γ射线辐照对MEMS麦克风性能的影响研究：总电离剂量效应 张攀峰、 杜学成、 马超、 吴一然、 李振亚、 云浩、 魏家军、 郑志瑞

《Applied System Innovation》：Total Ionizing Dose Effects Investigation on the Performance of MEMS Microphone Irradiated by γ-Ray Panfeng Zhang, Xuecheng Du, Chao Ma, Yiran Wu, Zhenya Li, Hao Yun, Jiajun Wei and Zhirui Zheng

　　摘要：传感器收集的数据在系统决策中起着至关重要的作用。麦克风阵列能够实现距离测量和故障定位，这在核设施的辐射环境中尤为重要。基于麦克风阵列的声学定位可以有效满足这一需求。本研究通过实验评估了60Co γ射线辐射对商用MEMS（微机电系统）硅麦克风的总电离剂量（TID）效应。五个相同的麦克风单元同时以0.0342 Gy(Si)/s的剂量率接受辐射，同时持续监测工作电流和频谱响应。实验结果表明，商用MEMS硅麦克风的平均TID故障阈值为932.6 ± 62.8 Gy(Si)，95%置信区间为[875.5, 989.7] Gy(Si)。可以明确区分三种退化/故障级别：通道退化、通道故障和整个系统故障。辐射暴露会导致工作电流逐渐增加（最高可达初始值的6.7倍）、严重的频谱失真，最终完全丧失定位功能。这表明标准商用MEMS硅麦克风对TID辐射具有一定的耐受性。随后进行了退火测试，但退火后电流恢复了正常，而声学性能却没有恢复，表明辐射引起的损伤是不可逆的。

1. 引言
随着工业智能的快速发展，确保核电站等关键基础设施的安全稳定运行变得越来越重要。这一趋势推动了基于智能和状态条件的运行和维护策略的采用。在这一转变的核心是传感技术，其中集成多种MEMS传感器的智能检测系统在红外、温度和声学监控中发挥关键作用。这些传感器能够实时、多维度地监测设备温度和振动等关键参数，从而及时发现异常。当与计算机视觉技术结合使用时，这些系统可以进一步支持精确的红外热成像分析和准确的故障定位。特别是在易受辐射影响的恶劣环境中，开发坚固的、抗辐射的传感器系统对于确保智能运行的可靠性和有效性至关重要。因此，先进的传感技术是预测性维护和工业系统安全的基础[1]。
在核电站中，伽马射线和中子对微电子设备（包括MEMS传感器和控制系统）构成巨大威胁，这使得低剂量率伽马辐射成为保障核系统可靠性的主要关注点[2,3,4]。在各种MEMS设备中，MEMS麦克风越来越多地用于通过麦克风阵列进行基于声学的故障检测和源头定位。然而，总电离剂量效应——即随时间累积的电离辐射造成的损害——会严重降低MEMS麦克风的电气和机械性能。与加速度计或图像传感器不同，MEMS麦克风结合了脆弱的机械振膜（用于声压转换）和片上ASIC（用于偏置、放大和模数转换）。这两个组件都容易受到TID引起的损害：ASIC可能会出现阈值电压偏移和泄漏电流增加，而MEMS结构可能会因电荷积累而导致振膜粘附或内陷。尽管存在这些脆弱性，但关于MEMS麦克风的TID响应的研究却很少[5,6,7]。
现有文献综述显示，关于MEMS辐射效应的研究主要集中在加速度计、CCD/CMOS图像传感器和光电二极管上。例如，Lee等人研究了MEMS加速度计的TID效应，并报告了剂量依赖的灵敏度变化。Barnaby回顾了现代CMOS技术中的TID效应，这些技术与MEMS麦克风的ASIC部分相关。然而，只有少数研究涉及MEMS麦克风，且仅限于封装效应或在良性条件下的声学响应，没有定量性能指标。King和Underbrink针对航空声学应用对MEMS麦克风进行了表征，但没有研究辐射损伤。Zhang和Xiong分析了MEMS麦克风在一般应力下的故障机制，而不是特定的TID。因此，目前尚不清楚TID暴露如何降低工作电流、频谱失真和基于阵列的定位精度等关键参数。此外，目前尚不清楚观察到的故障是来自MEMS换能器、ASIC还是系统级相互作用——这对于未来的抗辐射设计至关重要[6,7,8,9,10,11,12]。
因此，本研究解决的问题是缺乏对商用MEMS硅麦克风TID效应的定量、设备级表征。主要研究目标是在受控的60Co伽马辐射下实验评估MEMS麦克风阵列的TID响应，具体科学问题包括：功能故障开始发生的累积TID水平；TID作用下关键性能参数的变化；观察到的效应是否可以通过退火恢复或构成永久性损害。
本研究建立了一个基于MEMS麦克风阵列的定位系统的总电离剂量辐射性能的基线评估，并研究了其辐射诱导效应，为未来抗辐射设计的MEMS麦克风设备奠定了基础。音频采集和原始音频数据处理及分析是在Orange Pi上使用MEMS麦克风完成的。使用伽马辐射源对其辐射耐受性和工作机制进行了初步评估。
本文的结构如下：第2节介绍了MEMS麦克风的选择及其在Orange Pi上的功能实现，以及实验平台和程序。第3节介绍了辐射测试期间观察到的MEMS麦克风现象，包括频率响应和电流变化。第4节分析了这些实验结果背后的物理机制，并将其响应特性与其他MEMS设备进行了比较。最后，第5节总结了本文的研究工作。

