聲波也可以發電？新一代超長續航微型麥克風顛覆問世！

隨著人們的生活質量不斷提高，智能家居也逐漸走進了大家的視線。而通常智能家居最大的亮點就在於一項十分吸引人的技術——語音控制，而這個通常被稱作「麥克風」的攜帶型語音介面配件就充當了智能家居系統的「嘴巴」和「耳朵」，例如亞馬遜的藍牙音箱「Tap」和多普勒實驗室的無線耳機「HereOne」。通過與手機上不同功能App的協作，它們能給我們提供智能語音服務。只要對著它們說話，就能控制它們播放音樂、上網以及接聽電話。

但是，便攜所帶來的不只是方便，電池續航問題如影隨形，而且設備還不好打理，粘灰和受潮都會使它們的性能大打折扣。這也是眾多限制它們應用的主要因素之一。

來自波士頓的初創公司「Vesper」想到了應對之策，他們設計開發了一種能夠利用聲波發電的微型麥克風，續航能力比常規的麥克風強得多。具體而言，這種麥克風是基於MEMS（Micro-electromechanical Systems微型機電系統）的微納電子產品，採用了微型的懸臂結構，能利用壓電效應對聲波進行發電。

另一方面，MEMS有著良好的微納電子器件級別的封裝，一般的灰塵和潮氣都不會對它的性能造成影響。也就是說，這樣的微型麥克風完美地解決了文章開頭提出的問題。

Vesper表示，這樣的產品將在今年晚些時候投入使用，用於攜帶型的語音介面配件。到時候，我們就不必在使用過程中受到因為續航問題以及保養問題帶來的困擾。

為了測試這種麥克風的抗惡劣環境能力，Vesper還將它們扔到了啤酒和蘇打水中、浸泡在玉米食用油中加熱、放置在模擬沙塵環境中還有從高空掉落。可以看見，這樣只有芝麻大小的麥克風卻有著驚人的抗打擊能力，它們甚至有三防的特性：防水-防塵-防衝擊。

無論你在什麼環境中測（rou）試（lin）它們，它們的性能都沒有受到絲毫影響，而常規的麥克風此時恐怕早就不堪重負、香消玉殞了。

壓力測試

Vesper將這種微型麥克風附在了金屬塊上面，然後設法使它們一同下落來測試麥克風抗衝擊的能力。實驗中，衝擊加速度相當於10000G。

除了外界的影響，常規麥克風本身的內部結構也存在瑕疵，從根本上影響了麥克風的使用壽命。具體來說，普通的麥克風一般是採用極化膜和背極靠在一起的結構，中間留有一定的距離。極化膜在製作時就被注入了一定的電荷，且電荷量在長時間內應保持不變。

在聲波的作用下，極化膜隨著聲音震動，因此和背極的距離也跟著變化，也就是說極化膜和背極間的電容是隨聲波變化。不過，極化膜和背極之間也並不是真空，而是存在一定量的空氣，如果空氣中存在很多顆粒或者水蒸氣，那麼麥克風的性能則會大打折扣。即使有些公司採用了網狀結構和橡膠膜來保護極化膜和背極，這樣的情況還是時常出現。

而Vesper將極化膜和背極的結構換成了單層的氮化鋁懸臂結構。檢測聲波時，懸臂將會彎折，就像跳水運動員站上三米板一樣，這樣的壓力會轉化成為電信號，然後與聲音相對應起來。

MEMS麥克風示意圖

Vesper還將這樣的壓電效應利用起來，將其中產生的電用來啟動麥克風，而當聲波停止，麥克風將不再工作。相反地，傳統的麥克風卻不能使用這樣的原理驅動系統的開關。對此，Vesper的首席技術執行官波比·利特瑞爾（Bobby Littrell）表示：「傳統的麥克風需要一直處於打開狀態並使用數字信號處理來接受聲音信號，這就比我們的模式要更加耗電。其實，只要沒聲音，我們的系統就不會有任何動作。」

的確，這種「即開即停」的模式能夠通過減少通態損耗使得整個系統變得更加節能。自然而然地，系統的續航能力就得到了很大提升。反觀當今的電子產品，大都是需要按鍵啟動按鍵停止，還要擔心電池的壽命，這樣的革新一下子就去除了這兩個操作以及操作背後帶來的不便。正是因為如此有競爭力的核心技術，Vesper公司最近獲得了亞馬遜公司為其職能家居產品設置的「Amazon』s Alexa」基金的資助。

不過，Vesper公司表示他們的產品能否出現在亞馬遜的電子產品中還是未知數。其實，科學家早在二十世紀八十年代就開始了MEMS麥克風的設計和開發，但一直苦於找不到正確的設計以及材料，Vesper可以說是第一個成功將其商業化的公司。

Vesper 的麥克風性能這麼好，用的材料也是十分超前——氮化鋁，被列為第四代半導體材料，在高頻、高效率、大功率微電子器件和深紫外光電探測器件等領域有著極為重要的應用前景。但是該材料的製備卻成了制約基於氮化鋁的電子元器件發展的主要因素。

馬克·舍布拉克（Mark Sheplak）是來自佛羅里達大學的工學院教授，他專攻MEMS麥克風方向，他向我們詳細解釋了其中的緣由：「氮化鋁探測器已經被開發出來很久了，但是大面積的穩定、低應力以及均勻性好的高質量氮化鋁外延膜很難製備。而外延膜的質量對於麥克風的良好性能是極其關鍵的，例如高靈敏度和雜訊等級。」

模擬沙塵測試

實驗中採用硅塵以及壓縮空氣來在塑料箱內模擬沙塵環境，文中提及的Vesper的麥克風就置於塑料箱內。

不過也有人說，對於大多數消費級語音介面配件，傳統的麥克風就已經很夠用了，不需要這麼高級且昂貴的科技。而且，對於價格十分敏感的器件廠商也因此對於Vesper的高科技望價興嘆。

對於Vesper麥克風的前景，喬治亞理工MEMS以及微系統科技研究中心的主任法郎克·阿雅琪（Farrokh Ayazi）表示：「消費電子產品很看重成本和價格。Vesper其實是有機會好好推廣自己的產品，但是替代智能手機里的麥克風還是有一定難度，畢竟其中的麥克風廠家口碑已經建立起來了。」

市場研究公司「Yole Développement」也十分看好Vesper的發展，他們認為Vesper的高科技麥克風節能並且性能穩定，十分適合可穿戴電子以及智能家居。而據他們統計，全球的MEMS麥克風市場將接近10億美金。

毫無疑問，Vesper也將在全球MEMS麥克風市場佔得先機，他們開發的麥克風將在年末出現在美國消費電子產品中。

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