聚焦声学MEMS核心技术，探索音频发展新趋势

21世纪以来，MEMS为声学器件的发展注入了新动力，推动声学器件不断向微型化、集成化、低成本发展。2022年10月，麦姆斯咨询特举办培训课程，为学员悉心讲授声学MEMS与传感器核心技术，共同探索音频发展新趋势。

21世纪以来，MEMS为声学器件的发展注入了新动力，推动声学器件不断向微型化、集成化、低成本发展。基于MEMS技术的声学器件主要包括MEMS水听器、MEMS麦克风、MEMS扬声器、压电式微机械超声换能器（PMUT）、电容式微机械超声换能器（CMUT）等，在消费电子、医疗电子、汽车电子、军事国防等领域广泛应用。随着新兴技术迭代发展，市场机遇不断扩大，声学MEMS行业将持续呈现繁荣增长态势。

为满足声学MEMS与传感器领域从业人员的进修需求，2022年10月21日至23日，麦姆斯咨询特开设《第46期“见微知著”培训课程：声学MEMS与传感器》，邀请了多位声学行业资深学者和企业家，为学员悉心讲授声学MEMS与传感器核心技术，共同探索音频发展新趋势。

课程一：超声MEMS及PMUT研发与应用

老师：北京大学 研究员 卢奕鹏

近年来，基于MEMS的超声换能器技术一直处于快速发展和增长阶段。MEMS超声换能器主要分为CMUT和PMUT。其中，PMUT在飞行时间测距、高精度超声成像、指纹识别应用领域取得重要产业化进展。本次《超声MEMS及PMUT研发与应用》课程，北京大学研究员卢奕鹏老师从超声MEMS基础理论出发，围绕PMUT材料选择、设计、加工以及CMOS一体化集成，详细分析了各环节需要考量的关键要素及优化策略。PMUT系统集成与应用是当前的热点方向，在健康监测、高精度超声成像、指纹识别等领成果斐然。卢老师本人也在PMUT研究与产业化方面做出突出贡献，他曾在高通（Qualcomm）主导开发了全球首例微型超声指纹传感器芯片，成为多个领域的唯一解决方案。未来，卢老师也会带领北京大学研究团队继续拓展PMUT技术与应用创新边界。

课程二：PMUT新技术与新应用

老师：天津大学 助理教授 张孟伦

随着压电材料和MEMS技术融合发展，以氮化铝（AlN）和锆钛酸铅（PZT）为代表的薄膜型压电材料的制备工艺越来越成熟，推动PMUT技术与应用呈现全新发展态势。本次《PMUT新技术与新应用》课程，天津大学助理教授张孟伦老师以MEMS制造技术演进路线为铺垫，阐述了压电薄膜工艺的研究进展，进一步讲解了PMUT及其阵列的设计与制造方法。当前，基于PMUT的新应用层出不穷，以其团队开展的多项前沿技术研究为例，张老师讲解了基于PMUT的眼动追踪、心率监测、无线能量传输、室内定位和材质识别等创新应用，从技术方案、实现路径、优化策略等角度，为学员做了深入解析。展望未来，随着新材料、新器件、新工艺的不断发展，以及新兴市场机遇不断显现，PMUT有望进一步赋能更多潜在应用。

课程三：面向医学成像的PMUT

老师：中国科学院微电子研究所 正高级研究员 高航

医学成像系统经历了从推车式向便携式、手持式的发展。随着MEMS超声换能器的发展，医学成像系统不断向高频化、微型化、芯片化方向演进。本次《面向医学成像的PMUT》课程，中国科学院微电子研究所正高级研究员高航老师针对面向医学成像的PMUT核心技术、典型产品、产业化现状及发展趋势等内容进行了详细解读。在医学超声成像系统向可穿戴、微型化演进的路途中，PMUT发挥着关键作用。高老师以多项前沿技术研究为例，为学员们展示了面向医学成像的PMUT技术的发展路径、关键突破与创新态势，并结合典型产品研发案例，从材料工艺、器件设计、声场调控、集成封装、应用验证等环节，逐一分析了如何选择相应路径与解决方案以满足差异化应用需求。基于PMUT在小型化、低成本和高集成度等方面的优势，未来有望驱动医学超声成像实现更多革新。

