據麥姆斯咨詢報道，近日，日本產業技術綜合研究所（AIST）和慶應義塾大學（Keio University）的研究人員組成的團隊在Scientific Reports期刊上發表了題為“Highly sensitive low-frequency-detectable acoustic sensor using a piezoresistive cantilever for health monitoring applications”的論文，提出了一種基于壓阻式懸臂梁的MEMS麥克風，通過設計極其容易彎曲的結構在0.1 - 250 Hz的頻率范圍內實現了約0.2 mPa的分辨率，這是迄今為止報道的基于MEMS的聲學傳感器的最高值。該文所提出的MEMS麥克風有望在可穿戴健康監測、自然災害監測和高分辨率光聲氣體傳感器的研發等各種應用中發揮作用。

將聲波轉換為電信號的麥克風在各種應用中是不可或缺的，例如消費電子產品、汽車、助聽器、可穿戴健康監測、基于光聲效應的氣體傳感以及火山爆發、泥石流和地震等自然災害的監測。目前存在兩種廣泛使用的麥克風類型：傳統的駐極體電容式麥克風和基于微機電系統（MEMS）的麥克風。與駐極體電容式麥克風相比，MEMS麥克風能夠以更小的尺寸提供更好的性能，因此，其更適用于麥克風尺寸是關鍵設計參數的應用，例如智能手機、入耳式耳機、可穿戴設備和氣體傳感設備等。

決定麥克風性能的一個主要因素是信噪比（SNR），這也表示麥克風可以檢測到的最小聲壓。近年來，人們在提高MEMS麥克風的信噪比方面已經做出了顯著的努力，傳統MEMS麥克風的信噪比高達74 dB，相當于可檢測到的最小聲壓約為0.32 mPa。值得注意的是，傳統MEMS麥克風的高信噪比僅在可聽頻率范圍（20 Hz – 20 kHz）內獲得，這是大多數消費電子和汽車應用的測量目標。

然而，在低頻范圍（<20 Hz）內具有高信噪比的MEMS麥克風的需求最近有所增加。例如，與自然災害有關的聲音頻率通常在次聲頻率范圍內（0.01 – 20 Hz）。在健康監測應用中，心音的期望頻率范圍為10 – 250 Hz，“地震心動圖”的期望頻率為1 – 30 Hz。此外，與呼吸活動有關的聲音的頻率分量可能低于1 Hz。在基于非諧振光聲的氣體傳感器中，由于光聲壓隨著入射光調制頻率的降低而增加，因此提高低頻聲音探測的信噪比可使這些傳感器的信噪比提高。不幸的是，對于低于20 Hz的頻率，傳統MEMS麥克風的信噪比會隨著聲音頻率的降低而顯著下降。

基于此，本項研究工作旨在實現一種在0.1 – 250 Hz的低頻范圍內具有高信噪比的MEMS麥克風。所提出的MEMS麥克風基于一種納米級厚度的壓阻式懸臂梁，如圖1A所示。當聲壓施加到懸臂梁上時，懸臂梁會彎曲，從而導致電阻發生變化。因此，通過測量懸臂梁的電阻即可檢測聲壓。在之前的研究中，壓阻式懸臂梁被用于測量壓差和低頻聲音信號。這些懸臂梁即使在低于1 Hz的頻率下也能保持平坦的頻率響應。然而，之前的壓阻式懸臂梁的信噪比仍然較差，這是由于其對壓差（約20 mPa）的響應分辨率較低造成的。在本項研究工作中，通過設計一種具有大承壓平板和窄長懸臂鉸鏈的懸臂梁，MEMS麥克風可以實現對聲壓響應的高靈敏度，并且在1 Hz頻率下的最小可檢測聲壓低至200 μPa。本研究探討了所提出的MEMS麥克風的設計、制造和性能評估。此外，本研究還演示了使用原型器件測量心音。

基于壓阻式懸臂梁的MEMS麥克風的設計參數如圖1B所示。MEMS麥克風的制造工藝流程如圖2所示。厚度為0.34/0.4/250 μm的絕緣體上硅（silicon-on-insulator，SOI）晶圓被用于制造MEMS麥克風。制造的懸臂梁的SEM圖像如圖1C所示。懸臂梁的初始電阻約為5.4 kΩ。

