自19世纪末现代麦克风引入以来，由于其在消费、医疗和汽车应用中的广泛和不断发展的应用，麦克风取得了巨大的进步。微型机械杂志（Micromachines）于2020年发表了一篇深度的行业回顾《A Review of MEMS Capacitive Microphones》。
Johann Philipp Reis 和 Alexander Graham Bell 被认为是第一批麦克风的发明者。这些早期原型产生的电信号幅度低，频率范围有限。因此，声音质量很低，设备几乎无法重现清晰的语音。功能性麦克风的发展归功于 Thomas Edison、Emile Berliner 和 David Edward Hughes。他们的碳麦克风后来主导了市场。Edison 和 Berliner 分别宣布了他们的发明（当时称为发射器），并在美国争夺专利权。在英国，Hughes 向伦敦皇家学会展示了类似的设备，并创造了“麦克风”一词，尽管他没有申请专利。电信行业迅速认识到麦克风在其系统中的潜力，并推动了技术创新。碳麦克风的各种变体在20世纪20年代到80年代的电话中被广泛使用。随着电信和音乐产业的快速发展，其他形式的转换机制不断被开发和应用于电信系统。电容麦克风于1916年引入，目前在市场上占主导地位。最新的种类是基于光学和自旋电子的麦克风。
麦克风中使用了多种转换机制来将声波转换为电信号，如电磁（电动）、压阻、压电、光学、自旋电子和电容。
第一种机制是电磁麦克风。它由一个在固定磁场中移动的线圈组成，产生交流电，即电输出。线圈连接到根据声学输入振动的薄膜片。碳麦克风和带状麦克风是这种类型的变体。电磁麦克风由于重的膜片和线圈的缓慢振动速度而存在灵敏度问题。
第二种机制称为压阻麦克风。它的工作原理如下：在声学膜片上有四个电阻连接在惠斯登电桥中。当声波引起的压力作用于膜片时，膜片发生偏转。相应地，四个电阻的应力相关值也发生变化。惠斯登电桥根据这些电阻值之间的差异产生输出电压。压阻麦克风的缺点是动态范围和灵敏度相对较低，但仍然被用于许多应用中。
第三种机制称为压电麦克风。它利用压电原理将声波的机械振动转换为电信号。为此，研究人员通常使用氮化铝和氧化锌作为制造薄膜片的压电材料。由于这种材料的刚性，这种麦克风最初用于放大乐器的接触振动。由于其今天的先进性能，它具有更多样化的应用。
第四种机制是光学或光纤麦克风，它使用光源照射薄膜片。光检测器用于检测光的强度和波长。当声波使膜片振动时，记录并进一步转换为电信号的原始光源和反射光源之间的差异。光学麦克风的主要优点是不受电噪声和电磁干扰的影响。缺点是检测系统的复杂性，导致成本较高。它在医疗应用和高保真录音中有着利基市场。
第五种机制是自旋电子麦克风，基于磁阻转换。它旨在解决困扰压阻麦克风的低灵敏度问题。自旋应变计传感器（SGS）取代了声学膜片顶部的电阻。这种自旋SGS基于磁隧道结效应，具有很高的灵敏度。日本研究人员最近提出了这种方法。第六种机制称为电容麦克风或更常见的电容麦克风。它通过可移动和固定板之间的电容变化来工作。薄膜片代表可移动板。声波使其振动，从而成比例地改变电容值。需要一个电压源来将板偏置到固定电压。驻极体麦克风是一种特殊类型的电容麦克风，通过驻极材料在其板之间保持永久偏置。由于其良好的性能、低成本和易于制造，驻极体麦克风成为最具商业制造的麦克风类型，在其生产高峰期每年生产超过十亿个单位。
麦克风制造中的主要技术进步是微机电系统（MEMS）电容麦克风的引入。MEMS麦克风的关键部分是一个微型硅芯片，它结合了声学传感器和处理电子设备。MEMS麦克风的优点包括尺寸小、成本低、性能高、制造工艺成熟、环境耐受性好等。因此，它们已成为智能手机、平板电脑、智能手表、助听器、可穿戴设备和物联网（IoT）设备的理想选择。
MEMS电容麦克风的工作原理
MEMS电容麦克风的核心是一个微型电容器，由一个可移动的振膜和一个固定的背板组成。振膜对声波产生的压力敏感，并且在声波的作用下发生振动。背板通常具有多个小孔，以允许空气通过并减少气流对振膜的阻力。当振膜振动时，振膜与背板之间的距离变化，从而导致电容值的变化。这种电容变化被转换为电信号，并通过电子电路进行处理和放大。下图显示了典型MEMS电容麦克风的结构示意图。
具体来说，MEMS电容麦克风通常包含以下几个主要部分：
振膜：通常由硅、氮化硅或聚合物材料制成，具有良好的机械强度和灵敏度。
背板：通常是一个带有孔洞的刚性结构，允许声波通过，并且通常由硅或金属材料制成。
腔室：提供振膜和背板之间的空气间隙，影响麦克风的频率响应和灵敏度。
偏置电压：施加在振膜和背板之间，用于检测电容变化。
振膜和背板的设计和制造对MEMS麦克风的性能有重要影响。优化这些组件的材料和结构，可以显著提高麦克风的灵敏度、信噪比和频率响应。
MEMS麦克风的制造方法和材料选择
MEMS电容麦克风的制造过程通常包括微加工技术，如光刻、蚀刻、沉积和封装。这些工艺允许在微米或纳米尺度上精确地构建麦克风的各个组件。
光刻：使用光敏材料和光掩模，在硅片上定义麦克风结构的图案。
蚀刻：通过化学或物理方法，从硅片上移除材料，形成所需的结构。
沉积：在硅片上沉积薄膜材料，如多晶硅、氮化硅或氧化硅，以构建振膜和背板。
封装：将加工好的麦克风芯片封装在一个保护外壳中，并与外部电路连接。
设计和性能优化的最新进展
在设计和优化MEMS电容麦克风时，研究人员关注多个关键性能参数，包括灵敏度、动态范围、频率响应和信噪比。以下是一些最新的研究进展：
灵敏度提高：通过优化振膜和背板的材料和结构，提高麦克风对声波的响应能力。
动态范围扩展：开发新型电路和算法，以处理更广泛的声压级范围，减少失真。
频率响应优化：设计具有特定频率响应特性的振膜和腔室，以满足不同应用的需求。
信噪比增强：通过减少麦克风内部和外部噪声，提高麦克风的信号质量。
未来研究方向和应用
MEMS电容麦克风在未来有广泛的应用前景，尤其是在以下几个领域：
超声波检测：开发可以检测超声波的MEMS麦克风，用于医学成像和非破坏性检测。
环境监测：利用MEMS麦克风监测环境噪声、空气质量和气象变化。
智能家居：在智能家居设备中集成MEMS麦克风，实现语音控制和环境感知。
可穿戴设备：开发更小、更节能的MEMS麦克风，用于可穿戴健康监测设备。
总结来说，MEMS电容麦克风的发展展示了微加工技术和材料科学的结合如何推动传感器技术的进步。
