具有高靈敏度和良好指向性的新型MEMS壓電矢量水聽器

MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，使得矢量水聽器有了實現(xiàn)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(fā)展的一個重要方向。因此，利用MEMS技術(shù)研究和開發(fā)矢量水聽器具有重要的研究意義。

據(jù)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(jié)構(gòu)的MEMS壓電矢量水聽器進行了仿真分析與優(yōu)化，采用微機械加工技術(shù)研制出水聽器芯片，并對芯片進行了封裝與性能測試。結(jié)果表明，具有雙U形槽結(jié)構(gòu)的矢量水聽器的靈敏度比傳統(tǒng)的單臂懸臂梁結(jié)構(gòu)的靈敏度高約5.9 dB，并且具有良好的指向性。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《聲學學報》期刊。

傳統(tǒng)的MEMS壓電矢量水聽器的敏感結(jié)構(gòu)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(zhì)量塊。氧化鋅（ZnO）薄膜作為結(jié)構(gòu)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(tǒng)的單臂懸臂梁結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過刻蝕單個或兩個U形槽，使單懸臂梁結(jié)構(gòu)變?yōu)?個或3個尺寸相同，并且在力學上并聯(lián)的懸臂梁結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)靈敏度的提高。同時對各懸臂梁上的壓電薄膜換能結(jié)構(gòu)進行電學上串聯(lián)，從而使靈敏度得到進一步提高。

圖1 單臂懸臂梁結(jié)構(gòu)：（a）三維結(jié)構(gòu)；（b）剖面圖

圖2 具有U形槽的懸臂梁結(jié)構(gòu)：（a）U形槽結(jié)構(gòu)；（b）雙U形槽結(jié)構(gòu)

為了更準確地優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，研究人員提出了理論靈敏度和能量結(jié)合的綜合分析方法，在考慮雜散電容的情況下，對敏感結(jié)構(gòu)進行了更加精確地優(yōu)化。試驗結(jié)果表明，所提出的優(yōu)化方法比僅考慮理論靈敏度的傳統(tǒng)優(yōu)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(jié)構(gòu)包括Si材質(zhì)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(zhì)的質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)：（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(jié)構(gòu)正面的光學顯微照片；（c）芯片結(jié)構(gòu)背面的SEM圖；（d）芯片結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)論，理論靈敏度和能量的綜合優(yōu)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(yōu)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(jié)構(gòu)的MEMS壓電矢量水聽器的靈敏度比單臂懸臂梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的加速度靈敏度的頻響特性曲線

圖6 不同結(jié)構(gòu)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(xù)將通過提出降低質(zhì)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(yōu)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?？傮w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(yīng)用優(yōu)勢。

審核編輯：劉清