一种受耳蜗启发的可调压电悬臂阵列微机电系统麦克风：综合研究

像内耳一样聆听

从耳塞到智能音箱，现代设备都依赖将声音转换为电信号的小型麦克风。然而，我们的内耳在许多情况下仍然优于这些设备，尤其擅长在嘈杂且变化的环境中分辨微弱声音。本文介绍了一种直接借鉴人类耳蜗力学的新型芯片级麦克风——耳蜗是我们内耳的螺旋状器官——该器件有望用于未来能像自然听觉一样“调谐”自身的助听器和传感器。

从耳蜗螺旋到微小梁

在哺乳动物的耳朵中，入射声波沿着耳蜗内的基底膜传播。在这条膜的不同位置对不同音高有最大响应，形成了内在的频率映射：高频在基底附近达到峰值，低频在顶端附近达到峰值。作者用芯片上四根微观悬臂梁——细长的硅梁——重现了这一思想。每根梁长度略有不同，因此在大约1.8到2.3千赫的语音重要频段内，各自对不同频率有最强的谐振。当声压使梁弯曲时，梁顶上的压电层会产生电压，就像耳朵内的内毛细胞将运动转换为神经信号一样。

借用耳朵的自我调节技巧

人类听觉并非仅是被动检测。耳蜗中的外毛细胞会在电信号作用下主动改变自身长度，使基底膜的部分区域变得更硬或更松。这既能增强对极弱声音的灵敏度，也能防止对强声的过载。新型麦克风用同一层承担感测功能的压电膜复制了这种自我调节行为。当在梁上选定电极间施加电场时，压电膜会发生微小应变，改变梁的有效刚度。通过用振荡的“泵浦”信号驱动这一效应，研究者可以在不改变物理结构的情况下增大或减小梁的谐振尖锐度——技术上称为品质因数Q。

两种驱动振动的途径

该器件提供两条不同的调谐途径。第一种是将电泵浦信号直接施加到正在监听声波的同一根梁上。此类电能以与梁自然振动频率特定的相位和时间关系注入或抽取梁的运动。根据泵浦的频率和强度，谐振峰可以被变宽并降低（将灵敏度分散到更宽的带宽），在其他模式下又可在不同条件下变得更尖锐。第二种途径利用了微妙的机械悬伸，使相邻梁之间存在弱耦合。电驱动一根梁的能量可通过这种耦合传递到相邻梁，重新分配阵列中的能量，从而进一步调整各梁对声音的响应尖锐度。

芯片上的实测性能

为验证该概念，团队用标准半导体工艺制造了该麦克风：硅上绝缘（SOI）晶圆、薄的氮化铝压电膜以及图案化金属电极。在受控的声学测量中，每根梁都显示出各自的谐振峰和高灵敏度，能以低噪声将微小声压转换为可测电压。关键是，当启动泵浦信号时，梁的有效Q可在很宽的范围内调节——从将其减少超过一半到将其近乎三倍增加——而谐振频率本身几乎不变。这意味着同一微小器件可在需要时表现为一个尖锐的频率滤波器，或在其它情况下表现为更宽、更包容的听觉器件。

这对未来听觉设备的重要性

对日常用户而言，主要结论很简单：这种麦克风能够自适应。在安静环境中，它可以像我们的外毛细胞一样，锐化特定频率以从背景中提取微弱声音。在嘈杂或不可预测的环境中，它可以故意拓宽响应以避免过载并捕获更多语境信息。由于该器件采用与芯片兼容的材料和工艺制造，理论上可与片上电子学和智能算法集成，形成闭环的、类似耳朵的感测系统。尽管当前原型侧重于一个窄的语音相关频带，但相同的设计原理可扩展到整个人类听觉范围。其结果可能是一代新的助听器、人工耳蜗和智能声学传感器，它们更像我们一样聆听——实时为最重要的声音调整自身。

引用: 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

关键词: 仿生麦克风, 压电微机电系统, 耳蜗启发传感器, 助听器, 可调谐谐振器