PS46×46片式微型壓電揚(yáng)聲器振子的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周　濤，文　理，劉超英

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

PS46×46片式微型壓電揚(yáng)聲器振子的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周濤1，文理1，劉超英2

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

片式壓電平板揚(yáng)聲器是繼傳統(tǒng)動(dòng)圈式揚(yáng)聲器之后發(fā)展起來(lái)的新型揚(yáng)聲器，具有電磁干擾小、功率低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、尺寸薄的優(yōu)點(diǎn).壓電揚(yáng)聲器的振子直接決定了其片式壓電平板揚(yáng)聲器的性能，本文從PS46×46片式壓電揚(yáng)聲器的材料、工藝、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用等方面進(jìn)行了研究分析.

片式；微型壓電揚(yáng)聲器；材料；工藝；結(jié)構(gòu)

0　引言

片式壓電平板揚(yáng)聲器是繼傳統(tǒng)動(dòng)圈式揚(yáng)聲器之后發(fā)展起來(lái)的新型揚(yáng)聲器，是壓電陶瓷［1-5］的一種新型應(yīng)用.與傳統(tǒng)的動(dòng)圈式揚(yáng)聲器相比（見(jiàn)圖1），壓電平板揚(yáng)聲器（見(jiàn)圖2）具有以下幾方面優(yōu)勢(shì)：

1）壓電平板揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)中不需要磁鐵，因而也不會(huì)存在任何磁場(chǎng)對(duì)周?chē)娐樊a(chǎn)生干擾和影響.

2）僅需壓電陶瓷片和振膜即可構(gòu)成發(fā)聲結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且可靠性高.

3）壓電平板揚(yáng)聲器的厚度超薄，目前所制成的壓電揚(yáng)聲器本身的厚度僅有0.7 mm，而動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的厚度一般在2.4 mm以上.相比之下，壓電平板揚(yáng)聲器可安裝于更為狹小的空間中，這一優(yōu)勢(shì)使其在當(dāng)今市場(chǎng)中極具競(jìng)爭(zhēng)力.

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

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

6）壓電平板揚(yáng)聲器的聲學(xué)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，背面只需很少空間.

圖1　動(dòng)圈揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)圖

圖2　壓電平板揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)圖

片式壓電平板揚(yáng)聲器已成功生產(chǎn)出新一代壓電揚(yáng)聲器（外型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3），PS46×46片式壓電揚(yáng)聲器是高性能多層壓電揚(yáng)聲器中的一種.該揚(yáng)聲器可應(yīng)用于高聲壓要求的手機(jī)、平板終端設(shè)備、MID（mobile inter-net device移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備）、掌上電腦（PDA）、筆記本電腦、便攜式音頻播放器、電子書(shū)、電子詞典、手持游戲機(jī)等消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域.

片式壓電平板揚(yáng)聲器的核心技術(shù)包括壓電陶瓷材料配方設(shè)計(jì)、制程控制、元件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和揚(yáng)聲器模塊設(shè)計(jì).

1　設(shè)計(jì)與應(yīng)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(yōu)異的PS46型微型壓電揚(yáng)聲器的重要前提.我們需要盡可能地提高陶瓷材料的機(jī)電耦合系數(shù)，以獲得較大的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率；同時(shí)，需要改善其電性能參數(shù)的疲勞特性和老化特性.

