具有高灵敏度和良好指向性的新型MEMS压电矢量水听器

MEMS技术的快速发展，使得矢量水听器有了实现低成本、低功耗和小型化的可能，并且更易成阵，是矢量水听器未来发展的一个重要方向。因此，利用MEMS技术研究和开发矢量水听器具有重要的研究意义。

据麦姆斯咨询报道，为了进一步提髙压电矢量水听器的灵敏度，中国科学院声学研究所李俊红研究团队对一种具有Ｕ形槽或双Ｕ形槽结构的MEMS压电矢量水听器进行了仿真分析与优化，采用微机械加工技术研制出水听器芯片，并对芯片进行了封装与性能测试。结果表明，具有双U形槽结构的矢量水听器的灵敏度比传统的单臂悬臂梁结构的灵敏度高约5.9 dB，并且具有良好的指向性。相关研究成果已发表于《声学学报》期刊。

传统的MEMS压电矢量水听器的敏感结构如图1所示，主要包括由压电层和弹性层组成的弹性复合悬臂梁以及质量块。氧化锌（ZnO）薄膜作为结构的压电层，位于硅悬臂梁之上，与硅梁之间有一层二氧化硅（SiO2），主要用于绝缘。相比传统的单臂悬臂梁结构，李俊红研究团队提出了一种具有U形或双U形的悬臂梁结构，结构如图2所示。通过刻蚀单个或两个U形槽，使单悬臂梁结构变为2个或3个尺寸相同，并且在力学上并联的悬臂梁结构来实现灵敏度的提高。同时对各悬臂梁上的压电薄膜换能结构进行电学上串联，从而使灵敏度得到进一步提高。

图1 单臂悬臂梁结构：（a）三维结构；（b）剖面图

图2 具有U形槽的悬臂梁结构：（a）U形槽结构；（b）双U形槽结构

为了更准确地优化器件结构，研究人员提出了理论灵敏度和能量结合的综合分析方法，在考虑杂散电容的情况下，对敏感结构进行了更加精确地优化。试验结果表明，所提出的优化方法比仅考虑理论灵敏度的传统优化方法具有更高的准确度。

基于ZnO压电薄膜的MEMS压电矢量水听器芯片的具体结构包括Si材质的基底，由Si梁、SiO2层、压电层和上下电极组成的复合悬臂梁，以及Si材质的质量块。上下电极选择在悬臂梁根部处，其面积分别为压电层的20%、50%和66%，不同电极面积的芯片结构如图3所示。图4为切片后MEMS压电矢量水听器芯片实物图、光学显微照片以及SEM图，芯片尺寸为4 mm x 4 mm x 0.52 mm。

图3 不同电极面积的双U形槽结构：（a）压电层面积的20%；（b）压电层面积的50%；（c）压电层面积的66%

图4 MEMS压电矢量水听器芯片：（a）切片后的实物图；（b）芯片结构正面的光学显微照片；（c）芯片结构背面的SEM图；（d）芯片结构从AA’截面观察的SEM剖面图

研究人员对所制备的MEMS压电矢量水听器进行了性能测试。实验结果表明，当电极面积为ZnO薄膜的50 %时，灵敏度达到最大，而不是20%（不考虑杂散电容时，理论灵敏度更高）。通过分析，可以得出结论，理论灵敏度和能量的综合优化方法明显比仅考虑理论灵敏度时更准确。这主要是由于实际器件中的杂散电容较大，采用综合优化的方法可以较为准确地分析杂散电容对器件实际灵敏度的影响。此外，具有双U形槽结构的MEMS压电矢量水听器的灵敏度比单臂悬臂梁结构高约5.9 dB，其在1 kHz下的等效声压灵敏度为-186.8 dB（Ref 1 V/μPa，放大34 dB），并且具有良好的指向性。

图5 不同电极面积下，双U形槽结构的加速度灵敏度的频响特性曲线

图6 不同结构的MEMS压电矢量水听器的等效声压灵敏度的频响特性曲线

研究人员称，后续将通过提出降低质量块的横向自由度的方法来进一步提高器件的指向性。另一方面，可对高压电性能的ZnO薄膜材料进行研制与优化，通过提高材料的压电性能来达到灵敏度的提高，而不以牺牲指向性为代价。总体来说这项研究提出的MEMS压电矢量水听器具有明显的指向性，以及较高的灵敏度，具有一定的应用优势。

审核编辑：刘清