ميكروفون MEMS هجين سعوي-بيزوإلكتروني مع دمج إشارات لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء

صوت أفضل من أجهزة أصغر

من مكالمات الفيديو إلى المساعدين الصوتيين، توجد ميكروفونات صغيرة في كل مكان. ومع ذلك، تكافح هذه المكونات باستمرار لتمييز الأصوات والهمسات الدقيقة وسط الخلفية من الهس والهُمهمة. تصف هذه المقالة نوعًا جديدًا من الميكروفونات بحجم الشريحة يستمع بطريقتين مختلفتين في آنٍ واحد ثم يجمع الإشارتين بذكاء. من خلال دمج هذين المنظورين المزدوجين للصوت نفسه، يمكن للجهاز السماع بوضوح أكبر، مما يعزز جودة الصوت للهواتف القادمة والأجهزة القابلة للارتداء والأجهزة الذكية.

طريقتان للاستماع على شريحة واحدة

تعتمد معظم الميكروفونات الشبيهة بالشرائح الحديثة على خدعتين فيزيائيتين. نوع واحد يستشعر كيف ينحني غشاء رقيق مهتز ويحوله ذلك إلى إشارة كهربائية عبر تغير الشحنة الكهربائية بين الصفائح. النوع الآخر يكسو الغشاء بمادة خاصة تولد جهدًا مباشرةً عند الضغط أو الشد. لكل طريقة مزايا ونقاط ضعف: قد تكون إحداها حساسة جدًا لكنها صاخبة وصعبة التصنيع؛ والأخرى أكثر هدوءًا لكنها قد تفوت التفاصيل الضعيفة. شرع الباحثون في دمج طريقتي الاستشعار داخل بنية واحدة دقيقة حتى يتم تسجيل موجة صوتية واردة واحدة بطرقتين مختلفتين ومتكاملتين.

تصميم وبناء الميكروفون الهجين

صمّم الفريق غشاءً دائريًا مكوّنًا من طبقات من السيليكون والمعدن وغشاء رقيق من نيتريد الألومنيوم، مادة قوية تولد جهدًا عند تشوّهها. تعمل إحدى طبقات هذا التراكم كعنصر انحناء يُنتج جهدًا، بينما تعمل طبقات السيليكون أعلاه وأسفله كصفائح لمكثف متغير صغير. عندما يدخل الصوت الجهاز، ينثني نفس الغشاء مسببًا كلًا من إنتاج جهد في الغشاء وتغيرًا في السعة بين الصفائح. بنى المؤلفون أولًا نموذجًا مبسّطًا على شكل دائرة للتنبؤ بكيفية تفاعل الحركة الميكانيكية وتدفّق الهواء في الفتحات الدقيقة والاستجابات الكهربائية. ثم أكدوا هذه التنبؤات باستخدام محاكاة حاسوبية مفصلة تتبّع الحركة والإجهاد وضغط الهواء عبر الميكروفون.

من النموذج الحاسوبي إلى النموذج الأولي العامل

باستخدام تصنيع سيليكون-على-عازل، صنع الفريق الميكروفون الهجين على رقاقة مشابهة لتلك المستخدمة في شرائح الحاسوب. وضعوا ونقشوا بعناية طبقات المعدن ونيتريد الألومنيوم، ونقشوا ثقوبًا وتجويفات تحت الغشاء، واستخدموا تقنيات تجفيف متخصصة لمنع التصاق أو انهيار البنية الحساسة. رُكّبت الأجهزة النهائية على لوحات دوائر واختُبرت في أنبوب معدني طويل يوفر مجال صوتي مضبوطًا جيدًا. من خلال تشغيل مكبر صوت عند مستويات مختلفة وقياس المخرج، أظهر الفريق أن الميكروفون الهجين أكثر حساسية عبر معظم النطاق المسموع مقارنةً بالإصدارات التي تستخدم طريقة استشعار واحدة فقط. عند نغمة اختبار شائعة ترددها 1 كيلو هرتز، قدّم الوضع الهجين أقوى استجابة لنفس ضغط الصوت.

تنقية الإشارة بالجمع الذكي

إضافة الإشارتين الخام ببساطة لم تُعطِ بالضرورة أدنى ضوضاء. المسار الكهربائي المستخدم للجزء السعوي يضيف ضوضاء خلفية إضافية لأن السعات الشاردة تجبر المضخم على العمل في نطاق أقل ملاءمة. رفع هذا مستوى الضوضاء في المخرج الهجين الأساسي بحيث لم يكن أفضل بوضوح من أفضل قناة أحادية الوضع. لتجاوز ذلك، عالج الباحثون المخرجات كقناتين حساسيتين منفصلتين وطبّقوا شكلًا بسيطًا من دمج الإشارات. قاسوا مدى ضوضاء كل قناة ومدى ارتباط أنماط الضوضاء بينها، ثم خصّصوا أوزانًا مختلفة للإشارتين قبل جمعهما. لأن الصوت الحقيقي مشترك بين القناتين بينما الضوضاء العشوائية مستقلة إلى حد كبير، فإن المجموع الموزون يعزز الإشارة المشتركة بينما يلغي جزئيًا التقلّبات غير المترابطة.

ماذا تعني النتائج للصوت اليومي

مع الوزن المحسّن، حقق الإشارة المدمجة وضوحًا أعلى قليلًا من أي وضع استشعار بمفرده وأداءً أفضل بشكل ملحوظ من التصاميم الهجينة السابقة. عمليًا، يمكن للميكروفون الكشف عن الأصوات الأضعف فوق ضوضائه الداخلية، ويفعل ذلك عبر نطاق ترددات الصوت والصوت البشري النموذجي. تُظهر هذه العمل أنه من خلال بناء مبادئ استشعار متعددة في جهاز صغير واحد ثم دمج مخرجاتها بذكاء، يمكن دفع جودة الصوت أبعد مما تقدمه أي طريقة منفردة. قد تساعد هذه الميكروفونات الهجينة ذات الإشارات المدمجة المنتجات الاستهلاكية والصناعية المستقبلية على التقاط الأصوات والتفاصيل الصوتية بأمانة أكبر، حتى في بيئات صاخبة وصعبة.

الاستشهاد: Guan, Y., Schneider, M., Li, D. et al. A capacitive-piezoelectric hybrid MEMS microphone with signal fusion for enhancing signal-to-noise ratio. Microsyst Nanoeng 12, 136 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01251-y

الكلمات المفتاحية: ميكروفون MEMS, مستشعر هجين, بيزوإلكتروني, سعوي, دمج الإشارات