為實(shí)現(xiàn)材料的高性能，我們選取了（PMN-PZN-PZT）四元系壓電陶瓷.通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)PZT-PMN-PZN多元壓電組成體系，設(shè)計(jì)與具有高介電常數(shù)的馳豫鐵電材料復(fù)合的近準(zhǔn)同型相界組成.先確定PMN-PZN-PZT主晶相的成分，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，PMN的增多使陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)從四方相過(guò)渡到三方相，準(zhǔn)同型相界的位置在PMN含量為6 mol處.此處電性能發(fā)生了突變，壓電常數(shù)、介電常數(shù)及機(jī)電耦合系數(shù)達(dá)到極大值，而介電損耗達(dá)到最大值，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)達(dá)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(shù)、壓電常數(shù)降低，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)升高.由于Zn-O的結(jié)合能大于Mn-O的結(jié)合能，Mn離子在氧八面體偏位處的穩(wěn)定性較低，自發(fā)極化定向不穩(wěn)定，較低的熱運(yùn)動(dòng)能即可摧毀其鐵電態(tài)，故PMN的居里點(diǎn)低于PZN的居里點(diǎn).隨著PMN的增多，PMN-PZN-PZT壓電陶瓷居里點(diǎn)將會(huì)下降，因此，要在確保性能最優(yōu)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(guò)摻雜進(jìn)一步優(yōu)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(jìn)一步優(yōu)化材料的電性能，對(duì)PMN-PZN-PZT壓電陶瓷進(jìn)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(dǎo)致陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，使晶體結(jié)構(gòu)從三方相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?隨著Sr離子的增多，陶瓷的介電常數(shù)、壓電常數(shù)及機(jī)械品質(zhì)因數(shù)都得到了提高，而機(jī)電耦合系數(shù)略有降低.在具有良好性能配方的基礎(chǔ)上，添加了SiO2.研究發(fā)現(xiàn)，SiO2在燒結(jié)前期作為助熔劑降低了陶瓷的燒結(jié)溫度，在燒結(jié)后期又溶入到主晶格，起到摻雜改性的作用.摻雜SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05時(shí)，壓電常數(shù)、介電常數(shù)及介電損耗均達(dá)到了最大值，隨著SiO2含量的增多，陶瓷中出現(xiàn)了非晶相，惡化了陶瓷的電性能.電疇的翻轉(zhuǎn)特性可達(dá)到提高機(jī)電耦合性能、改善疲勞和老化特性的目的.通過(guò)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(yōu)異的高性能的材料配方；通過(guò)引入微量的摻雜元素及其他的多種稀土類(lèi)元素，進(jìn)一步優(yōu)化電疇的翻轉(zhuǎn)特性，達(dá)到提高機(jī)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(zhì)量超薄多層壓電陶瓷的制備技術(shù)

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(xì)晶化；采用具有發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)的流延成型工藝，使用自動(dòng)精密流延機(jī)制成厚度10～30 μm的薄膜，可以減少微氣孔數(shù)，避免燒結(jié)時(shí)晶粒長(zhǎng)大.

流延漿料制備技術(shù)是具有獨(dú)創(chuàng)性的，它摒棄了傳統(tǒng)工藝先將超細(xì)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(jìn)行混合的做法.我們通過(guò)對(duì)超細(xì)粉料制備過(guò)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(chǎn)環(huán)節(jié)，降低了二次污染的可能性，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)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(qiáng)度和韌性，這既是矛盾所在，也是最大的困難所在.通過(guò)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(huì)改變.

采用介質(zhì)層之間粘接的工藝制備多層陶瓷片，通過(guò)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(wěn)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(wǎng)印刷技術(shù)，獲得粘結(jié)層可控且穩(wěn)定性高的多層壓電陶瓷片.

我們采用疊片燒結(jié)工藝制得單個(gè)平整的陶瓷片，大尺寸的超薄陶瓷膜片在高溫?zé)Y(jié)時(shí)會(huì)發(fā)生變形、彎曲.筆者的研究項(xiàng)目創(chuàng)新研發(fā)出一種新型的燒結(jié)工藝方法，可制備出平整度高的超薄陶瓷介質(zhì).

本研究采用膠粘工藝，將多個(gè)壓電片進(jìn)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(chǎn)的陶瓷致密度高，陶瓷與電極的燒滲強(qiáng)度高，壓電片與壓電片的膠粘強(qiáng)度大，多層壓電片與金屬片的膠粘強(qiáng)度大，因此，多層壓電揚(yáng)聲器振子不但聲壓高、音質(zhì)好、靈敏度高，并且產(chǎn)品的可靠性得到有效保障.