2. 设备选择和测试方法
2.1. 设备选择
WMM7040DTHN0（Will Semiconductor Co., Ltd., 上海，中国）是一种数字输出的硅麦克风，具有顶部声输入接口。它集成了一个MEMS声学传感器和一个编码器IC，将传感器的模拟信号转换为1位脉冲密度调制（PDM）数据流。数字接口消除了对AC耦合电容器的需求，减少了射频噪声的敏感性，并简化了PCB布局要求。WMM7040DTHN0专为大批量生产设计，完全兼容标准SMT工艺，可以使用常规的自动拾放和回流焊接设备直接安装在客户的PCB上。它适用于实现麦克风阵列（图1），其中多个麦克风的使用可以通过空间滤波和降噪显著提高语音质量。WMM7040DTHN0采用4.00 mm × 3.00 mm × 1.00 mm的8针封装。本研究中使用的麦克风阵列由五个相同的麦克风单元组成。考虑到系统的便携性和成本以及计算能力需求的增加，选择五个麦克风是最合适的选择。这一数量是在三个关键考虑因素之间折中的结果。首先，就定位算法的要求而言，二维到达时间差（TDOA）定位至少需要三个麦克风。使用五个单元可以提供冗余，确保即使一个或两个麦克风在辐射过程中失效，剩余单元仍能支持正常的定位操作，从而能够观察到系统级别的渐进式退化。其次，在评估设备间差异性时，只有两个或三个麦克风则无法有意义地估计故障阈值的统计分布（即标准差）。相比之下，五个单元允许初步计算故障阈值的平均值和标准差。虽然更大的样本可以增强统计置信度，但在相同条件下所有五个单元观察到的一致故障模式强烈支持与辐射暴露的因果关系，排除了偶然的单个设备异常。
Orange Pi（Shenzhen Xunlong Software Co., Ltd., 深圳，中国）是一种基于新一代ARM64架构的开源单板计算机。它支持多种操作系统，包括Android TV 10、Ubuntu和Debian。本研究中使用的Orange Pi Zero 2开发板配备了Allwinner H616系统芯片和1 GB的DDR3内存。
2.2. TID方法和系统
TID辐照使用60Co γ源进行，剂量率为0.0342 Gy(Si)/s。选择这个剂量率是为了确保在可行的实验时间内积累到观察到设备退化的总剂量，同时避免过高的剂量率可能引入不希望的瞬态效应。阵列中的所有五个MEMS麦克风设备同时以相同的剂量率接受辐射。在整个实验过程中，所有麦克风的原始音频数据都被持续记录并存储在Orange Pi上。采用专用电流监测软件记录高采样率时域电流数据（包括时间戳）。

