基于仿生耳蜗的可调谐压电MEMS麦克风
2026-04-26 07:46:32   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

MEMS麦克风凭借其微型化尺寸、低功耗、优异的噪声性能以及与大规模半导体批量制造工艺的兼容性，已成为消费电子领域中的主导声学换能器。

传统的平坦响应MEMS麦克风已得到广泛研究，其在非谐振频段（通常为100 Hz至10 kHz）内表现出均匀的声学响应。然而，融合了计算网络、分布式传感器与执行器的信息物理系统（CPS）中的新兴应用；以及医疗设备（例如助听器、人工耳蜗和数字听诊器）对灵敏度、信噪比（SNR）、定向响应以及频率选择性声学探测能力提出了更高要求。这些需求已经超出了传统平坦响应MEMS麦克风架构的能力范围。

在此背景下，由多个具有不同谐振频率的声学谐振单元构成的共振麦克风阵列（RMA）成为实现频率选择性声学探测的一种有前景的解决方案。这种实现方式在哺乳动物的耳蜗中可以找到其生物学类比：其基底膜上刚度和质量分布的梯度变化会产生空间局域化的共振峰，通过其音调定位组织（Tonotopic Organization）有效地发挥了频率选择元件的作用。这一仿生理念已引起广泛关注，并推动了进一步的深入研究与分析。

据麦姆斯咨询报道，近日，澳门大学、中山大学、北京大学与鲁汶大学的研究人员组成的团队提出了一种仿生氮化铝（AlN）压电MEMS麦克风，采用悬臂梁阵列结构，具有可调性能，能够充分模拟哺乳动物耳蜗基底膜所表现出的动力学特性与可调谐性。通过结合压电效应与逆压电效应，并引入双参数调制机制，该器件成功复现了耳蜗力学中的三个关键方面：（i）内毛细胞（IHC）的感官换能特性；（ii）由外毛细胞（OHC）胞体运动实现的局部刚度调制；（iii）耦合系统中的能量再分配，对应于耳蜗行波动力学中的能量传递过程。

研究人员通过电学表征、光学分析及声学测试对器件性能进行了系统评估。实验结果表明，在1.755至2.261 kHz的工作带宽范围内（3 dB上下截止带宽），其基线灵敏度达到−25.38 dB/Pa，信噪比最高可达79.28 dB；同时，其品质因数（Q）可在初始值的55.38%至180.10%范围内调谐，对应124.72%的调谐跨度。

总体而言，该研究工作的核心创新包括：（i）通过压电与逆压电效应协同作用，首次实现完整模拟哺乳动物耳蜗“感知-调谐”一体化功能的MEMS麦克风；（ii）提出并结合两种新型调谐机制，即基于参数调制的交流调谐（AC）与机械耦合调谐，在无需改变器件机械结构的前提下实现性能可调。该技术有望推动具备仿生听觉自适应能力的下一代助听设备的发展，弥补假体听觉系统在声信号处理方面的关键不足，同时也能够满足智能声学传感器日益增长的应用需求。上述研究成果以“A cochlea bio-inspired tunable piezoelectric cantilever array MEMS microphone: comprehensive study”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

仿生学原理

本文所提出的基于可调谐悬臂梁的共振麦克风阵列，其工作原理来源于哺乳动物耳蜗的机械与生物换能机制。如图1a所示，该MEMS麦克风的机械结构源自耳蜗本体。当声波振动从鼓膜经中耳传递并到达耳蜗时，镫骨在耳蜗流体中激发压力波，从而引起基底膜的振动。在基底膜上会形成一列行波，并从耳蜗底部向顶部传播。耳蜗分区的刚度和质量梯度分布使振动会在特定频率处达到峰值：高频声波在耳蜗底部产生最大振动，而低频声波则传播至耳蜗顶端。

图1 基于MEMS的耳蜗模型的仿生设计原理

如图1b所示，科蒂氏器（Organ of Corti，OC）中的内毛细胞专门负责将机械声刺激转换为电信号，随后传递至听神经纤维。这一机电转换过程通过压电效应实现。

MEMS麦克风的结构设计与调谐机制

该MEMS麦克风由四个长度依次渐变的悬臂梁组成，形成一个耦合谐振系统。该设计最初面向人类语音检测，所采用的四个悬臂梁的谐振频率分布在中高频范围（1.755–2.261 kHz）。悬臂梁阵列的中心频率参考了该频段内Mel滤波器的中心频率进行设定，随后通过COMSOL参数优化仿真对设计参数进行了进一步验证。相关振动模态的谐振频率及模态形状详见图2b。选用AlN作为压电材料，是因为其在动态调谐过程中无需重新极化即可实现逆压电效应。

