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北京大学卢奕鹏团介绍了一种基于高质量单晶PZT薄膜的压电麦克风设计、制造和测试，通过在薄膜上制备扇形结构来降低质量并保持刚度，从而调节谐振频率和带宽，同时建立了高效的理论模型和求解方案，与有限元仿真和阻抗测试结果相符，并验证了谐振频率调谐范围为76.4 kHz ~ 106.3 kHz。此外，基于单晶PZT材料的极化特性设计了差分电极与相匹配的两级差分电荷放大器，通过分别施加相反方向的极化电压，差分电极输出与单电极输出相比SNR可从36.4 dB提升到53.9 dB，从而为压电麦克风的设计提供参考。
文章亮点
•设计并验证了基于扇形薄膜结构的质量-频率调控方法，可在保持刚度同时拓展带宽。
•建立了高效的扇形拓扑薄膜理论模型，并通过有限元仿真和阻抗测试进行了验证。
•展示了基于单晶PZT扇形薄膜的压电麦克风，并利用其极化特性构建了差分电极，提高了灵敏度并降低了本底噪声。
研究背景及目的
MEMS麦克风通常具有两个主要的设计思路，即提高声学过载点AOP和提高灵敏度，前者可降低高声压下的谐波失真，后者可提高声信号拾取能力。然而AOP和灵敏度代表着截然相反的刚度要求，并导致显著的带宽变化，对于四周固支薄膜，刚度与质量和谐振频率相关，因此该研究基于薄膜拓扑结构的质量-频率调控方法可为麦克风设计提供指导。此外，灵敏度可用差分电极的方式提高，单晶PZT压电材料具有特殊的极化特性，可在单个器件上配置差分输出。
MEMS麦克风主要可分为电容式、压阻式和压电式三种，与电容式和压阻式相比，压电材料自产生电荷这一机制具有能效优势，此外，压电单层膜的结构确保了在高声压级下有更好的线性度和最小的谐波失真。AlN、ZnO和PZT是三种常用的压电材料，由于AlN和ZnO介电常数较小，通常需要较大的电极面积以减小寄生电容带来的性能损失，从而失去电极设计灵活性。而PZT则允许电极分布在应力集中区域，并可通过铁电极化特性构建差分输出以提高灵敏度。
研究内容
文内表3
文章针对高声压麦克风设计了不同尺寸的扇形薄膜结构，以在维持刚度的同时减小质量，提高谐振频率从而拓展带宽。首先建立了扇形薄膜的理论模型及求解方案，并与有限元仿真结果比较，其次通过阻抗测试及激光多普勒振动测试验证了频率调控行为，即在扇形内径从0 μm变化至340 μm时，谐振频率可相应的从76.4 kHz提升至106.3 kHz。另外，基于单晶PZT叠层设计了差分电极，通过阻抗曲线提取了器件电容并设计了两级差分放大电路，相对于单端器件SNR从36.4 dB提升到53.9 dB，实验结果表明本器件具有高声压下的应用潜力。
未来展望
由于扇形薄膜的特殊结构，高阶谐振模态可能会被激发，表现为高阶谐振幅值大于基频谐振幅值，其对麦克风性能影响可进一步分析，此外文章中所提出的扇形薄膜结构也具有应用于Ormia Ochracea系列仿生麦克风的潜力。
作者及实验室介绍
第一作者：
尤志伟，北京大学集成电路学院。主要研究领域为低频PMUT换能器、CMOS-MEMS集成技术、微纳米结构制造等。
通讯作者：
卢奕鹏，北京大学集成电路学院。主要研究领域为压电MEMS、超声MEMS、传感器与执行器的设计、微加工、系统集成以及相关智能微纳系统在消费电子、智能家居、自动驾驶、医疗健康等领域的应用。
实验室简介：
北京大学集成电路学院目前已建有国家集成电路产教融合创新平台、微纳电子器件与集成技术全国重点实验室、微米纳米加工技术全国重点实验室、微电子器件与电路教育部重点实验室、集成电路高精尖创新中心、集成电路科学与未来技术北京实验室等多个国家、省部级创新研究平台，以及“后摩尔时代微纳电子学科创新引智基地”等国际合作平台，拥有国际一流水平的微纳加工与集成、器件/芯片/微系统设计与测试的前沿研究环境。
实验室链接：
https://ic.pku.edu.cn
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编辑：郭潇威
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