2.2.1. 数据处理和定位算法
本研究的一个重要方面是评估辐射对基于阵列的故障定位的退化影响。主要使用的定位算法基于使用广义互相关（GCC）和相位变换（PHAT）加权的到达时间差估计。采集和预处理：五个数字MEMS麦克风输出1位脉冲密度调制（PDM）数据流。Orange Pi的集成音频接口对这些数据流进行降采样和滤波，生成采样率为48 kHz的同步16位脉冲编码调制（PCM）数据。对每个音频帧应用汉宁窗（帧长度：2048个样本）以最小化频谱泄漏。
时间延迟估计：对于一对给定的麦克风，计算GCC-PHAT函数以确定时间延迟Δt：Δt = arccos(φ2(α1*φ2(τ1) - φ1(α2*τ2))，其中φ1和φ2是信号的傅里叶变换。PHAT加权使幅度谱标准化，强调相位信息，并在预期具有混响和噪声的辐照测试中提供鲁棒性。时间延迟估计Δt对应于φ2的峰值。
源定位：使用估计的TDOA解算声源坐标x和y，这些坐标是麦克风的固定位置。通过MATLAB R2022a脚本自动记录结果坐标，以跟踪随累积剂量变化的定位精度[13,14]。

2.2.2. 实验设置和环境控制
一个关键方面是对环境变量的严格控制，以隔离辐射诱导的效应。MEMS麦克风阵列直接面对60Co源，放置在可移动平台上。为了确保只有MEMS麦克风受到辐射，一个10厘米厚的铅屏蔽层包裹了Orange Pi控制器、电流监测模块和电源电路。通过辐照前的测试验证了这种屏蔽效果，消除了支撑电子设备中的可测量辐射效应，确保所有观察到的退化都来自麦克风阵列。一个标准1 kHz音调由放置在阵列固定距离和角度的扬声器产生，整个实验期间实验室环境温度保持在大约22摄氏度。扬声器位于主辐射束之外，以防止可能改变声学参考信号的损坏。其输出幅度被监测并保持恒定。这种固定的几何形状加上受控的温度环境为基准测量期间的TDOA基定位准确性提供了已知的参考。
2.2.3. 退火测试
辐照后，收集MEMS麦克风进行退火测试。如果它们在室温退火后未能恢复，则进行高温退火。每个退火阶段持续168小时，之后进行详细的参数测量。整个实验过程如图2所示。

