MEMS麦克风在消费电子和医疗应用等领域备受关注。此外，在高声压级（SPL）应用中，MEMS麦克风也展现出巨大的潜力，例如用于飞机噪声评估和发动机状态监测。根据工作原理，MEMS麦克风可分为电容式、压阻式、压电式，与电容式和压阻式换能原理相比，压电材料的自生电荷机制使其具有更高的能效优势，成为高性能、低功耗MEMS麦克风应用的理想选择。
据麦姆斯咨询报道，近期，北京大学卢奕鹏研究员团队提出一种基于高质量单晶PZT薄膜的压电式MEMS麦克风。通过在压电薄膜中引入肋状结构，制备出的MEMS麦克风在减轻质量的同时保持了刚度和灵敏度，并实现了中心频率的调谐。相关研究成果以“Piezoelectric MEMS microphones based on rib structures and single crystal PZT thin film”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
在这项研究工作中，研究团队提出一种通过在PZT薄膜上蚀刻肋状结构来实现可控质量-频率调谐的方法。通过优化肋状结构，在保持刚度的基础上减轻薄膜质量，从而提升中心频率，改善MEMS麦克风的低频带宽。此外，该方法在相同谐振频率下能够降低弹性模量并提高灵敏度，而该谐振频率通常代表最大声过载点（AOP）。选择PZT薄膜是因其具有较高的密度，仿真结果显示，与氮化铝（AlN）薄膜的频率调谐（5.8%）相比，PZT薄膜可实现更大的频率调谐（24.9%），其较高的介电常数还能在最大应力位置配备较小的电极，同时减轻杂散电容对电增益的影响。
图1 基于肋状结构的压电式MEMS麦克风示意图
图2 压电式MEMS麦克风分析和FEM仿真结果以及工艺流程
研究团队基于肋状结构的圆形薄膜构建了一个具有高计算效率的有限自由度分析模型，用于指导MEMS麦克风设计和频率调谐。阻抗测试实验结果表明，随着肋状结构内半径从0 μm增至340 μm，六个MEMS麦克风的中心频率从74.6 kHz增至106.3 kHz，与解析分析和有限元建模结果吻合良好。尽管中心频率变化较大，但在1 kHz处测得的灵敏度仅在22.3 ~ 25.7 mV/Pa的小范围内变化，表明薄膜刚度变化极小。此外，为提升信噪比（SNR），研究团队基于PZT的极化特性制定了差分输出策略，并设计了两级差分电荷放大器。与单端麦克风相比，差分麦克风可将灵敏度从25.7 mV/Pa提升至36.1 mV/Pa，同时背景噪声从-68.2 dB降至-82.8 dB，从而使信噪比从36.4 dB提高至53.9 dB。
图3 压电式MEMS麦克风分析模型的有效性验证
图4 阻抗和LDV测试结果
图5 差分电荷放大器设计示意图
图6 压电式MEMS麦克风的声学测试结果
综上所述，这项研究证明了基于单晶PZT薄膜实现压电式MEMS麦克风的可行性，提出了一种通过肋状结构调节频率和带宽的方法，提供了先进的分析建模和求解方法，并展示了利用单晶PZT的差分输出来提高麦克风灵敏度的潜力，为压电式MEMS麦克风的设计提供了重要的见解。
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00767-5
延伸阅读：
《微机械超声换能器专利态势分析-2023版》
《MEMS扬声器专利态势分析-2022版》
