MEMS麥克風憑借其微型化尺寸、低功耗、優異的噪聲性能以及與大規模半導體批量制造工藝的兼容性，已成為消費電子領域中的主導聲學換能器。
傳統的平坦響應MEMS麥克風已得到廣泛研究，其在非諧振頻段（通常為100 Hz至10 kHz）內表現出均勻的聲學響應。然而，融合了計算網絡、分布式傳感器與執行器的信息物理系統（CPS）中的新興應用；以及醫療設備（例如助聽器、人工耳蝸和數字聽診器）對靈敏度、信噪比（SNR）、定向響應以及頻率選擇性聲學探測能力提出了更高要求。這些需求已經超出了傳統平坦響應MEMS麥克風架構的能力范圍。
在此背景下，由多個具有不同諧振頻率的聲學諧振單元構成的共振麥克風陣列（RMA）成為實現頻率選擇性聲學探測的一種有前景的解決方案。這種實現方式在哺乳動物的耳蝸中可以找到其生物學類比：其基底膜上剛度和質量分布的梯度變化會產生空間局域化的共振峰，通過其音調定位組織（Tonotopic Organization）有效地發揮了頻率選擇元件的作用。這一仿生理念已引起廣泛關注，并推動了進一步的深入研究與分析。
據麥姆斯咨詢報道，近日，澳門大學、中山大學、北京大學與魯汶大學的研究人員組成的團隊提出了一種仿生氮化鋁（AlN）壓電MEMS麥克風，采用懸臂梁陣列結構，具有可調性能，能夠充分模擬哺乳動物耳蝸基底膜所表現出的動力學特性與可調諧性。通過結合壓電效應與逆壓電效應，并引入雙參數調制機制，該器件成功復現了耳蝸力學中的三個關鍵方面：（i）內毛細胞（IHC）的感官換能特性；（ii）由外毛細胞（OHC）胞體運動實現的局部剛度調制；（iii）耦合系統中的能量再分配，對應于耳蝸行波動力學中的能量傳遞過程。
研究人員通過電學表征、光學分析及聲學測試對器件性能進行了系統評估。實驗結果表明，在1.755至2.261 kHz的工作帶寬范圍內（3 dB上下截止帶寬），其基線靈敏度達到?25.38 dB/Pa，信噪比最高可達79.28 dB；同時，其品質因數（Q）可在初始值的55.38%至180.10%范圍內調諧，對應124.72%的調諧跨度。
總體而言，該研究工作的核心創新包括：（i）通過壓電與逆壓電效應協同作用，首次實現完整模擬哺乳動物耳蝸“感知-調諧”一體化功能的MEMS麥克風；（ii）提出并結合兩種新型調諧機制，即基于參數調制的交流調諧（AC）與機械耦合調諧，在無需改變器件機械結構的前提下實現性能可調。該技術有望推動具備仿生聽覺自適應能力的下一代助聽設備的發展，彌補假體聽覺系統在聲信號處理方面的關鍵不足，同時也能夠滿足智能聲學傳感器日益增長的應用需求。上述研究成果以“A cochlea bio-inspired tunable piezoelectric cantilever array MEMS microphone: comprehensive study”為題發表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
仿生學原理
本文所提出的基于可調諧懸臂梁的共振麥克風陣列，其工作原理來源于哺乳動物耳蝸的機械與生物換能機制。如圖1a所示，該MEMS麥克風的機械結構源自耳蝸本體。當聲波振動從鼓膜經中耳傳遞并到達耳蝸時，鐙骨在耳蝸流體中激發壓力波，從而引起基底膜的振動。在基底膜上會形成一列行波，并從耳蝸底部向頂部傳播。耳蝸分區的剛度和質量梯度分布使振動會在特定頻率處達到峰值：高頻聲波在耳蝸底部產生最大振動，而低頻聲波則傳播至耳蝸頂端。
圖1 基于MEMS的耳蝸模型的仿生設計原理
如圖1b所示，科蒂氏器（Organ of Corti，OC）中的內毛細胞專門負責將機械聲刺激轉換為電信號，隨后傳遞至聽神經纖維。這一機電轉換過程通過壓電效應實現。
MEMS麥克風的結構設計與調諧機制
該MEMS麥克風由四個長度依次漸變的懸臂梁組成，形成一個耦合諧振系統。該設計最初面向人類語音檢測，所采用的四個懸臂梁的諧振頻率分布在中高頻范圍（1.755–2.261 kHz）。懸臂梁陣列的中心頻率參考了該頻段內Mel濾波器的中心頻率進行設定，隨后通過COMSOL參數優化仿真對設計參數進行了進一步驗證。相關振動模態的諧振頻率及模態形狀詳見圖2b。選用AlN作為壓電材料，是因為其在動態調諧過程中無需重新極化即可實現逆壓電效應。