3. TID实验结果和分析
3.1. MEMS测试分析
在辐照测试期间，整个MEMS麦克风阵列的声源使用1 kHz标准音频信号。当TID达到823.8 Gy(Si)（点G）时，麦克风1发生通道故障。实验期间观察到的实时电流变化如图3所示。辐照开始时，每个MEMS麦克风的工作电流稳定在大约1.25 mA。当累积的TID达到大约383.8 Gy(Si)时，连续的伽马辐照开始引起电流的显著变化。当TID达到823.8 Gy(Si)时，电流上升到4.19 mA，增加了3.35倍。随着总伽马辐射剂量的持续积累，MEMS麦克风的工作电流保持上升趋势，且随着剂量的增加，增长率加快。图3中电流曲线的逐渐变陡的斜率直接说明了这种加速增长趋势[8]。为了澄清辐射引起的性能演变，我们在本研究中明确定义了三个标准化的故障级别：通道退化指的是参数漂移，例如电流增加和噪声升高，而声学功能仍然有效；通道故障表示有效的声学输出丧失以及严重的频谱失真；完全系统故障表示阵列定位能力完全丧失。在异常电流升高的初始阶段，直到G点（823.8 Gy(Si)之前，麦克风1的频谱特性和音频输出功能保持正常，表明该设备在这个范围内仍能正常工作。当总电离剂量达到823.8 Gy(Si)时，麦克风1发生故障，其频谱特性和音频输出表现出不同程度的退化，包括频谱输出的严重失真以及音频采集和记录功能的失效，如图4所示。图4展示了在Adobe Audition 2025软件中麦克风1的强度和频谱信号。观察到的频谱失真可以归因于麦克风1无法获取音频。由于实时频谱图依赖于每个麦克风的音频数据，因此该麦克风的输入丢失导致频谱图中出现了明显的不规则性。如图5所示，在G点之前，频谱呈现出规律且稳定的1 kHz模式。一旦G点的累积剂量达到823.8 Gy(Si)并且麦克风1出现功能退化，频谱发生显著变化。图5展示了在Adobe Audition 2025软件中麦克风4的强度和频谱信号。显然，当麦克风出现故障时，特别是其音频采集能力受损时，频谱图从最初平滑且明确的模式转变为连续、不规则和失真的形式。当麦克风1出现异常时，实时频谱图显示出不规则的波动，如图6所示。很明显，在故障发生时——记录功能受到影响时——频谱特性从平滑且明确的模式转变为连续且锯齿状的。由于实时频谱是由五个麦克风上传的数字音频信号生成的，因此一个单元的故障会导致数据丢失或数据损坏。图6显示了第一次故障点前后的实时频谱。从音频采集和记录模块的角度来看，一旦麦克风1受损，它就失去了准确捕捉声音或放大音频信号的能力。其输出变成了包含大量谐波的失真“噪声”信号。这个出现故障的麦克风产生了几乎覆盖整个频率域的高能量、混乱的信号。如图5所示，在故障发生之前，频谱曲线相对平坦且平滑，接近图中的噪声底限。幅度通常在20 dB以下保持稳定。相比之下，故障后整个频段的噪声底限上升了大约10–20 dB。这表明即使没有输入信号，固有的或环境噪声也显著增加，导致信噪比急剧下降[9]。此外，辐照后的频谱图变得极其不规则，并出现许多异常。频谱中出现了大量的随机、非谐波尖峰。这些尖峰与衰减的主要信号相当。这种行为表明几个小时的伽马辐照严重降低了麦克风内部半导体组件的性能，导致噪声底限显著增加和灵敏度下降，主要通过主频谱峰的衰减得到证实[10]。在当前图中，当总TID达到904.7 Gy(Si)时，实时频谱图和电流行为中都出现了额外的异常。由于累积的辐射效应和设备间的固有差异，不同的MEMS麦克风单元表现出不同的辐射耐受水平。根据音频采集模块（图5）的数据，麦克风4受损后，它失去了正确放大音频信号的能力。其输出变成了包含大量谐波的失真“噪声”信号。随着实验的进行，当TID达到978.1 Gy(Si)时，实时频谱和电流都显示出严重的异常。此时，系统的定位功能完全失败：算法定位图上的坐标点丢失，计算出的位置数据变得完全随机。同时，工作电流上升到8.36 mA，大约是初始值的6.69倍。五个单独麦克风的故障剂量分别为823.8、904.7、978.1、978.1和978.1 Gy(Si)。平均故障阈值为932.6 Gy(Si)，标准差为62.8 Gy(Si)，变异系数（CV）为6.7%，95%置信区间为[875.5, 989.7] Gy(Si)。这些数值量化了设备间的差异和TID故障阈值的统计分散。频谱分析表明系统不再能够从MEMS麦克风阵列获取数据。与初始状态相比，频谱性能急剧恶化。