Enhancing Performance of a Novel Piezoelectric MEMS Microphone Through Single Diaphragm Mode Localization via Piezoelectric Layer Segmentation
本研究表明，通过对氮化铝 MEMS 麦克风的压电层进行分段以诱导类似于单振膜模式局域化的行为，可以在无需结构修改或额外接口电路的情况下，通过同步多读出方案显著提高声学灵敏度，并实现 1 Hz 处 16.24 nPa 的分辨率。
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声音是一种物理压力波，是空气中推动并拉扯我们耳朵的涟漪。为了捕捉这种无形的运动，工程师们数十年来一直致力于制造被称为麦克风（或话筒）的微型机器，这些机器通常由硅蚀刻而成，比指甲盖还要小。这些设备充当了现代技术的“耳朵”，从智能手机到医疗监护仪，将空气的推动转化为电信号。多年来，最常见的设计依赖于利用电能产生可被声音扰动的静电荷，或者利用在受压时改变电阻率的材料。然而，另一种方法使用的是压电材料，这类材料只需通过弯曲即可产生电压。这种被动式方法具有高能效且坚固耐用，但从历史上看，它一直难以达到竞争对手的灵敏度，往往需要复杂的结构或额外的电子电路才能听到世界上最细微的低语。
一组研究人员现在找到了一种方法，可以在不增加体积或复杂性的情况下，显著提高这些压电麦克风的灵敏度。通过将单个圆形薄膜上的压电层精确地切割成特定的分段，他们创造出了一种表现出惊人复杂性的设备。该薄膜不再作为一个统一的整体进行振动，而是支持两种频率非常接近但彼此之间弱耦合的截然不同的振动模式。这种设置使得麦克风能够比标准设备从声波中提取更多的信息，将简单的压力测量转变为多维度的读数。结果显示，这种传感器可以检测到频率为一赫兹时仅为 16.24 纳帕斯卡尔的压力变化，这一精度水平代表了该类技术的巨大飞跃。
这群研究人员来自包括澳门大学和中山大学在内的机构，他们从一个标准设计出发：一个由硅制成的圆形薄膜，上面覆盖着一层薄薄的氮化铝薄膜，氮化铝是一种以其压电特性而闻名的材料。在传统的麦克风中，这层薄膜会是一个单一且连续的整体。在这里，团队对薄膜进行了分段处理，创造了一个中心圆环电极和若干个外围环形电极。这种几何形状的变化是关键所在。当设备振动时，分段导致能量分布不均，从而产生了两个频率非常接近（约 130 千赫兹）的独立振动模式。这两个模式并非完全独立，而是处于弱耦合状态，这意味着它们会相互影响，就像悬挂在同一根绳子上的两个摆锤，偶尔会同步摆动一样。
这种弱耦合正是性能提升的引擎。当声音撞击麦克风时，它不仅会改变信号的幅度，还会改变两个振动模式之间的频率关系。研究人员通过将设备暴露在 0.16 到 1.42 帕斯卡的声波中进行了测试。他们发现，位于分段环上的外侧电极表现出的灵敏度为 66.74 微伏/帕斯卡，这一数值几乎是标准、未分段参考麦克风所达到的数值的七倍。内侧电极在新型设计和旧型设计中都表现出了稳定的响应，这证实了性能的提升专门来自于外层结构的工程化分段处理。
为了理解这种现象如何实时发生，团队观察了设备对极低频声音（即次声波，低于一赫兹）的反应。他们播放了 0.2、0.4、0.6、0.8 和 1.0 赫兹的音调，并观察了两个振动模式的反应。他们可以追踪信号高度的变化以及音高的变化。更重要的是，他们可以对比这两个模式之间的差异。通过计算两个模式之间变化的比例，他们创造了一种比仅观察单一信号更为稳定且灵敏的新型声音读取方式。这种基于比例的读取方式，特别是频率比，使设备能够分辨出低至 16.24 纳帕斯卡的压力变化。这代表了相比传统的幅度调制（AM）读取方法，在分辨率上实现了六个数量级的提升。
这项研究还证明了这种行为并非单个芯片的偶然现象。研究人员制造了多个设备，并发现弱耦合以及随之而来的灵敏度提升在不同批次中均一致出现。设备在消音室中进行了测试以消除背景噪声，结果在不同的声压和频率下依然成立。团队确认，压电层的分段是导致弱耦合的直接原因，而弱耦合进而实现了这种多重读取能力。与其他需要构建具有多个运动部件的复杂机械结构或在芯片上添加额外电子电路的方法不同，这种方法通过改变现有层的布局便实现了高性能。
这项工作的意义不仅在于听见更微弱的声音。由于该设备可以同时提取多个信息（例如量级、频率以及它们之间的比例），它为分析声学环境提供了一种新途径。这对于监测自然现象或工业过程（这些过程通常使用次声波，但很难用标准传感器捕获）尤为有用。研究人员指出，这种方法可以为未来的声学设备设定新标准，使其成为紧凑、高效且易于制造的高性能传感器。通过证明单个薄膜可以通过工程手段表现得像一个复杂的、多部分的系统，这项研究为开发能够以空前清晰度聆听世界的下一代麦克风开辟了道路。
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