基于压阻式悬臂梁的低频高灵敏MEMS麦克风助力健康监测应用

据麦姆斯咨询报道，近日，日本产业技术综合研究所（AIST）和庆应义塾大学（Keio University）的研究人员组成的团队在Scientific Reports期刊上发表了题为“Highly sensitive low-frequency-detectable acoustic sensor using a piezoresistive cantilever for health monitoring applications”的论文，提出了一种基于压阻式悬臂梁的MEMS麦克风，通过设计极其容易弯曲的结构在0.1 - 250 Hz的频率范围内实现了约0.2 mPa的分辨率，这是迄今为止报道的基于MEMS的声学传感器的最高值。该文所提出的MEMS麦克风有望在可穿戴健康监测、自然灾害监测和高分辨率光声气体传感器的研发等各种应用中发挥作用。

将声波转换为电信号的麦克风在各种应用中是不可或缺的，例如消费电子产品、汽车、助听器、可穿戴健康监测、基于光声效应的气体传感以及火山爆发、泥石流和地震等自然灾害的监测。目前存在两种广泛使用的麦克风类型：传统的驻极体电容式麦克风和基于微机电系统（MEMS）的麦克风。与驻极体电容式麦克风相比，MEMS麦克风能够以更小的尺寸提供更好的性能，因此，其更适用于麦克风尺寸是关键设计参数的应用，例如智能手机、入耳式耳机、可穿戴设备和气体传感设备等。

决定麦克风性能的一个主要因素是信噪比（SNR），这也表示麦克风可以检测到的最小声压。近年来，人们在提高MEMS麦克风的信噪比方面已经做出了显著的努力，传统MEMS麦克风的信噪比高达74 dB，相当于可检测到的最小声压约为0.32 mPa。值得注意的是，传统MEMS麦克风的高信噪比仅在可听频率范围（20 Hz – 20 kHz）内获得，这是大多数消费电子和汽车应用的测量目标。

然而，在低频范围（<20 Hz）内具有高信噪比的MEMS麦克风的需求最近有所增加。例如，与自然灾害有关的声音频率通常在次声频率范围内（0.01 – 20 Hz）。在健康监测应用中，心音的期望频率范围为10 – 250 Hz，“地震心动图”的期望频率为1 – 30 Hz。此外，与呼吸活动有关的声音的频率分量可能低于1 Hz。在基于非谐振光声的气体传感器中，由于光声压随着入射光调制频率的降低而增加，因此提高低频声音探测的信噪比可使这些传感器的信噪比提高。不幸的是，对于低于20 Hz的频率，传统MEMS麦克风的信噪比会随着声音频率的降低而显著下降。

基于此，本项研究工作旨在实现一种在0.1 – 250 Hz的低频范围内具有高信噪比的MEMS麦克风。所提出的MEMS麦克风基于一种纳米级厚度的压阻式悬臂梁，如图1A所示。当声压施加到悬臂梁上时，悬臂梁会弯曲，从而导致电阻发生变化。因此，通过测量悬臂梁的电阻即可检测声压。在之前的研究中，压阻式悬臂梁被用于测量压差和低频声音信号。这些悬臂梁即使在低于1 Hz的频率下也能保持平坦的频率响应。然而，之前的压阻式悬臂梁的信噪比仍然较差，这是由于其对压差（约20 mPa）的响应分辨率较低造成的。在本项研究工作中，通过设计一种具有大承压平板和窄长悬臂铰链的悬臂梁，MEMS麦克风可以实现对声压响应的高灵敏度，并且在1 Hz频率下的最小可检测声压低至200 μPa。本研究探讨了所提出的MEMS麦克风的设计、制造和性能评估。此外，本研究还演示了使用原型器件测量心音。

基于压阻式悬臂梁的MEMS麦克风的设计参数如图1B所示。MEMS麦克风的制造工艺流程如图2所示。厚度为0.34/0.4/250 μm的绝缘体上硅（silicon-on-insulator，SOI）晶圆被用于制造MEMS麦克风。制造的悬臂梁的SEM图像如图1C所示。悬臂梁的初始电阻约为5.4 kΩ。