所有输出数据都显得随机，频谱变得稀疏且孤立，不再对声源的变化做出反应。这种行为证实所有麦克风都连续完全失效，系统失去了对音频信号的所有响应能力。从音频采集模块来看，观察到两种不同的异常现象，如图7所示。图7a中，波形呈现为一条没有明显特征的直线，相应的频谱没有有效的信号成分。这表明麦克风不再能够输出任何变化的电信号。图7b表明麦克风产生了信号，但它不是来自声学转换，而是来自芯片本身的自生成噪声[11,12,13]。图7展示了麦克风完全失效后的两种情况。图7a和b中观察到的明显异常输出可以归因于总电离剂量暴露引起的两种不同的结构级故障机制。对于平线输出（图7a），假设是MEMS振膜和刚性背板之间的介电层中积累的正电荷产生了足够强的静电力，超过了振膜的机械恢复力，导致永久性的粘附（粘着）。一旦振膜物理上粘附在背板上，它就无法再响应声压波进行振动，可变电容换能器也就停止了工作。因此，不会产生交流电信号，导致类似直流电的平线输出。相比之下，图7b中观察到的宽带自噪声可能源于应用特定集成电路（ASIC）编码器的严重退化，而不是完全的机械粘着。TID引起的阈值电压变化和ASIC中的CMOS晶体管泄漏电流增加可能会将放大阶段推向不稳定的、高度非线性的工作区域，甚至自振荡。在这种条件下，即使MEMS振膜仍保持部分机械活动性，损坏的偏置电路和饱和的放大器也会产生高水平的混乱噪声底限，掩盖任何残余的声学响应，表现为频谱图中持续的宽带失真[15,16]。由于五个麦克风的放置是随机的，TID效应也是随机的，因此麦克风1和4中观察到的相对快速的变化和显著影响也是随机的。由于麦克风1位于阵列中心，一旦它失效并进入深度饱和状态，它就无法为任何配对通道提供有效的相位信息，从而使整个阵列无法进行准确的延迟计算。一个 silent 的中心参考（麦克风1）和一个嘈杂的边缘通道（麦克风4）的组合将估计的源位置从真实的第三象限偏移到错误的第四象限，或者由于系统对TDOA数据的信心崩溃而导致有效坐标输出的完全丢失。在当前图中，总TID约为904.7 Gy(Si)的区域，实时频谱图和电流行为中都出现了额外的异常。由于累积的辐射效应和设备间的固有差异，不同的MEMS麦克风单元表现出不同的辐射耐受水平。根据音频采集模块的数据（图5），麦克风4受损后，它失去了正确放大音频信号的能力。其输出变成了包含大量谐波的失真“噪声”信号。随着实验的进行，当TID达到978.1 Gy(Si)时，实时频谱和电流都表现出严重的异常。此时，系统的定位功能完全失败：算法定位图上的坐标点丢失，计算出的位置数据变得完全随机。同时，工作电流上升到8.36 mA，大约是初始值的6.69倍。五个单独麦克风的故障剂量分别为823.8、904.7、978.1、978.1和978.1 Gy(Si)。平均故障阈值为932.6 Gy(Si)，标准差为62.8 Gy(Si)，变异系数（CV）为6.7%，95%置信区间为[875.5, 989.7] Gy(Si)。这些数值量化了设备间的差异和TID故障阈值的统计分散。频谱分析表明系统不再能够从MEMS麦克风阵列获取数据。与初始状态相比，频谱性能急剧恶化。所有输出数据都显得随机，频谱变得稀疏且孤立，不再对声源的变化做出反应。这种行为证实所有麦克风都依次完全失效，系统失去了对音频信号的所有响应能力。从音频采集模块来看，观察到两种不同的异常现象，如图7所示。在图7a中，波形呈现为没有明显特征的直线，相应的频谱没有有效的信号成分。这表明麦克风不再能够输出任何变化的电信号。图7b表明麦克风产生了信号，但它并非来自声学转换，而是来自芯片本身的自生成噪声[11,12,13]。图7展示了麦克风完全失效后的两种情况。图7a和b中观察到的明显异常输出可以归因于总电离剂量暴露引起的两种不同的结构级故障机制。对于平线输出（图7a），假设是由于介电层中积累的正电荷产生了足够强的静电力，克服了振膜的机械恢复力，导致永久性的粘附（粘着）。一旦振膜物理上粘附在背板上，它就无法再响应声压波进行振动，可变电容换能器也就停止工作。因此，不会产生交流电信号，导致直流电样的平线输出。相比之下，图7b中观察到的宽带自噪声可能源于应用特定集成电路（ASIC）编码器的严重退化，而不是完全的机械粘着。TID引起的阈值电压变化和ASIC中CMOS晶体管的泄漏电流增加可能导致放大阶段进入不稳定的、高度非线性的工作区域，甚至自振荡。