1.3PS46型微型壓電揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)

PS46型微型壓電揚(yáng)聲器是一個(gè)機(jī)-電-聲耦合系統(tǒng)，涉及材料、聲學(xué)、電子、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域.

解決方法：通過(guò)有限元法和傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，建立機(jī)-電-聲耦合系統(tǒng)模型，其分析結(jié)果既有等效電路法的簡(jiǎn)潔性和直觀性，又能獲得有限元法的定量分析結(jié)果.

結(jié)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(tài)變形的解析.將對(duì)算例變形的計(jì)算結(jié)果與ANSYS的仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，可看出矩形薄型壓電振子靜態(tài)變形的形狀和變形大小數(shù)量級(jí)的理論計(jì)算值均正確，但理論計(jì)算得出的最大變形量為2.39 μm，與ANSYS仿真值8.26 μm及實(shí)測(cè)值7.8 μm的偏差很大.由此可見(jiàn)ANSYS仿真的定量結(jié)果較為可信，但理論計(jì)算對(duì)理解矩形薄型壓電振子的變形機(jī)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(zhǎng)、厚度、材料、層數(shù)及振動(dòng)板的厚度、材料對(duì)矩形薄型壓電振子靜態(tài)變形的影響.

改進(jìn)后的PS46型微型壓電揚(yáng)聲器的各項(xiàng)指標(biāo)如下：

壓電陶瓷層數(shù)為1～5層，壓電陶瓷的層厚為10～30μm，壓電揚(yáng)聲器厚度≤0.7 mm，器件規(guī)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(guī)格≥110 dB（1 V，31.6 mm，軸向測(cè)試），波動(dòng)度（初次諧振頻率附近）≤4 dB（1 V，31.6 mm，軸向測(cè)試）（見(jiàn)圖4）；抗疲勞性能：初次諧振頻率附近可連續(xù)工作3個(gè)月以上，可聽(tīng)域頻段上能連續(xù)工作6個(gè)月以上.

圖3　PS46壓電平板揚(yáng)聲器外觀圖

圖4　PS46壓電平板揚(yáng)聲器頻譜圖

1.4應(yīng)用

該產(chǎn)品已應(yīng)用于一些高聲壓要求的手機(jī)、平板終端設(shè)備、MID（mobile internet device移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備）、掌上電腦（PDA）、筆記本電腦、便攜式音頻播放器、電子書(shū)、電子詞典、手持游戲機(jī)等消費(fèi)類(lèi)電領(lǐng)域（見(jiàn)圖5）.

圖5　壓電平板揚(yáng)聲器應(yīng)用領(lǐng)域

2　工藝流程

片式壓電揚(yáng)聲器振子的工藝路線見(jiàn)圖6.

圖6　片式壓電揚(yáng)聲器振子的工藝路線圖

3　結(jié)語(yǔ)

開(kāi)發(fā)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(xì)晶化，解決絕緣電阻下降的問(wèn)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(zhì)層之間的粘接工藝制備高性能、高質(zhì)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(jié)構(gòu)的壓電片，優(yōu)化PS46型微型壓電揚(yáng)聲器的中低頻特性，提高其聲壓并增大其功率.

［1］馬元，沈建興，閆春蕾.PZT壓電陶瓷液相低溫?zé)Y(jié)技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，22（4）：15-17.

［2］范坤泰，朱傳琴，張錄周，等.片式壓電陶瓷諧振器的研制［J］.壓電與聲光，2006，28（4）：423-425.

［3］陳豐.關(guān)于PZT壓電陶瓷低溫活化燒結(jié)的研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2007，21（1）：26-29.

［4］李小兵，田蒔，趙建偉.熱壓和常壓燒結(jié)PZN-PZT陶瓷的溫度穩(wěn)定性［J］.壓電與聲光，2003，25（4）：287-290.

［5］李國(guó)榮，陳大任，殷慶瑞.PZT系多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)器位移性能研制［J］.無(wú)機(jī)材料導(dǎo)報(bào)，1996，14（3）：418-422.

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(zé)任編輯：陳靜）

2015-12-08

肇慶市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目（2012G031）

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