图1 基于压阻式悬臂梁的MEMS麦克风设计原理及设计参数

图2 基于压阻式悬臂梁的MEMS麦克风制造工艺流程

研究人员使用图3A所示的实验设置评估了制造的基于压阻式悬臂梁的MEMS麦克风响应声波的灵敏度和信噪比。实验设置如图3B所示。为了进行对比测量，将制造的MEMS麦克风和参考麦克风（丹麦奈鲁姆Brüel & Kjær的4955型）放置在与扬声器（日本东京Kenwood Corp.的KFC-XS174S）相同的1厘米距离处。在1 - 1000 Hz的频率范围内，所测得的MEMS麦克风的灵敏度及其噪声谱密度（NSD）如图3C所示。图3D显示了推导出的MEMS麦克风的信噪比。在1 – 250 Hz的频率范围内，信噪比约为80 dB/Pa。

此外，研究人员通过改变施加的声压和测量悬臂梁电阻的变化来评估MEMS麦克风输出的线性度。在测量过程中，施加声音的频率固定为30 Hz，施加在扬声器上的电压在0.5 - 10 V范围内变化。测量数据的示例如图3E所示。声压是直接从参考麦克风的测量信号中计算出来的。悬臂梁的电阻变化与施加声压的关系如图3F所示。

图3 评估MEMS麦克风对声波的灵敏度和信噪比的实验设置及测量结果

研究人员使用气压差进行了另一次测量，以研究基于压阻式悬臂梁的MEMS麦克风在低于5 Hz频率下的响应（图4A）。该MEMS麦克风和参考压力传感器的测量结果及其频谱（采用快速傅里叶变换获得）如图4B所示。结果表明，基于压阻式悬臂梁的MEMS麦克风即使在低频范围内也具有高灵敏度，其结果与声波实验（图3）的结果一致。

图4 评估MEMS麦克风在低频下性能的实验设置及测量结果

研究人员使用制造的压阻式悬臂梁来测量心音，以演示所提出的MEMS麦克风在健康监测中的应用。将制造的压阻式悬臂梁芯片附着在受试者（37岁男性）胸部的3d打印夹具上，如图5A所示。持续50秒测量的原始数据如图5B所示。在15-17秒的持续时间内记录的心音的小波尺度谱图和放大视图如图5C和5D所示。图5E显示了心音单个周期的放大视图。从小波尺度谱图来看，第一心音（S1）和第二心音（S2）的主要频率范围分别为7 - 100 Hz和20 - 45 Hz。此外，记录信号的高信噪比有助于计算每次心跳的S1峰值时间。通过此计算可以得到受试者每次心跳的心率，如图5F所示。基于上述测量结果，所提出的基于压阻式悬臂梁的MEMS麦克风是可穿戴心音监测设备的一种理想选择。

图5 使用MEMS麦克风原型测量受试者的心音及测量结果

综上所述，本项研究工作调查了基于MEMS的麦克风设计，这类MEMS麦克风可以在0.1 - 250 Hz的频率范围内实现约0.2 mPa的分辨率，这是迄今为止报道的基于MEMS的声学传感器的最高值。本论文所提出的MEMS麦克风的高性能是由压阻式悬臂梁实现的，该悬臂梁的厚度为340 nm，并具有一个300 μm宽的承压平板和两个10 μm宽、200 μm长的悬臂铰链。这种极其容易弯曲的结构使悬臂梁获得了超过10⁻² Pa⁻¹的灵敏度，这比以前具有类似厚度的悬臂梁设计高出40倍。测量结果表明，与参考商用麦克风相比，这款基于压阻式悬臂梁的MEMS麦克风在检测低频声音方面具有更出色的信噪比。研究人员使用这款MEMS麦克风展示了信噪比高达58 dB的心音测量。这款MEMS麦克风有望在可穿戴健康监测、自然灾害监测和高分辨率光声气体传感器的研发等各种应用中发挥作用。

审核编辑：刘清