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仿生MEMS压电定向麦克风：宽带声源定位与低噪声优化研究

作者及机构
本研究由韩国技术教育大学（Korea University of Technology and Education）的Ashiqur Rahaman与Byungki Kim合作完成，成果发表于*Scientific Reports*期刊（2020年，卷10，文章编号9545）。

学术背景
声源定位（Sound Source Localization, SSL）是机器人、安防系统及助听器（Hearing Aid, HA）等远场声学应用的核心需求。传统SSL技术依赖多麦克风阵列的到达时间差（Time Difference of Arrival, TDOA），存在体积大、计算复杂度高、信噪比（SNR）低等问题。而寄生蝇*Ormia ochracea*的听觉器官因其卓越的方向性和低噪声特性，成为仿生麦克风设计的灵感来源。然而，现有仿生麦克风多限于单频工作（如5 kHz），难以满足宽带声源定位需求。本研究旨在开发一种基于压电MEMS技术的仿生定向麦克风（Bio-inspired Directional Microphone, BDM），通过改进机械模型与噪声优化，实现宽带SSL及低噪声性能。

研究流程与方法
1. 机械模型改进与仿真
- 模型设计：基于*Ormia ochracea*的听觉结构（两片鼓膜通过桥接耦合），研究团队提出改进模型：采用两个矩形振膜，通过四根扭转梁（torsional beams）支撑，背面蚀刻以降低噪声。
- 耦合机制：通过弹簧-质量-阻尼系统模拟振膜的机械耦合，推导运动方程（公式1-4），分析振膜在摇摆模式（rocking mode, 7.3 kHz）和弯曲模式（bending mode, 12.8 kHz）下的相位差与幅度差。
- 仿真验证：通过Laplace变换求解频域响应，证明右振膜在0°声源入射时幅度始终高于左振膜（图1d），符合理想压力梯度传感器的余弦依赖性。

1. 器件制备与工艺

   • 制造工艺：采用商用MEMS工艺（PiezoMUMPs，Memscap Inc.），以氮化铝（AlN）作为压电材料，利用d33模式（应力-应变方向为3-3）增强信号灵敏度。
     
   • 结构优化：振膜尺寸为1770 μm × 1100 μm，扭转梁长度225 μm，通过优化降低热-电噪声（图5a）。
     

2. 实验测量与验证

   • 频率响应测试：在消声室中，以94 dB SPL声压激励麦克风，测量6.9 kHz（摇摆模式）和12.4 kHz（弯曲模式）的响应，与仿真结果偏差分别为5.5%和3.4%（图2c-d）。
     
   • 方向性测试：旋转麦克风（0°–360°），验证余弦依赖性（图3b-f）。右振膜在90°–270°区间响应更高，左振膜在其余区间占优，与理论一致。
     
   • 噪声优化：通过AlN的低介电损耗（tanδ=0.002）和d33模式的高电极间距，将等效输入噪声（Equivalent-Input Noise, EIN）降至25.52 dB SPL（1 kHz），A计权噪声<23 dBA（图5b）。
     

3. 声源定位算法

   • 逻辑设计：基于振膜间灵敏度差（MISD=VR−VL）判断声源方向（公式8），结合余弦修正算法解决“离轴”定位问题（表1）。
     
   • 实时演示：通过LabVIEW接口实现声源检测与角度定位（视频文件sv_2.mp4/sv_3.mp4）。
     

主要结果
1. 宽带SSL性能：在1 kHz、6.9 kHz、10 kHz、12.4 kHz均实现±7.05°以内的定位精度（表1）。
2. 低噪声特性：EIN为25.52 dB SPL（接近人耳听阈），A计权噪声较同类器件降低50%以上（表2）。
3. 方向性匹配：实测方向性与理想压力梯度传感器仿真高度吻合（图3c-f）。

结论与价值
本研究首次将压电MEMS麦克风的SSL能力扩展至宽带（1–13 kHz），并通过AlN/d33模式组合实现超低噪声。其科学价值在于：
- 机械耦合机制：揭示了振膜间相位差与幅度差对SSL的协同作用。
- 应用潜力：适用于助听器、机器人导航等需高精度声源定位的场景。

研究亮点
1. 创新模型：改进的机械耦合结构突破单频限制，实现宽带SSL。
2. 工艺优化：AlN/d33模式组合将噪声降至同类器件最低水平。
3. 算法改进：余弦修正算法解决“离轴”定位难题，提升实用性。

其他价值
研究还提供了完整的MEMS制造参数（补充表S1-S2），为后续仿生声学传感器设计奠定基础。