一种用于增强信噪比的电容-压电混合 MEMS 麦克风及信号融合

更小设备、更好音质

从视频通话到语音助手，小型麦克风无处不在。然而，这些组件在从嘶嘶声和嗡嗡声的背景中分辨出人声和微弱声音时经常遇到困难。本文介绍了一种新型芯片级麦克风，它同时以两种不同方式“聆听”，然后巧妙地将信号合并。通过融合对同一声音的双重视角，该器件能够更清晰地听到声音，从而提升未来手机、可穿戴设备和智能终端的音质。

同一芯片上的两种聆听方式

大多数现代芯片麦克风依赖两种物理机制中的一种。一类通过感测声音使薄膜振动并利用板间电荷变化将这种运动转换为电信号；另一类在薄膜上涂覆一种特殊材料，该材料在受压或拉伸时直接产生电压。每种方法各有优缺点：一种可能非常灵敏但噪声大且制造困难；另一种噪声较低但可能漏失微弱细节。研究者们着手将这两种传感方法结合到一个微小结构中，使单一入射声波以两种不同且互补的方式被记录下来。

混合麦克风的设计与制造

团队设计了一个由硅、金属和一层薄铝氮化物组成的圆形薄膜结构，铝氮化物是一种在变形时会产生电压的坚固材料。该层叠结构的一部分作为产生电压的弯曲元件，而上下的硅层则作为微小可变电容的电极板。当声音进入器件时，相同的薄膜发生弯曲，既在薄膜中产生电压，又在电极板之间引起电容变化。作者首先构建了一个简化的电路式模型，以预测机械运动、微小孔隙中的气流和电响应如何相互作用。随后他们用详细的计算机仿真确认了这些预测，仿真跟踪了麦克风内的运动、应力和气压分布。

从计算模型到工作原型

利用绝缘体硅片（silicon-on-insulator）工艺，该团队在与计算机芯片类似的晶圆上制造了混合麦克风。他们精细地沉积并刻蚀金属与铝氮化物层，在薄膜下方蚀刻出孔洞和腔体，并采用专门的干燥技术以防止脆弱结构粘连或塌陷。成品器件被安装在电路板上，并在一根长金属管中进行测试，以提供受控的声场。通过以不同声压驱动扬声器并测量输出，团队表明混合麦克风在大多数可听频段比仅使用单一传感方式的器件更灵敏。在常见的 1 千赫兹测试音下，混合模式对相同声压的响应最强。

通过智能组合净化信号

然而，简单地将两路原始信号相加并不能自动获得最安静的结果。用于电容部分的电气路径会引入额外背景噪声，因为寄生电容迫使放大器在不太理想的工作区运行。这提高了基础混合输出的噪声底，使其未必明显优于最佳的单通道。为克服这一点，研究者将两路输出视为独立的传感通道，并应用了一种简单的信号融合方法。他们测量了每个通道的噪声水平及其噪声模式的相关性，然后在相加前对两路信号赋予不同权重。由于真实声音在两路中共享而随机噪声在很大程度上相互独立，带权重的和放大了共同的信号，同时部分抵消了不相关的波动。

这些结果对日常声音的意义

通过优化权重后，融合后的信号比任一单一感测模式都略有更高的清晰度，并且显著优于早期的混合设计。在实际意义上，麦克风能够在其内部噪声之上检测到更微弱的声音，并且在典型的人声和音频频率范围内均表现良好。这项工作证明，将多种感测原理构建到单一微型器件中并智能地组合其输出，可以将音质提升到任何单一方法无法达到的水平。这样的混合型、融合信号麦克风有望帮助未来的消费和工业产品在嘈杂环境中更忠实地捕捉人声和声学细节。

引用: 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

关键词: MEMS 麦克风, 混合传感器, 压电, 电容式, 信号融合