圖1 基于壓阻式懸臂梁的MEMS麥克風設計原理及設計參數

圖2 基于壓阻式懸臂梁的MEMS麥克風制造工藝流程

研究人員使用圖3A所示的實驗設置評估了制造的基于壓阻式懸臂梁的MEMS麥克風響應聲波的靈敏度和信噪比。實驗設置如圖3B所示。為了進行對比測量，將制造的MEMS麥克風和參考麥克風（丹麥奈魯姆Brüel & Kj?r的4955型）放置在與揚聲器（日本東京Kenwood Corp.的KFC-XS174S）相同的1厘米距離處。在1 - 1000 Hz的頻率范圍內，所測得的MEMS麥克風的靈敏度及其噪聲譜密度（NSD）如圖3C所示。圖3D顯示了推導出的MEMS麥克風的信噪比。在1 – 250 Hz的頻率范圍內，信噪比約為80 dB/Pa。

此外，研究人員通過改變施加的聲壓和測量懸臂梁電阻的變化來評估MEMS麥克風輸出的線性度。在測量過程中，施加聲音的頻率固定為30 Hz，施加在揚聲器上的電壓在0.5 - 10 V范圍內變化。測量數據的示例如圖3E所示。聲壓是直接從參考麥克風的測量信號中計算出來的。懸臂梁的電阻變化與施加聲壓的關系如圖3F所示。

圖3 評估MEMS麥克風對聲波的靈敏度和信噪比的實驗設置及測量結果

研究人員使用氣壓差進行了另一次測量，以研究基于壓阻式懸臂梁的MEMS麥克風在低于5 Hz頻率下的響應（圖4A）。該MEMS麥克風和參考壓力傳感器的測量結果及其頻譜（采用快速傅里葉變換獲得）如圖4B所示。結果表明，基于壓阻式懸臂梁的MEMS麥克風即使在低頻范圍內也具有高靈敏度，其結果與聲波實驗（圖3）的結果一致。

圖4 評估MEMS麥克風在低頻下性能的實驗設置及測量結果

研究人員使用制造的壓阻式懸臂梁來測量心音，以演示所提出的MEMS麥克風在健康監測中的應用。將制造的壓阻式懸臂梁芯片附著在受試者（37歲男性）胸部的3d打印夾具上，如圖5A所示。持續50秒測量的原始數據如圖5B所示。在15-17秒的持續時間內記錄的心音的小波尺度譜圖和放大視圖如圖5C和5D所示。圖5E顯示了心音單個周期的放大視圖。從小波尺度譜圖來看，第一心音（S1）和第二心音（S2）的主要頻率范圍分別為7 - 100 Hz和20 - 45 Hz。此外，記錄信號的高信噪比有助于計算每次心跳的S1峰值時間。通過此計算可以得到受試者每次心跳的心率，如圖5F所示。基于上述測量結果，所提出的基于壓阻式懸臂梁的MEMS麥克風是可穿戴心音監測設備的一種理想選擇。

圖5 使用MEMS麥克風原型測量受試者的心音及測量結果

綜上所述，本項研究工作調查了基于MEMS的麥克風設計，這類MEMS麥克風可以在0.1 - 250 Hz的頻率范圍內實現約0.2 mPa的分辨率，這是迄今為止報道的基于MEMS的聲學傳感器的最高值。本論文所提出的MEMS麥克風的高性能是由壓阻式懸臂梁實現的，該懸臂梁的厚度為340 nm，并具有一個300 μm寬的承壓平板和兩個10 μm寬、200 μm長的懸臂鉸鏈。這種極其容易彎曲的結構使懸臂梁獲得了超過10?2 Pa?1的靈敏度，這比以前具有類似厚度的懸臂梁設計高出40倍。測量結果表明，與參考商用麥克風相比，這款基于壓阻式懸臂梁的MEMS麥克風在檢測低頻聲音方面具有更出色的信噪比。研究人員使用這款MEMS麥克風展示了信噪比高達58 dB的心音測量。這款MEMS麥克風有望在可穿戴健康監測、自然災害監測和高分辨率光聲氣體傳感器的研發等各種應用中發揮作用。

審核編輯：劉清