眾所周知，海洋面積遠(yuǎn)超陸地面積，海洋中最重要的信息是水聲信息。水下聲信息的傳播與地面?zhèn)鞑ビ兴煌?，主要差別是：水聲在海中傳播會受到海水的分層效應(yīng)和海底及海面的影響，特別是無線電信號和光信號都無法在較深的海水中使用，只能采取聲信號的傳播來實(shí)現(xiàn)水下信息的傳遞。

隨著MEMS與CMOS技術(shù)的融合，為水聽器的發(fā)展帶來了無限的可能。特別是近20年，國內(nèi)軍民兩用MEMS技術(shù)快速發(fā)展，推動了水聽器在高靈敏、抗噪聲、自定位及目標(biāo)信息識別等方面涌現(xiàn)出一大批技術(shù)成果。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自工業(yè)和信息化部第四電子研究院、北京航空航天大學(xué)、山東省東儀光電有限公司、中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所的研究團(tuán)隊(duì)在《傳感器與微系統(tǒng)》期刊上聯(lián)合發(fā)表了題為“MEMS水聽器國內(nèi)研究現(xiàn)狀與未來技術(shù)發(fā)展”的綜述文章。對MEMS水聽器近15年在國內(nèi)的發(fā)展情況做了綜述，并針對國家海洋戰(zhàn)略、未來批量制造的MEMS水聽器，以及在封裝和標(biāo)定技術(shù)等方面存在的問題，進(jìn)行了解讀。

從MEMS水聽器的研究方向來看，主要有三類：一類是利用氧化鋅壓電薄膜制成的MEMS水聽器；一類是加速度傳感器多端支撐量式振動梁式同陣型水聽器；另一類單端固定性毛發(fā)式水聽器。

在MEMS水聽器技術(shù)發(fā)展過程中，其結(jié)構(gòu)不斷從傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)走向纖毛結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品形式也從硅阻式、硅電容式、壓電和壓電薄膜等形式發(fā)展為氮化鋁（AlN）壓電陶瓷薄膜。隨著各種新型半導(dǎo)體材料的不斷加入，MEMS水聽器不僅從單一化走向陣列化，也走向?qū)嵱没团炕?。例如基于AlN壓電薄膜的水聽器，成本相比壓電陶瓷和光纖水聽器顯著降低，且成品率與一致性大幅提高，使得MEMS水聽器擁有極高的性價比。這對于海洋勘探、航道監(jiān)測、管網(wǎng)監(jiān)測、水下導(dǎo)航等大規(guī)模民用領(lǐng)域具有重要意義。

在封裝技術(shù)方面，硅基壓電MEMS水聽器芯片的出現(xiàn)，使其從設(shè)計(jì)到工藝，保證了器件的高一致性、高靈敏度與低成本。在校準(zhǔn)技術(shù)方面，通常需要高靈敏度的磁傳感器來輔助確定地磁夾角等參數(shù)，量子與隧道式磁傳感器，是近10年最明顯的技術(shù)進(jìn)步。

近15年來，國內(nèi)MEMS水聽器技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，不過，當(dāng)前仍面臨一些問題有待解決，主要集中在以下幾方面：（1）提高信噪比；（2）提高靈敏度；（3）制造工藝必須與集成電路工藝相結(jié)合，能將阻抗變換器、信號放大器集成一體化；（4）新工藝的引入：多采用犧牲層技術(shù)；（5）封裝技術(shù)：由于采用MEMS半導(dǎo)體封裝技術(shù)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更能適合各種水聲環(huán)境的使用。從有機(jī)封裝到無機(jī)材料的封裝，特別是典型的陶瓷外殼封裝，可能成為下一代產(chǎn)品的主流；（6）面對大批量制造出來的MEMS水聽器，校準(zhǔn)問題成為生產(chǎn)制造的重要環(huán)節(jié)。因此，MEMS水聽器的校準(zhǔn)，將成為今后大批量生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。

隨著MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，以及信號處理技術(shù)日趨成熟，更多功能的信號處理芯片，將會與新一代材料與工藝相結(jié)合，使MEMS水聽器像其他力學(xué)量傳感器一樣，從高端市場逐漸走向大眾市場，廉價化的水聽器時代很快將會到來。

論文鏈接：
https://doi.org/10.13873/j.1000-9787(2022)08-0157-04

審核編輯 ：李倩