图2 谐振式微悬臂梁阵列中悬臂梁单元的设计、仿真模态分析及灵敏度映射

如图3a所示，研究人员采用集总电路模型对所提出的MEMS麦克风进行描述，其工作机理类似于图1b所示的耳蜗中的机电行为。

图3 具有动态调谐机制的集总电路模型

为模拟外毛细胞的调谐功能（即通过增益控制实现灵敏度的动态放大与衰减），研究人员引入了两种调制机制。在物理层面，这种模拟是通过对系统有效品质因数的实时调谐实现的，而这直接决定了频率相关的声学灵敏度。这种双参数调制机制——电能泵浦与机械能泵浦——被用于动态调制悬臂梁的刚度。通过控制泵浦信号的幅值与频率，实现对有效品质因数的调谐。

器件制备

该MEMS麦克风基于n型SOI晶圆并结合AlN压电工艺制备而成，其工艺流程如图4a所示。最终芯片包含六个结构层：焊盘金属层、AlN压电薄膜层、氧化层、硅层、埋氧层以及衬底层。初始工艺从器件层（10 μm厚硅）进行热氧化开始，形成一层0.2 μm厚的SiO₂隔离层。该氧化层用于实现硅与金属层之间的电隔离，并使硅层能够接地。在氧化层图形化之后，通过反应磁控溅射沉积一层0.5 μm厚、c轴取向的AlN压电薄膜，其厚度均匀性优异（约2%）。随后，对AlN层进行湿法刻蚀，以形成电极接触窗口。接下来的金属化工艺采用电子束蒸发沉积1 μm厚金属层，并通过剥离（lift-off）工艺完成图形化。对于悬臂梁结构的制备，采用光刻定义的光刻胶作为掩膜，对硅器件层进行深反应离子刻蚀（DRIE）。随后，通过背面DRIE工艺选择性去除下方硅衬底，在此过程中，支撑晶圆形成了400 μm侧壁的背腔结构。最终，通过导电胶将芯片固定在68引脚方形金载体上进行封装，该导电胶同时构成背腔底部。信号通过芯片焊盘与载体引脚之间的金丝键合实现电连接并实现信号读出。完成制备的器件图像如图4b所示。

图4 AlN压电MEMS麦克风的制备工艺及制备后的器件图像

实验平台与性能表征

基础表征包括电学与光学测试，而MEMS麦克风性能及其可调谐功能则通过声学实验进行验证。实验平台如图5所示，其中声学测试与电学/光学测试的具体配置分别示于图5a与图5b。

图5 用于MEMS麦克风测试的实验平台的设计和设置

研究人员首先对MEMS麦克风进行了基础性能表征，结果如图6所示。

图6 MEMS麦克风的基础性能表征

MEMS麦克风的可调谐性能可通过以下两种方式实现：（i）在目标悬臂梁上施加参数泵浦能量；或（ii）通过机械耦合机制，将相邻悬臂梁的能量传递至目标悬臂梁。上述两种调谐方法的性能均通过声学表征进行了验证，结果如图7所示。

图7 MEMS麦克风的可调谐性能的声学测试结果

实验结果表明，该悬臂梁阵列MEMS麦克风在谐振频率处的未调谐灵敏度为−23.63至−25.38 dB/Pa，信噪比为68.26–79.28 dB。该主动调谐方法可基于参数调制技术的可控参数实现品质因数的动态调谐，其调谐范围达到初始Q值的55.38%至180.10%。

结论

综上所述，这项研究提出了一种新型压电MEMS麦克风，其具有可调谐性能，能够完整模拟哺乳动物耳蜗复杂的机械-电信号换能机制及其可调谐特性。该调谐机制通过结合压电效应与逆压电效应，利用双重调制机制实现。实验结果表明，该器件基线灵敏度为−25.38 dB/Pa，信噪比高达79.28 dB，品质因数可在初始值的55.38%至180.10%范围内进行实时调谐，实现了124.72%的调谐跨度。未来的工作将进一步探索模内参数调制以及压电材料的非线性特性，以进一步提升调谐效率和器件功能性能。本研究为面向AI增强智能系统的下一代声学传感器技术发展奠定了坚实的基础，并为后续研究提供了有价值的参考。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01232-1

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