课程四：氮化铝PMUT设计及ToF测距集成系统产业化

老师：茂丞（郑州）超声科技有限公司 总经理 邱奕翔

与光学ToF测距不同，超声波ToF测距传感器能在任何照明条件下工作，具有毫米级的测量精度，并且不受目标物体颜色的影响，即使玻璃等透明物体也不例外。本次《氮化铝PMUT设计及ToF测距集成系统产业化》课程，茂丞（郑州）超声科技有限公司总经理邱奕翔老师为大家解析了基于AlN PMUT的超声波ToF测距技术及系统，并以新型双悬浮梁结构AlN PMUT为例，分析了其在系统级层面可行的技术路线，通过真空腔AlN PMUT超声波整合ToF测距CMOS集成系统，能够实现精准测距。在产业化应用方面，除了材质识别、风速识别等创新应用，基于AlN PMUT的超声波ToF传感器还有望在甲烷气体监测以及3D打印机液位监测等领域展现新的应用潜力。

课程五：压电MEMS声学传感器

老师：武汉大学 讲师 刘文娟

近些年，压电MEMS技术在声学传感领域发展迅速，典型应用包括麦克风、超声换能器、水听器等。本次《压电MEMS声学传感器》课程，武汉大学讲师刘文娟老师重点讲解了压电MEMS声学技术领域的两大热门应用——压电MEMS超声换能器和压电式MEMS麦克风，从压电薄膜生长到压电器件设计与制造，对各环节所涉及的关键技术与难点做了深入讲解，并从技术路线、市场现状、应用前景等角度分析了其发展潜力。在湿度较大的应用场景，压电式声学传感器有极大的性能优势，深入研究其防尘防水功能并提升信噪比，将进一步发挥其优于电容式声学传感器的优势，从而在更多场景得以推广应用。展望未来，随着材料创新与工艺进步，在系统级应用层面，基于PMUT的高分辨率超声成像系统有望成为压电MEMS声学传感领域下一个新的增长点。

课程六：MEMS麦克风创新之路

老师：无锡韦感半导体有限公司 总经理助理 赵成龙

麦克风是将声音信号转换为电信号的能量转换器件。与驻极体麦克风相比，MEMS麦克风拥有体积小、耐热性好、一致性好、稳定性好、可靠性高、抗射频干扰等优势，还可以输出数字信号并有利于智能化发展。本次《MEMS麦克风创新之路》课程，无锡韦感半导体有限公司总经理助理赵成龙老师为大家描绘了全球MEMS麦克风产业现状以及中国MEMS麦克风产业的崛起之路，对比分析了各类MEMS麦克风的结构特征、性能差异与应用前景，并以新一代密封双振膜电容式MEMS麦克风为例，针对其技术路线和落地方案等做了深入解析。结合MEMS麦克风在固体传声器、电子听诊器等领域的创新应用，赵老师进一步阐明了低功耗、高精度的语音唤醒和关键字识别功能是当前市场需求的热点，MEMS麦克风也将在语音检测多样化应用的驱动下快速发展。

课程七：“感算共融”智能听觉感知集成架构和芯片

老师：清华大学 副研究员 乔飞

智能化社会的构建需要信息技术系统对外界环境信息进行实时获取、高效处理并及时做出决策，发展“感算共融”的低功耗智能信息处理系统是将智能推向极致边缘的有效途径。本次《“感算共融”智能听觉感知集成架构和芯片》课程，清华大学副研究员乔飞老师从智能听觉感知研究背景与技术原理出发，讲解了高效“感算共融”听觉感知集成架构和芯片的设计方法。常开型智能听觉感知集成电路设计通常面临功耗大、处理延迟高、存储消耗大等瓶颈，针对此类问题，乔老师结合其团队研究成果，从近传感语音关键词唤醒芯片设计、混合信号语音MFCC特征提取架构、低访存代价语音识别神经网络、模拟信号域声源定向方法研究等层面分析了实现高效“感算共融”听觉感知系统的有效路径，并结合其丰富经验，为学员们后续研究提供创新思路和有益借鉴。