在这种情况下，即使MEMS振膜保留了部分机械活动性，损坏的偏置电路和饱和的放大器也会产生高水平的混乱噪声底限，掩盖任何残留的声学响应，表现为频谱图中持续的宽带失真[15,16]。由于五个麦克风的放置是随机的，TID效应也是随机的，因此在麦克风1和4中观察到的相对快速的变化和显著影响也是随机的。由于麦克风1位于阵列的中心，一旦它失效并进入深度饱和状态，它就无法为任何配对通道提供有效的相位信息，从而使整个阵列无法进行准确的延迟计算。一个静音的中心参考（麦克风1）和一个嘈杂的边缘通道（麦克风4）的组合将估计的源位置从真实的第三象限偏移到错误的第四象限，或者由于系统对TDOA数据的信心崩溃而导致有效坐标输出的完全丢失。在多个MEMS麦克风中观察到的故障现象清楚地表明，标准的商用MEMS硅麦克风容易受到伽马辐射环境中的TID效应的影响。值得注意的是，故障模式非常规律且可重复，突显了这项实验研究的重要性和可靠性。五个单独麦克风的故障剂量分别为823.8、904.7、978.1、978.1和978.1 Gy(Si)。平均故障阈值为932.6 Gy(Si)，标准差为62.8 Gy(Si)，95%置信区间为[875.5, 989.7] Gy(Si)。根据第3.1节开始时建立的统一标准，关键剂量点被分类如下：约383.8 Gy(Si)对应于通道退化，823.8 Gy(Si)标志着麦克风1的第一次通道故障，约904.7 Gy(Si)表示麦克风4的第二次通道故障，978.1 Gy(Si)表示完全系统故障。3.2. 退火实验辐照实验后，设备在室温下进行了168小时的退火处理。然而，没有观察到功能恢复。随后，在80 °C下进行了高温退火。退火后，工作电流恢复到大约1.27 mA，与正常工作范围一致。尽管电流有所恢复，但麦克风的功能性能并未恢复，表明辐射引起的损伤是不可逆且永久的。退火后的实时频谱确认音频采集在退火后仍然无法正常工作。4. TID结果讨论对五个测试设备的统计评估显示，TID故障阈值的标准差为62.8 Gy(Si)，变异系数为6.7%，这反映了商用MEMS设备间的典型差异。在这个实验中，同一型号的五个麦克风在相同的辐照条件下显示出几乎相似的故障模式（放大器饱和和宽带噪声）。这一观察排除了单一设备偶发的故障，并强烈支持观察到的故障与辐射暴露之间的因果关系。设备间故障发生的差异表明，即使是同一批次制造的芯片，其内部微观结构也存在细微的差异，导致TID故障阈值略有不同。这种设备间的变异性在辐射效应研究中是一个众所周知且典型的现象[15,16,17]。对于MEMS麦克风来说，ASIC芯片的主要作用是为MEMS传感器提供适当的偏置电压，并放大MEMS在运行过程中产生的微小电压变化。根据设计的不同，ASIC还可能在输出之前执行片上数字处理。因此，ASIC芯片的电性能直接影响MEMS麦克风的整体声学性能[17,18,19,20]。工作电流的逐渐增加表明设备内部形成了辐射引起的泄漏路径。功能突然失败的一个可能解释与静电粘附和随后的永久性损伤有关。MEMS麦克风作为一个微型平行板电容器工作，在其中振膜和背板形成两个电极。在正常工作条件下，振膜响应声波振动，调节电容从而将声学信号转换为电信号。假设TID引起的电荷 trapping改变了间隙中的有效偏置电压。如果有效电压超过临界阈值（即粘附电压），静电力会超过振膜的机械恢复力，导致其粘附在背板上。如果发生这种情况，接触时的电压可能保持较高，可能在接触点产生较大的浪涌电流。由此产生的局部高温可能会熔化硅材料，导致永久性的物理导通（短路）和结构损伤。对两个麦克风（编号1和4）的故障现象进行比较分析，显示出不同的特征。麦克风1在大约七小时的伽马辐照后表现出饱和截止现象，表明辐射损伤可能导致放大器的输入阶段完全失去线性或偏置稳定性。因此，其导电电流达到最大限，伴随着稳定且恒定的高压输出。这种情况类似于所谓的“深度硬饱和”。相比之下，麦克风4在辐射损伤后似乎进入了高度不稳定的临界工作状态。虽然它处于饱和状态，但内部载流子和其他组件可能继续快速波动，导致输出电压出现轻微的快速变化或振荡。总之，两个设备都因TID效应而经历了饱和故障。然而，由于半导体制造过程中固有的微观差异，即使是在相同辐照条件下使用的相同设备，其故障模式也可能存在细微差别[21,22,23,24,25]。我们假设观察到的功能损失和噪声底阈值升高可能是由以下一种或多种机制共同作用的结果，这些机制可能影响MEMS换能器本身或其配套的ASIC电路：

