麥克風(fēng)作為將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號的核心傳感器，其性能指標(biāo)對最終音頻質(zhì)量至關(guān)重要。在傳統(tǒng)電容式MEMS麥克風(fēng)占據(jù)主導(dǎo)地位的今天，壓電式MEMS麥克風(fēng)憑借其獨特的優(yōu)勢，尤其是在實現(xiàn)高聲學(xué)過載點方面的卓越能力，正在特定的應(yīng)用場景中嶄露頭角，成為解決高聲壓級環(huán)境下拾音難題的關(guān)鍵技術(shù)。

什么是AOP？

AOP代表聲學(xué)過載點。它衡量的是麥克風(fēng)能夠處理而不產(chǎn)生顯著失真（通常指總諧波失真達(dá)到10%時）的最大聲壓級。

重要性：高AOP意味著麥克風(fēng)能夠在非常嘈雜的環(huán)境中（如音樂會現(xiàn)場、工業(yè)環(huán)境、靠近聲源處）清晰地拾取聲音，而不會因為聲音過大導(dǎo)致信號削波失真。這對于捕捉高動態(tài)范圍的聲音至關(guān)重要。

壓電MEMS麥克風(fēng)的核心原理

與傳統(tǒng)電容式MEMS麥克風(fēng)利用可動極板與背板之間電容變化感測聲音不同，壓電MEMS麥克風(fēng)的工作原理基于壓電效應(yīng)：

壓電材料層：麥克風(fēng)的振膜或懸臂梁結(jié)構(gòu)中集成了具有壓電特性的薄膜材料（常用材料包括氮化鋁、氧化鋅、鋯鈦酸鉛等）。

聲壓作用：當(dāng)聲波作用于振膜時，引起振膜產(chǎn)生微小的機械形變（彎曲或拉伸/壓縮）。

電荷生成：壓電材料在受到機械應(yīng)力時，其內(nèi)部會產(chǎn)生與應(yīng)力成正比的電荷分離（正負(fù)電荷中心偏移），從而在材料兩端產(chǎn)生電壓差。

電信號輸出：這個電壓差（或由此產(chǎn)生的電流）被直接拾取并轉(zhuǎn)換為電信號輸出，代表原始的聲音信息。

高AOP壓電麥克風(fēng)的優(yōu)勢

壓電MEMS結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)高AOP方面具有先天優(yōu)勢：

無偏置電壓需求：

電容式麥克風(fēng)需要穩(wěn)定的直流偏置電壓來建立工作點。在極高聲壓級下，振膜的過度位移可能導(dǎo)致極板接觸短路，造成永久性損壞或嚴(yán)重失真。

壓電麥克風(fēng)無需直流偏置電壓，其輸出信號直接由機械形變產(chǎn)生。這從根本上消除了因過大聲壓導(dǎo)致偏置電路崩潰或極板接觸的風(fēng)險，使其天然具備更高的耐壓能力。

結(jié)構(gòu)堅固性與大位移容忍度：

壓電換能器結(jié)構(gòu)相對簡單堅固。振膜的設(shè)計可以更側(cè)重于機械強度和線性位移范圍，而不像電容式那樣需要嚴(yán)格控制極板間距來維持高靈敏度。

在高壓聲波沖擊下，壓電振膜可以承受更大的位移而不會損壞或產(chǎn)生非線性失真（只要在壓電材料本身的彈性極限內(nèi)）。

高線性度輸出：壓電效應(yīng)本身在較大形變范圍內(nèi)具有良好的線性度，這有助于在高聲壓級下保持較低的諧波失真。

低功耗潛力：由于無需提供偏置電流，壓電麥克風(fēng)在讀取電路設(shè)計得當(dāng)?shù)那闆r下，系統(tǒng)整體功耗可以非常低。

抗射頻干擾/電磁干擾：壓電式麥克風(fēng)通常輸出阻抗較高，信號電平也較高，對RFI/EMI的敏感性相對較低。

典型性能指標(biāo)

AOP：高性能壓電MEMS麥克風(fēng)的AOP可以輕松達(dá)到 > 150 dB SPL或更高。這遠(yuǎn)高于普通消費級電容MEMS麥克風(fēng)（通常為120-130 dB SPL）。

靈敏度：傳統(tǒng)上，壓電麥克風(fēng)的靈敏度可能略低于頂級電容式麥克風(fēng)，但近年來隨著材料優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)步，其靈敏度已顯著提升，能夠滿足大部分應(yīng)用需求（例如在 -38 dBV/Pa至 -26 dBV/Pa范圍）。

