Гибридный MEMS-микрофон с емкостно-пьезоэлектрическим сигналом и объединением сигналов для повышения отношения сигнал/шум

Лучший звук в меньших устройствах

От видеозвонков до голосовых помощников — крошечные микрофоны окружают нас повсюду. Тем не менее этим компонентам постоянно приходится выделять голоса и тонкие звуки на фоне шипения и помех. В этой статье описывается новый чиповый микрофон, который одновременно «слушает» двумя разными способами и затем умело объединяет полученные сигналы. Сливая эти двойные представления одного и того же звука, устройство может слышать яснее, улучшая качество звука для будущих телефонов, носимых устройств и «умных» гаджетов.

Два способа прослушивания на одном чипе

Большинство современных чиповых микрофонов основаны на одном из двух физических приёмов. Один тип фиксирует, как звук деформирует тонкую вибрирующую мембрану, и превращает это движение в электрический сигнал за счёт меняющегося заряда между пластинами. Другой тип покрывает мембрану специальным материалом, который напрямую генерирует напряжение при сжатии или растяжении. Каждый метод имеет свои плюсы и минусы: один может быть очень чувствительным, но шумным и трудным в производстве; другой тише, но способен пропускать слабые детали. Исследователи поставили задачу объединить оба способа в одной крошечной структуре, чтобы единая входящая звуковая волна фиксировалась двумя разными, взаимодополняющими методами.

Проектирование и изготовление гибридного микрофона

Команда спроектировала круглую мембрану, состоящую из слоёв кремния, металла и тонкой плёнки нитрида алюминия — прочного материала, который создаёт напряжение при деформации. Одна часть этого многослойного стека служит изгибающимся элементом, генерирующим напряжение, тогда как кремниевые слои сверху и снизу ведут себя как пластины крошечного переменного конденсатора. Когда звук попадает в устройство, та же мембрана изгибается, создавая и напряжение в плёнке, и изменение ёмкости между пластинами. Авторы сначала построили упрощённую схемную модель, чтобы предсказать, как взаимодействуют механическое движение, поток воздуха в крошечных отверстиях и электрические отклики. Затем они подтвердили эти предсказания с помощью подробных компьютерных симуляций, отслеживающих движение, напряжения и давление воздуха в микрофоне.

От компьютерной модели к рабочему прототипу

Используя технологию silicon-on-insulator, группа изготовила гибридный микрофон на пластине, подобной используемым при производстве микросхем. Они аккуратно наносили и паттерновали металлические и нитридоалюминиевые слои, травили отверстия и полости под мембраной и применяли специальные методы сушки, чтобы предотвратить прилипание или разрушение деликатной структуры. Готовые устройства смонтировали на печатных платах и протестировали в длинной металлической трубе, обеспечивающей хорошо контролируемое звуковое поле. Подавая на громкоговоритель сигналы разной мощности и измеряя выход, команда показала, что гибридный микрофон более чувствителен в большинстве слышимого диапазона по сравнению с версиями, использующими только один метод датчиков. При распространённом тестовом тоне 1 килогерц гибридный режим дал наибольший отклик на то же звуковое давление.

Очистка сигнала с помощью умного объединения

Однако простое сложение двух необработанных сигналов не дало автоматически наименьшего уровня шума. Электрический путь, используемый для емкостной части, вносит дополнительный фоновый шум, потому что паразитные ёмкости вынуждают усилитель работать в менее благоприятном режиме. Это подняло уровень шума в базовом гибридном выходе, так что он не был явно лучше лучшего одиночного канала. Чтобы преодолеть это, исследователи рассматривали два выхода как отдельные каналы датчиков и применили простую форму объединения сигналов. Они измерили, насколько шумен каждый канал и как сильно коррелируют их шумовые паттерны, затем присвоили разный вес двум сигналам перед их сложением. Поскольку истинный звук присутствует в обоих каналах, а случайный шум в значительной мере независим, взвешенная сумма усиливает общий сигнал и частично компенсирует некоррелированные флуктуации.

Что результаты значат для повседневного звука

При оптимизированных весах объединённый сигнал достиг немного большей ясности, чем любой из методов по отдельности, и значительно лучшей производительности по сравнению с ранними гибридными разработками. Практически это означает, что микрофон может обнаруживать более слабые звуки выше собственного уровня шума и делает это в типичном диапазоне голоса и аудио. Эта работа демонстрирует, что внедрение нескольких принципов сенсорики в одно крошечное устройство с последующим интеллектуальным объединением выходов может вывести качество звука за пределы возможностей любого отдельного подхода. Такие гибридные микрофоны с объединённым сигналом могут помочь будущим потребительским и промышленным продуктам более достоверно улавливать голоса и акустические детали, даже в сложных шумных условиях.

Цитирование: 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

Ключевые слова: MEMS-микрофон, гибридный датчик, пьезоэлектрический, емкостной, объединение сигналов