假设的机制1：由于电荷累积导致的隔膜粘附。已知伽马辐照会在绝缘层中产生并累积正电荷。如果足够的电荷在MEMS隔膜和背板之间的绝缘介质中累积起来，所产生的静电力可能会变得足够强，使得隔膜与背板完全接触并产生永久性的粘附。在这种情况下，隔膜会失去振动能力，从而无法通过改变电容来调节声压。本质上，传感器的功能就丧失了，输出信号也会消失。这一机制可以解释某些单元中出现的声音信号完全丢失的现象[26]。

假设的机制2：ASIC偏置电压的丢失或参考电路的故障。负责向MEMS传感器提供极化电压（Vbias）的电荷泵或电压参考电路可能因辐照而损坏，导致传感器无法接收到所需的偏置电压。在没有适当偏置的情况下，电容式换能器将无法正常工作。

第三种同样合理的假设是ASIC的模拟前端性能退化。伽马射线对CMOS晶体管的电离可能会导致阈值电压变化和泄漏电流显著增加，从而严重降低放大器的性能。结果，放大器的自噪声可能会大幅增加，增益可能变得异常，放大器将无法有效放大来自MEMS传感器的微弱音频信号。此时的输出将会是宽带、高强度的白噪声。在这种情况下，MEMS传感器本身可能仍保留部分功能，但由于下游放大电路的故障，整个频段内系统最终只会产生噪声输出[27,28,29,30,31,32,33]。

需要强调的是，上述描述是基于系统级电气和声学退化现象提出的故障假设。要明确确定主导的故障机制，未来的研究需要包括对MEMS和ASIC部件进行破坏性物理分析、选择性电气测试，以及可能对MEMS换能器和ASIC进行单独的辐照测试。

**5. 结论**

本研究实验性地评估了60Co伽马射线辐照下（辐照速率为0.0342 Gy(Si)/s）对五通道商用MEMS硅麦克风阵列的总电离剂量效应。退化过程可以分为三个明显且可量化的阶段。最初，在累计剂量约为383.8 Gy(Si)之前，麦克风保持正常工作，具有约1.25 mA的稳定供电电流和干净的1 kHz频谱响应。其次，超过这一阈值后，观察到参数逐渐漂移：工作电流单调增加，在823.8 Gy(Si)时增至3.35倍（达到4.19 mA），而在978.1 Gy(Si)时达到最大值8.36 mA，相比初始值增加了6.7倍。第三阶段是功能故障，表现为严重的频谱失真、整个频段内的噪声底阈值升高了10–20 dB，以及声学定位能力的完全丧失。五个单元的平均TID故障阈值为932.6 ± 62.8 Gy(Si)（平均值±标准差，n = 5），95%置信区间为[875.5, 989.7] Gy(Si)。在80 °C下进行168小时的辐照后退火处理后，工作电流恢复到了辐照前的约1.27 mA水平，但声学和频谱性能仍然永久性地退化，这证实了MEMS-ASIC系统内部存在不可逆的结构或电气损伤。所有实验现象被分为三个明确的级别：通道退化、通道故障和系统完全故障。这种统一的故障定义提高了MEMS麦克风阵列辐射耐受性评估的严谨性和重复性。然而，本研究也存在一些特定的局限性。实验是在受控实验室环境下进行的，辐照速率相对较低（0.0342 Gy(Si)/s）；高剂量率辐照或低剂量率辐照增强效应尚未得到研究。此外，调查仅限于一个商用麦克风型号，样本量（n = 5）限制了所报告故障阈值变化的统计可靠性。最后，虽然系统级的故障现象已经明确，但MEMS换能器（电荷累积和粘附）与ASIC（阈值电压变化）之间的损伤区分需要进一步的死后物理分析。在未来工作中解决这些局限性对于开发完全抗辐射的声学监测解决方案至关重要。