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(huì)受到海水的分層效應(yīng)和海底及海面的影響，特別是無(wú)線電信號(hào)和光信號(hào)都無(wú)法在較深的海水中使用，只能采取聲信號(hào)的傳播來(lái)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(tīng)器的發(fā)展帶來(lái)了無(wú)限的可能。特別是近20年，國(guó)內(nèi)軍民兩用MEMS技術(shù)快速發(fā)展，推動(dòng)了水聽(tīng)器在高靈敏、抗噪聲、自定位及目標(biāo)信息識(shí)別等方面涌現(xiàn)出一大批技術(shù)成果。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來(lái)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(guó)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(tīng)器國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀與未來(lái)技術(shù)發(fā)展”的綜述文章。對(duì)MEMS水聽(tīng)器近15年在國(guó)內(nèi)的發(fā)展情況做了綜述，并針對(duì)國(guó)家海洋戰(zhàn)略、未來(lái)批量制造的MEMS水聽(tīng)器，以及在封裝和標(biāo)定技術(shù)等方面存在的問(wèn)題，進(jìn)行了解讀。

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

在MEMS水聽(tīng)器技術(shù)發(fā)展過(guò)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(tīng)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(tīng)器，成本相比壓電陶瓷和光纖水聽(tīng)器顯著降低，且成品率與一致性大幅提高，使得MEMS水聽(tīng)器擁有極高的性價(jià)比。這對(duì)于海洋勘探、航道監(jiān)測(cè)、管網(wǎng)監(jiān)測(cè)、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(tīng)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(lái)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(lái)，國(guó)內(nèi)MEMS水聽(tīng)器技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，不過(guò)，當(dāng)前仍面臨一些問(wèn)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(hào)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(wú)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(duì)大批量制造出來(lái)的MEMS水聽(tīng)器，校準(zhǔn)問(wèn)題成為生產(chǎn)制造的重要環(huán)節(jié)。因此，MEMS水聽(tīng)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(hào)處理技術(shù)日趨成熟，更多功能的信號(hào)處理芯片，將會(huì)與新一代材料與工藝相結(jié)合，使MEMS水聽(tīng)器像其他力學(xué)量傳感器一樣，從高端市場(chǎng)逐漸走向大眾市場(chǎng)，廉價(jià)化的水聽(tīng)器時(shí)代很快將會(huì)到來(lái)。

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

審核編輯 ：李倩