于Pb離子的半徑，Sr離子的加入導致陶瓷的晶體結構發生畸變，使晶體結構從三方相轉變為四方相.隨著Sr離子的增多，陶瓷的介電常數、壓電常數及機械品質因數都得到了提高，而機電耦合系數略有降低.在具有良好性能配方的基礎上，添加了SiO2.研究發現，SiO2在燒結前期作為助熔劑降低了陶瓷的燒結溫度，在燒結后期又溶入到主晶格，起到摻雜改性的作用.摻雜SiO2的質量分數為0.05時，壓電常數、介電常數及介電損耗均達到了最大值，隨著SiO2含量的增多，陶瓷中出現了非晶相，惡化了陶瓷的電性能.電疇的翻轉特性可達到提高機電耦合性能、改善疲勞和老化特性的目的.通過選擇合適的氧化物（氧化鍶、氧化硅、氧化鑭、氧化銻）及適宜的比例，獲得性能優異的高性能的材料配方；通過引入微量的摻雜元素及其他的多種稀土類元素，進一步優化電疇的翻轉特性，達到提高機電耦合性能、改善疲勞和老化特性的目的.

壓電陶瓷材料的電性能如表1所示.

表1　壓電陶瓷材料的電性能

1.2高性能、高質量超薄多層壓電陶瓷的制備技術

筆者采用一種新的粉體制作方法——如粉體快速合成工藝，使合成壓電材料細晶化；采用具有發明專利授權的流延成型工藝，使用自動精密流延機制成厚度10～30 μm的薄膜，可以減少微氣孔數，避免燒結時晶粒長大.

流延漿料制備技術是具有獨創性的，它摒棄了傳統工藝先將超細粉料制備成干粉，然后再將粘合劑、增塑劑等添加劑按配方加入進行混合的做法.我們通過對超細粉料制備過程的有效控制，直接加入添加劑混合并得到性能很好的漿料，從而減少了生產環節，降低了二次污染的可能性，在提高生產效率的同時降低了能耗.

既要顯著降低粘合劑的含量，又要保證生坯片具有足夠的強度和韌性，這既是矛盾所在，也是最大的困難所在.通過加入少量的表面活性劑、增韌劑，可以使流延漿料中的粘合劑、溶劑含量大幅度降低，但其稀稠度和流變性不會改變.

采用介質層之間粘接的工藝制備多層陶瓷片，通過不斷完善制備工藝，可以保障所獲得的多層壓電陶瓷的可靠性、穩定性和成品率.

擬解決方法：采用水基流延法制備10～30 μm超薄陶瓷坯膜.采用絲網印刷技術，獲得粘結層可控且穩定性高的多層壓電陶瓷片.

我們采用疊片燒結工藝制得單個平整的陶瓷片，大尺寸的超薄陶瓷膜片在高溫燒結時會發生變形、彎曲.筆者的研究項目創新研發出一種新型的燒結工藝方法，可制備出平整度高的超薄陶瓷介質.

本研究采用膠粘工藝，將多個壓電片進行逐層粘接，加熱固化后形成一體化，制得多層壓電片.采用這種工藝方法生產的陶瓷致密度高，陶瓷與電極的燒滲強度高，壓電片與壓電片的膠粘強度大，多層壓電片與金屬片的膠粘強度大，因此，多層壓電揚聲器振子不但聲壓高、音質好、靈敏度高，并且產品的可靠性得到有效保障.

1.3PS46型微型壓電揚聲器的設計

PS46型微型壓電揚聲器是一個機-電-聲耦合系統，涉及材料、聲學、電子、機械等多個學科領域.

解決方法：通過有限元法和傳統動力學方法，建立機-電-聲耦合系統模型，其分析結果既有等效電路法的簡潔性和直觀性，又能獲得有限元法的定量分析結果.

結合矩形薄型壓電振子在靜電壓下的受力形式并利用功的互等理論，可得到矩形薄型壓電振子靜態變形的解析.將對算例變形的計算結果與ANSYS的仿真結果及實驗結果進行比對，可看出矩形薄型壓電振子靜態變形的形狀和變形大小數量級的理論計算值均正確，但理論計算得出的最大變形量為2.39 μm，與ANSYS仿真值8.26 μm及實測值7.8 μm的偏差很大.由此可見ANSYS仿真的定量結果較為可信，但理論計算對理解矩形薄型壓電振子的變形機理和影響因素仍有一定意義.本文中，筆者基于ANSYS仿真，研究了電壓、陶瓷片的邊長、厚度、材料、層數及振動板的厚度、材料對矩形薄型壓電振子靜態變形的影響.

改進后的PS46型微型壓電揚聲器的各項指標如下：

壓電陶瓷層數為1～5層，壓電陶瓷的層厚為10～30μm，壓電揚聲器厚度≤0.7 mm，器件規格尺寸為46 mm×46 mm；器件的初次諧頻頻率范圍≤250 Hz，平均靈敏度規格≥110 dB（1 V，31.6 mm，軸向測試），波動度（初次諧振頻率附近）≤4 dB（1 V，31.6 mm，軸向測試）（見圖4）；抗疲勞性能：初次諧振頻率附近可連續工作3個月以上，可聽域頻段上能連續工作6個月以上.

圖3　PS46壓電平板揚聲器外觀圖

圖4　PS46壓電平板揚聲器頻譜圖

1.4應用

該產品已應用于一些高聲壓要求的手機、平板終端設備、MID（mobile internet device移動互聯網設備）、掌上電腦（PDA）、筆記本電腦、便攜式音頻播放器、電子書、電子詞典、手持游戲機等消費類電領域（見圖5）.

圖5　壓電平板揚聲器應用領域

2　工藝流程

片式壓電揚聲器振子的工藝路線見圖6.

圖6　片式壓電揚聲器振子的工藝路線圖

3　結語

開發大功率壓電陶瓷材料，可采用粉體快速合成工藝使超薄壓電陶瓷片（10～30 μm）細晶化，解決絕緣電阻下降的問題；采用水基流延制備10～30 μm超薄陶瓷坯膜；以超薄陶瓷片及介質層之間的粘接工藝制備高性能、高質量的多層壓電陶瓷；在46 mm×46 mm×0.05 mm的金屬基片上排列4片多層結構的壓電片，優化PS46型微型壓電揚聲器的中低頻特性，提高其聲壓并增大其功率.

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The Design andApplication of PS46×46 Chip Micro Piezoelectric Loudspeaker

ZHOU Tao，WEN Li，LIU Chaoying
（1.Guangdong Jiecheng Electronic Limited by Share Ltd，Zhaoqing，Guangdong 526060，China；
2.College of Electronic Information and Mechatronic Engineering，Zhaoqing University，Zhaoqing，Guangdong 526061，China）

ractWith the advantage of small electromagnetic interference，low power，simple structure，light weight，and thin dimensions，chip piezoelectric panel speaker is a new speaker developed after the traditional moving coil loudspeaker.Piezoelectric speaker vibrator directly determines the pressure performance of the chip electric flat panel loudspeaker.The present paper analyzes the PS46 x 46 of chip pressure electric loudspeaker of the material，process，structure and application.

ordschip；micro piezoelectric speaker；material；process；structure

TN384

A

1009-8445（2016）02-0043-05

（責任編輯：陳靜）

2015-12-08

肇慶市科學技術計劃項目（2012G031）

周濤（1973-），男，四川宜賓人，廣東捷成科創電子股份有限公司研發部研究人員.