信噪比：SNR也在持續(xù)改善，高端壓電MEMS麥克風(fēng)可以達(dá)到 65 dBA或更高。

頻率響應(yīng)：可以設(shè)計成滿足特定應(yīng)用的頻率范圍要求。

尺寸：得益于MEMS工藝，壓電麥克風(fēng)同樣可以做到非常小的封裝尺寸（如 3.7mm x 2.9mm x 1.1mm）。

核心應(yīng)用場景

高AOP壓電MEMS麥克風(fēng)特別適合于需要在高噪聲環(huán)境中清晰拾音或需要捕捉極高聲壓級信號的場景：

消費電子：

智能手機/可穿戴設(shè)備：在嘈雜街道、演唱會現(xiàn)場、風(fēng)噪環(huán)境下進(jìn)行清晰通話和錄音。防水設(shè)計的潛力也使其適合運動設(shè)備。

智能音箱/語音助手：在播放高音量音樂的同時，仍需清晰地拾取遠(yuǎn)場語音命令（“音樂打斷”功能）。

降噪耳機：更準(zhǔn)確地捕捉外部環(huán)境噪音（尤其是高頻部分）進(jìn)行主動降噪。

工業(yè)應(yīng)用：

工業(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷（通過聲音分析）。

工廠環(huán)境中的語音通信與控制系統(tǒng)。

高噪聲環(huán)境下的安全監(jiān)控音頻采集。

汽車電子：

車內(nèi)通話系統(tǒng)，尤其當(dāng)車窗打開或高速行駛時克服風(fēng)噪和路噪。

發(fā)動機艙或底盤附近的噪聲監(jiān)測。

緊急呼叫系統(tǒng)。

專業(yè)音頻：

樂器近距離拾音（如鼓、吉他音箱）。

需要極高動態(tài)范圍錄音的場合。

醫(yī)療設(shè)備：某些需要監(jiān)測體內(nèi)聲音或在高噪聲醫(yī)療環(huán)境中使用的設(shè)備。

技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢

挑戰(zhàn)：

提升靈敏度與SNR：在保持高AOP的同時，進(jìn)一步提高靈敏度和信噪比，使其在安靜環(huán)境下也有優(yōu)異表現(xiàn)。

低頻響應(yīng)：壓電結(jié)構(gòu)有時在極低頻響應(yīng)方面需要特殊設(shè)計優(yōu)化。

溫度穩(wěn)定性：壓電材料的特性可能受溫度影響，需要補償。

工藝復(fù)雜性與成本：高性能壓電薄膜（如ScAlN, PZT）的沉積和圖形化工藝相對復(fù)雜。

趨勢：

新材料開發(fā)：摻雜的氮化鋁（如ScAlN）、高性能PZT薄膜等提升壓電系數(shù)。

創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計：優(yōu)化振膜幾何形狀、支撐結(jié)構(gòu)、多層復(fù)合結(jié)構(gòu)等以提升性能。

晶圓級封裝與集成：降低成本，提高可靠性和一致性。

片上信號處理：集成前置放大器、ADC甚至DSP，提供更優(yōu)的輸出信號質(zhì)量和智能功能。

多麥克風(fēng)陣列應(yīng)用：結(jié)合波束成形等技術(shù)，進(jìn)一步提升在高噪聲環(huán)境中的語音拾取能力。

結(jié)論

高AOP壓電MEMS麥克風(fēng)代表了MEMS聲學(xué)傳感技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。它充分利用了壓電效應(yīng)的獨特優(yōu)勢，特別是在無需偏壓、天然耐高壓、結(jié)構(gòu)堅固等方面，實現(xiàn)了遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電容式麥克風(fēng)的聲學(xué)過載點。這使得它成為在極端嘈雜環(huán)境、高動態(tài)范圍拾音、以及需要高可靠性和低功耗的應(yīng)用中的理想選擇。隨著材料科學(xué)、MEMS工藝和電路設(shè)計的不斷進(jìn)步，高AOP壓電MEMS麥克風(fēng)在靈敏度、信噪比和成本方面的性能將持續(xù)優(yōu)化，其市場滲透率將在消費電子、汽車、工業(yè)和專業(yè)音頻等領(lǐng)域加速增長，為各種“聽得清”的挑戰(zhàn)性場景提供關(guān)鍵解決方案。

目前纖聲科技已量產(chǎn)產(chǎn)品CSM4500A AOP已達(dá)到150dB SPL.

審核編輯 黃宇