课程八：基于声学MEMS/PMUT的感存算一体智能传感器

老师：深圳市九天睿芯科技有限公司 联合创始人兼CTO 杨晓风

神经拟态感存算一体架构是集成电路后“摩尔时代”新型架构之一，可有效解决“存储墙”与“功耗墙”两大瓶颈。本次《基于声学MEMS/PMUT的感存算一体智能传感器》课程，深圳市九天睿芯科技有限公司联合创始人兼CTO杨晓风老师面向声学MEMS领域，详述了感存算一体芯片的关键技术及智能传感器的未来发展。目前，九天睿芯基于类脑计算，以模数混和形式，已实现感存算一体芯片的研发落地与量产销售，结合公司研发成果，杨老师进行了技术解析与案例分享。目前，智能传感器芯片技术仍面临诸多挑战，围绕智能传感器在多传感器融合ASIC、感存算一体架构、整系统低功耗设计等方面存在的问题，杨老师分析了可实现突破的路径。在攻克技术层面的瓶颈之外，还需要产业链上下游齐心协力，共同营造良性的市场竞争环境，推动国内智能传感器芯片技术持续发展。

课程九：MEMS单芯片三维热对流矢量传声器

老师：南京大学 助理研究员 许相园

传统MEMS麦克风在空间音频拾取方面存在缺陷，通过其拾取的声音信号难以获得媲美人耳的现场感和空间感，MEMS矢量传声器基于其能够直接、精确测量声场质点振速的特性，可满足复杂声学场景的多元化需求。本次《MEMS单芯片三维热对流矢量传声器》课程，南京大学助理研究员许相园老师围绕基于MEMS技术的三维热对流矢量传声器，对其设计、制造、测试关键技术进行了详解。不同于传统声压阵列的形式，矢量传感器通过三个轴向的质点振速结合声压量即可以完全测量声波的入射方向，由于其定位特性与波长无关，单个矢量传感器即可覆盖从低频到高频的定位频段，该性能使其在拾音录音、微型化声源定位、啸叫抑制、非接触振动检测等多种场景中展现独特优势。随着MEMS技术的迭代发展，MEMS矢量麦克风有望以其极小体积优势，为声学前端提供更好的空间声信息。

课程十：MEMS扬声器研发进展综述

老师：北京理工大学 教授 谢会开

MEMS扬声器是一种将电信号转变为声信号的微型换能器。相比平衡电枢式扬声器，MEMS扬声器尺寸较小，占用系统PCB板的空间更少，从而有利于系统集成商添加更多传感器以实现更多功能，或者采用更大容量的电池以提升系统的运行时间。本次《MEMS扬声器研发进展综述》课程，北京理工大学教授谢会开老师围绕四种类型（压电式、电动式、静电式、热声式）的MEMS扬声器，从材料选择、结构设计、工艺流程、典型应用等层面进行了综述分析。目前，压电式和静电式MEMS扬声器工艺相对成熟，但以上四种MEMS扬声器仍面临一项共同的挑战——如何在保证较低总谐波失真（THD）的前提下提升输出声压级（SPL）。针对MEMS扬声器性能提升难题，谢老师从数学分析、建模仿真、引入新材料、新制造技术以及优化封装设计等角度阐述了可行的解决方案，并指出通过解决制造成本和功耗两大发展掣肘，MEMS扬声器有望在激烈的音频市场竞争中站稳脚步，获得长远发展。

课程十一：MEMS扬声器和MEMS麦克风设计与仿真

老师：COMSOL 应用工程师 钟振红

借助仿真软件为声学产品进行设计仿真，可以更好地研究、预测音质和降噪性能等因素，从而优化产品设计。本次《MEMS扬声器和MEMS麦克风设计与仿真》课程，COMSOL应用工程师钟振红老师通过理论结合实操演示，为大家讲解了如何利用COMSOL Multiphysics软件进行声学产品设计与仿真。钟老师从压电MEMS器件基本模型入手，由简入难，以典型的压电式MEMS扬声器、压电式MEMS麦克风、电容式MEMS麦克风以及收发一体PMUT、CMUT为例，逐一进行了详细地仿真演示，并分析了对结构力学、声学和热力学等多物理场耦合效应进行综合权衡的必要性。通过本次学习，学员们更深刻地掌握了如何高效利用仿真软件促进产品设计优化、确保最佳产品性能以及高效可靠的制造工艺，从而加快产品设计创新和推向市场的速度，有效提高成本效益。

至此，《第46期“见微知著”培训课程：声学MEMS与传感器》圆满落幕。紧随科学技术发展步伐，麦姆斯咨询将持续打造高质量的培训课程，加速推动MEMS技术创新、产业发展与人才进步，为中国MEMS产业发展不断注入新动能！