圖2 諧振式微懸臂梁陣列中懸臂梁單元的設計、仿真模態分析及靈敏度映射
如圖3a所示，研究人員采用集總電路模型對所提出的MEMS麥克風進行描述，其工作機理類似于圖1b所示的耳蝸中的機電行為。
圖3 具有動態調諧機制的集總電路模型
為模擬外毛細胞的調諧功能（即通過增益控制實現靈敏度的動態放大與衰減），研究人員引入了兩種調制機制。在物理層面，這種模擬是通過對系統有效品質因數的實時調諧實現的，而這直接決定了頻率相關的聲學靈敏度。這種雙參數調制機制——電能泵浦與機械能泵浦——被用于動態調制懸臂梁的剛度。通過控制泵浦信號的幅值與頻率，實現對有效品質因數的調諧。
器件制備
該MEMS麥克風基于n型SOI晶圓并結合AlN壓電工藝制備而成，其工藝流程如圖4a所示。最終芯片包含六個結構層：焊盤金屬層、AlN壓電薄膜層、氧化層、硅層、埋氧層以及襯底層。初始工藝從器件層（10 μm厚硅）進行熱氧化開始，形成一層0.2 μm厚的SiO?隔離層。該氧化層用于實現硅與金屬層之間的電隔離，并使硅層能夠接地。在氧化層圖形化之后，通過反應磁控濺射沉積一層0.5 μm厚、c軸取向的AlN壓電薄膜，其厚度均勻性優異（約2%）。隨后，對AlN層進行濕法刻蝕，以形成電極接觸窗口。接下來的金屬化工藝采用電子束蒸發沉積1 μm厚金屬層，并通過剝離（lift-off）工藝完成圖形化。對于懸臂梁結構的制備，采用光刻定義的光刻膠作為掩膜，對硅器件層進行深反應離子刻蝕（DRIE）。隨后，通過背面DRIE工藝選擇性去除下方硅襯底，在此過程中，支撐晶圓形成了400 μm側壁的背腔結構。最終，通過導電膠將芯片固定在68引腳方形金載體上進行封裝，該導電膠同時構成背腔底部。信號通過芯片焊盤與載體引腳之間的金絲鍵合實現電連接并實現信號讀出。完成制備的器件圖像如圖4b所示。
圖4 AlN壓電MEMS麥克風的制備工藝及制備后的器件圖像
實驗平臺與性能表征
基礎表征包括電學與光學測試，而MEMS麥克風性能及其可調諧功能則通過聲學實驗進行驗證。實驗平臺如圖5所示，其中聲學測試與電學/光學測試的具體配置分別示于圖5a與圖5b。
圖5 用于MEMS麥克風測試的實驗平臺的設計和設置
研究人員首先對MEMS麥克風進行了基礎性能表征，結果如圖6所示。
圖6 MEMS麥克風的基礎性能表征
MEMS麥克風的可調諧性能可通過以下兩種方式實現：（i）在目標懸臂梁上施加參數泵浦能量；或（ii）通過機械耦合機制，將相鄰懸臂梁的能量傳遞至目標懸臂梁。上述兩種調諧方法的性能均通過聲學表征進行了驗證，結果如圖7所示。
圖7 MEMS麥克風的可調諧性能的聲學測試結果
實驗結果表明，該懸臂梁陣列MEMS麥克風在諧振頻率處的未調諧靈敏度為?23.63至?25.38 dB/Pa，信噪比為68.26–79.28 dB。該主動調諧方法可基于參數調制技術的可控參數實現品質因數的動態調諧，其調諧范圍達到初始Q值的55.38%至180.10%。
結論
綜上所述，這項研究提出了一種新型壓電MEMS麥克風，其具有可調諧性能，能夠完整模擬哺乳動物耳蝸復雜的機械-電信號換能機制及其可調諧特性。該調諧機制通過結合壓電效應與逆壓電效應，利用雙重調制機制實現。實驗結果表明，該器件基線靈敏度為?25.38 dB/Pa，信噪比高達79.28 dB，品質因數可在初始值的55.38%至180.10%范圍內進行實時調諧，實現了124.72%的調諧跨度。未來的工作將進一步探索模內參數調制以及壓電材料的非線性特性，以進一步提升調諧效率和器件功能性能。本研究為面向AI增強智能系統的下一代聲學傳感器技術發展奠定了堅實的基礎，并為后續研究提供了有價值的參考。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-026-01232-1
