MEMS技術的快速發展，使得矢量水聽器有了實現低成本、低功耗和小型化的可能，并且更易成陣，是矢量水聽器未來發展的一個重要方向。因此，利用MEMS技術研究和開發矢量水聽器具有重要的研究意義。

據麥姆斯咨詢報道，為了進一步提髙壓電矢量水聽器的靈敏度，中國科學院聲學研究所李俊紅研究團隊對一種具有Ｕ形槽或雙Ｕ形槽結構的MEMS壓電矢量水聽器進行了仿真分析與優化，采用微機械加工技術研制出水聽器芯片，并對芯片進行了封裝與性能測試。結果表明，具有雙U形槽結構的矢量水聽器的靈敏度比傳統的單臂懸臂梁結構的靈敏度高約5.9 dB，并且具有良好的指向性。相關研究成果已發表于《聲學學報》期刊。

傳統的MEMS壓電矢量水聽器的敏感結構如圖1所示，主要包括由壓電層和彈性層組成的彈性復合懸臂梁以及質量塊。氧化鋅（ZnO）薄膜作為結構的壓電層，位于硅懸臂梁之上，與硅梁之間有一層二氧化硅（SiO2），主要用于絕緣。相比傳統的單臂懸臂梁結構，李俊紅研究團隊提出了一種具有U形或雙U形的懸臂梁結構，結構如圖2所示。通過刻蝕單個或兩個U形槽，使單懸臂梁結構變為2個或3個尺寸相同，并且在力學上并聯的懸臂梁結構來實現靈敏度的提高。同時對各懸臂梁上的壓電薄膜換能結構進行電學上串聯，從而使靈敏度得到進一步提高。

圖1 單臂懸臂梁結構：（a）三維結構；（b）剖面圖

圖2 具有U形槽的懸臂梁結構：（a）U形槽結構；（b）雙U形槽結構

為了更準確地優化器件結構，研究人員提出了理論靈敏度和能量結合的綜合分析方法，在考慮雜散電容的情況下，對敏感結構進行了更加精確地優化。試驗結果表明，所提出的優化方法比僅考慮理論靈敏度的傳統優化方法具有更高的準確度。

基于ZnO壓電薄膜的MEMS壓電矢量水聽器芯片的具體結構包括Si材質的基底，由Si梁、SiO2層、壓電層和上下電極組成的復合懸臂梁，以及Si材質的質量塊。上下電極選擇在懸臂梁根部處，其面積分別為壓電層的20%、50%和66%，不同電極面積的芯片結構如圖3所示。圖4為切片后MEMS壓電矢量水聽器芯片實物圖、光學顯微照片以及SEM圖，芯片尺寸為4 mm x 4 mm x 0.52 mm。

圖3 不同電極面積的雙U形槽結構：（a）壓電層面積的20%；（b）壓電層面積的50%；（c）壓電層面積的66%

圖4 MEMS壓電矢量水聽器芯片：（a）切片后的實物圖；（b）芯片結構正面的光學顯微照片；（c）芯片結構背面的SEM圖；（d）芯片結構從AA’截面觀察的SEM剖面圖

研究人員對所制備的MEMS壓電矢量水聽器進行了性能測試。實驗結果表明，當電極面積為ZnO薄膜的50 %時，靈敏度達到最大，而不是20%（不考慮雜散電容時，理論靈敏度更高）。通過分析，可以得出結論，理論靈敏度和能量的綜合優化方法明顯比僅考慮理論靈敏度時更準確。這主要是由于實際器件中的雜散電容較大，采用綜合優化的方法可以較為準確地分析雜散電容對器件實際靈敏度的影響。此外，具有雙U形槽結構的MEMS壓電矢量水聽器的靈敏度比單臂懸臂梁結構高約5.9 dB，其在1 kHz下的等效聲壓靈敏度為-186.8 dB（Ref 1 V/μPa，放大34 dB），并且具有良好的指向性。

圖5 不同電極面積下，雙U形槽結構的加速度靈敏度的頻響特性曲線

圖6 不同結構的MEMS壓電矢量水聽器的等效聲壓靈敏度的頻響特性曲線

研究人員稱，后續將通過提出降低質量塊的橫向自由度的方法來進一步提高器件的指向性。另一方面，可對高壓電性能的ZnO薄膜材料進行研制與優化，通過提高材料的壓電性能來達到靈敏度的提高，而不以犧牲指向性為代價。總體來說這項研究提出的MEMS壓電矢量水聽器具有明顯的指向性，以及較高的靈敏度，具有一定的應用優勢。

審核編輯：劉清