電容-壓電混合式MEMS麥克風，通過信號融合大幅提升信噪比

MEMS 2026-05-05 07:11

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近年來，MEMS傳感器已在眾多領域獲得了廣泛應用。其中，MEMS麥克風作為一種聲學傳感器，被集成到耳機、手機、筆記本電腦等各類消費電子產品中。與駐極體電容麥克風（ECM）相比，MEMS麥克風具備多項核心優勢，例如尺寸小型化、優異的電聲性能、出色的環境適應性以及低成本批量制造等。壓電式和電容式換能技術是MEMS麥克風采用的兩種主要方法。

壓電式MEMS麥克風采用單振膜結構，由結構材料/金屬/壓電層/金屬層堆疊而成。壓電式MEMS麥克風的性能高度依賴壓電薄膜層。鋯鈦酸鉛（PZT）、氧化鋅（ZnO）以及氮化鋁（AlN）是最常用的壓電材料。通過在AlN薄膜中摻雜鈧（Sc），可進一步提升器件性能，但這會增加制造難度。此外，也可以通過新型結構設計及優化手段來提升器件性能。

電容式MEMS麥克風通常由可變形振膜和背板構成可變電容器，二者分別作為可動電極和固定電極。空氣間隙和聲學通孔對電容式MEMS麥克風的性能起著關鍵作用。采用新型材料制備振膜是提升器件性能的一種有效方法，優化器件結構也同樣是一種可行的有效途徑。

在單個器件中集成多種換能原理，是提升MEMS麥克風性能的一種極具前景的方法。已有研究報道了結合壓電與電容換能機制的PZT基混合式MEMS麥克風，有效提升了器件的靈敏度。然而，混合模式下的MEMS麥克風整體信噪比仍受限于壓電換能器的高本底噪聲。

據麥姆斯咨詢介紹，蘇州大學、西北工業大學及比利時魯汶大學等機構的聯合研究團隊提出了一種集成壓電和電容兩種換能機制的AlN基MEMS麥克風，大幅提升了器件性能。該研究對壓電和電容雙路同步信號采用信號融合技術，最終使信噪比提升至66.7 dB。相關研究成果已經以“A capacitive-piezoelectric hybrid MEMS microphone with signal fusion for enhancing signal-to-noise ratio”為題發表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

論文摘要附圖

器件結構與集總參數單元

該混合式MEMS麥克風的壓電振膜由硅層、熱氧化層、底部金電極、AlN薄膜和頂部鉑電極組成。電容式換能結構包含硅支撐層和器件層，分別作為固定電極和可動電極。環形頂部電極的設計用于抵消薄膜沉積過程中殘余應力產生的力矩。

為了高效預測MEMS麥克風的工作特性，該研究采用了集總參數建模方法。在分析中，假設器件工作在線性區間，即振膜位移遠小于電極標稱間隙。在這種小信號近似條件下，非線性電容效應、間隙減小引發的非線性以及偏置相關剛度的變化均被視為高階項并予以忽略。這種線性化方法構建出一個物理意義直觀的模型框架，既能捕捉主要的換能機制，又能保證分析的可解析性。

圖1 混合式MEMS麥克風模型

混合式MEMS麥克風的制備

該混合式麥克風的制備工藝從一片SOI晶圓開始，其器件層與襯底層均為重摻雜。首先對晶圓進行熱氧化處理，以生長熱氧化層。通過磁控濺射沉積一層250 nm的鉻/金（Cr/Au）薄膜作為底電極。通過磁控濺射沉積一層600 nm的AlN薄膜，并通過剝離工藝對其進行圖形化處理。通過磁控濺射沉積一層300 nm的鉻/鉑（Cr/Pt）層作為頂電極，并通過剝離工藝對其進行圖形化處理。通過刻蝕工藝對Cr/Au薄膜進行刻蝕，同時通過反應離子刻蝕（RIE）對熱生長的氧化硅層進行刻蝕。再通過深反應離子刻蝕（DRIE）對硅器件層進行刻蝕，并通過RIE對掩埋氧化層進行刻蝕。在后續步驟中，通過DRIE對晶圓背面進行刻蝕，以形成釋放孔。最后一步刻蝕犧牲氧化層，該氧化層在48%的氫氟酸中被去除。

圖2 混合式MEMS麥克風的制備工藝

圖3 混合式MEMS麥克風的圖像

頻率響應

研究人員測試了混合式MEMS麥克風在1 kHz分別處于壓電、電容和混合換能模式時，不同聲壓級下的輸出響應信號?；旌蠐Q能模式下的響應斜率為2.39 mV/Pa，高于純壓電換能模式的0.61 mV/Pa以及純電容換能模式的1.79 mV/Pa。

結合兩種輸出信號后，與單獨的壓電和電容換能模式相比，目標全頻段的靈敏度均得到提升。該混合器件在1 kHz、94 dB SPL下，壓電、電容和混合換能模式對應的靈敏度分別為-64.3 dB、-54.9 dB和-52.4 dB（re: 1?V/Pa）。實驗與理論結果在目標頻段內匹配度良好。理論與實測結果的偏差可歸因于加工公差、殘余薄膜應力等多種因素。