Био-вдохновлённый улиткой настраиваемый пьезоэлектрический массив консольных балок MEMS-микрофона: всестороннее исследование

Слушая как внутреннее ухо

Современные устройства — от наушников до умных колонок — зависят от крошечных микрофонов, которые превращают звук в электрические сигналы. Тем не менее наше собственное внутреннее ухо по-прежнему превосходит большинство таких приборов, особенно когда речь идёт о выделении слабых звуков в шумной и быстро меняющейся среде. В этой работе описывается новый микрофон на уровне чипа, прямо вдохновлённый механикой человеческой улитки — спирального органа внутреннего уха — который обещает будущее для слуховых аппаратов и сенсоров, способных «настраиваться» подобно естественному слуху.

От ушной спирали к крошечным балкам

В ухе млекопитающих входящий звук запускает волны вдоль базилярной мембраны внутри улитки. Разные участки этой мембраны откликаются сильнее на разные частоты, формируя встроенную частотную карту: высокие тоны максимальны у основания, низкие — у вершины. Авторы воссоздают эту идею с помощью массива из четырёх микроскопических консольных балок — тонких кремниевых перекладин — на чипе. Каждая балка имеет чуть разную длину, поэтому резонирует лучше на своей частоте в важной речевой полосе примерно от 1,8 до 2,3 килогерц. Когда звуковое давление изгибает балку, специальный пьезоэлектрический слой сверху генерирует электрическое напряжение, подобно тому как внутренние чувствительные клетки уха преобразуют движение в нервные сигналы.

Позимствовав уха самонастраивающийся трюк

Человеческий слух — это не просто пассивный детектор. Внешние волосковые клетки в улитке активно изменяют свою длину в ответ на электрические сигналы, делая участки базилярной мембраны более жёсткими или более гибкими. Это повышает чувствительность к очень тихим звукам и предохраняет от перегрузки при громких. Новый микрофон копирует это самонастраивающееся поведение, используя тот же пьезоэлектрический слой, который выполняет функцию сенсора. Когда через выбранные электроды на балке пропускают электрическое поле, плёнка деформируется, слегка меняя эффективную жёсткость балки. Управляя этим эффектом посредством переменного «накачивающего» сигнала, исследователи могут увеличивать или уменьшать резонансную остроту балки — технически её добротность Q — без изменения физической структуры.

Два способа управлять вибрацией

Устройство предлагает два разных пути настройки. В первом случае электрический накачивающий сигнал подаётся непосредственно на ту же балку, которая принимает звук. Эта электрическая энергия, синхронизированная в определённых соотношениях с собственными частотами вибрации балки, может подводить энергию к движению или забирать её. В зависимости от частоты и силы накачки резонансный пик может стать уже и уменьшенным (распределяя чувствительность на более широкую полосу) или, в других режимах, стать острее при других условиях. Во втором подходе конструкция предусматривает тонкий механический навис, так что соседние балки слабо связаны друг с другом. Электрическое возбуждение одной балки может затем передавать энергию через эту связь соседям, перераспределяя энергию по массиву и дополнительно меняя, насколько резко каждая балка откликается на звук.

Измеренные характеристики на чипе

Чтобы проверить концепцию, команда изготовила микрофон стандартными полупроводниковыми приёмами: на кристалле кремний-на-изоляторе, с тонкой пьезоэлектрической плёнкой нитрида алюминия и паттернировкой металлических электродов. В тщательно контролируемых акустических измерениях каждая балка показывала собственный резонансный пик и высокую чувствительность, преобразуя небольшие звуковые давления в измеримые напряжения при низком уровне шума. Существенно, что при включении накачивающих сигналов эффективная добротность балки могла регулироваться в широких пределах — от уменьшения более чем вдвое до почти тройного увеличения — при том, что сама резонансная частота оставалась практически неизменной. Это означает, что одно и то же крошечное устройство может вести себя как узкополосный фильтр тона при необходимости или как более широкополосный, «терпимый» слушатель в других ситуациях.

Почему это важно для будущего слуха

Для повседневных пользователей главный вывод прост: этот микрофон способен адаптироваться. В тихой обстановке он мог бы действовать как наши внешние волосковые клетки, уточняя отдельные частоты, чтобы извлечь слабые звуки из фона. В громких или непредсказуемых условиях он мог бы сознательно расширять свою полосу ответа, чтобы избежать перегрузки и уловить больше контекста. Поскольку устройство создано с использованием материалов и технологий, дружественных для производства на чипе, его теоретически можно интегрировать с бортовой электроникой и интеллектуальными алгоритмами, формируя замкнутую систему сенсинга, похожую на ухо. Хотя текущий прототип ориентирован на узкую речевую полосу, те же принципы проектирования можно распространить на полный диапазон человеческого слуха. В результате может появиться новое поколение слуховых аппаратов, кохлеарных имплантов и интеллектуальных акустических сенсоров, которые слушают ближе к тому, как слушаем мы сами — настраиваясь в реальном времени на наиболее важные звуки.

Цитирование: Zheng, Z., Ke, Q., Luo, H. et al. A cochlea bio-inspired tunable piezoelectric cantilever array MEMS microphone: comprehensive study. Microsyst Nanoeng 12, 112 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01232-1

Ключевые слова: био-вдохновлённый микрофон, пьезоэлектрический MEMS, датчик, вдохновлённый улиткой, слуховые аппараты, настраиваемый резонатор