MEMS水听器国内研究现状与未来技术发展

众所周知，海洋面积远超陆地面积，海洋中最重要的信息是水声信息。水下声信息的传播与地面传播有所不同，主要差别是：水声在海中传播会受到海水的分层效应和海底及海面的影响，特别是无线电信号和光信号都无法在较深的海水中使用，只能采取声信号的传播来实现水下信息的传递。

随着MEMS与CMOS技术的融合，为水听器的发展带来了无限的可能。特别是近20年，国内军民两用MEMS技术快速发展，推动了水听器在高灵敏、抗噪声、自定位及目标信息识别等方面涌现出一大批技术成果。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自工业和信息化部第四电子研究院、北京航空航天大学、山东省东仪光电有限公司、中国电子科技集团公司第三研究所的研究团队在《传感器与微系统》期刊上联合发表了题为“MEMS水听器国内研究现状与未来技术发展”的综述文章。对MEMS水听器近15年在国内的发展情况做了综述，并针对国家海洋战略、未来批量制造的MEMS水听器，以及在封装和标定技术等方面存在的问题，进行了解读。

从MEMS水听器的研究方向来看，主要有三类：一类是利用氧化锌压电薄膜制成的MEMS水听器；一类是加速度传感器多端支撑量式振动梁式同阵型水听器；另一类单端固定性毛发式水听器。

在MEMS水听器技术发展过程中，其结构不断从传统的平面结构走向纤毛结构，产品形式也从硅阻式、硅电容式、压电和压电薄膜等形式发展为氮化铝（AlN）压电陶瓷薄膜。随着各种新型半导体材料的不断加入，MEMS水听器不仅从单一化走向阵列化，也走向实用化和批量化。例如基于AlN压电薄膜的水听器，成本相比压电陶瓷和光纤水听器显著降低，且成品率与一致性大幅提高，使得MEMS水听器拥有极高的性价比。这对于海洋勘探、航道监测、管网监测、水下导航等大规模民用领域具有重要意义。

在封装技术方面，硅基压电MEMS水听器芯片的出现，使其从设计到工艺，保证了器件的高一致性、高灵敏度与低成本。在校准技术方面，通常需要高灵敏度的磁传感器来辅助确定地磁夹角等参数，量子与隧道式磁传感器，是近10年最明显的技术进步。

近15年来，国内MEMS水听器技术取得了长足的进步，不过，当前仍面临一些问题有待解决，主要集中在以下几方面：（1）提高信噪比；（2）提高灵敏度；（3）制造工艺必须与集成电路工艺相结合，能将阻抗变换器、信号放大器集成一体化；（4）新工艺的引入：多采用牺牲层技术；（5）封装技术：由于采用MEMS半导体封装技术，产品结构更能适合各种水声环境的使用。从有机封装到无机材料的封装，特别是典型的陶瓷外壳封装，可能成为下一代产品的主流；（6）面对大批量制造出来的MEMS水听器，校准问题成为生产制造的重要环节。因此，MEMS水听器的校准，将成为今后大批量生产的重要环节。

随着MEMS技术的快速发展，以及信号处理技术日趋成熟，更多功能的信号处理芯片，将会与新一代材料与工艺相结合，使MEMS水听器像其他力学量传感器一样，从高端市场逐渐走向大众市场，廉价化的水听器时代很快将会到来。

论文链接：
https://doi.org/10.13873/j.1000-9787(2022)08-0157-04

审核编辑 ：李倩