第37卷第1期 李俊红等:MEMS压电水听器和矢量水听器研究进展 103 185 10000 频率/Hz 频率/Hz (a)低频段(20Hz~1kHz) (b)高频段(1kHz~20kHz) 图2MEMS水听器频率响应曲线 Fig. 2 Frequency response curve of MEMS hydroph 22MEMs压电矢量水听器 块一般都由体硅刻蚀工艺形成,压电复合悬臂梁主 MEMS压电矢量水听器的核心传感部件是压要包含硅层、氧化层、上下电极和压电层 电加速度计。如图3所示,MEMS压电加速度计主 通过近似解析分析,MEMS压电加速度计的灵 要结构为顶端带有质量块的压电复合悬臂梁。质量敏度Mn可以表示为13 m(l+lm).hp hp/2+a Mn=292p7E)(b3-32+302h)+ (32)号+30+34) 其中,E和Eb分别为压电薄膜和基底层的等效杨 我们通过微加工技术研制了基于ZnO薄膜的 氏模量,h和b分别为压电复合悬臂梁的厚度和宽MEMS压电加速度传感芯片,单个芯片的尺寸约为 度,hp为压电层的厚度,a为压电层与基底接触面6mmx5mm。将制得的MEMS压电加速度计粘 到压电复合悬臂梁中性面的距离,l和lm分别为悬接在材质为铝的同振壳体的底面上,并配有泡沫塑 臂梁的长度和质量块的边长。可见MEMS压电加料浮体,使得平均密度接近1.1g/cm3。图4为封装 度计的灵敏度与压电薄膜的压电系数ga1成正比。后的MEMS压电矢量水听器,测试和实际应用时需 而压电薄膜的g2与压电系数d31成正比,与压电薄将MEMS压电矢量水听器悬挂在弹簧框架结构上 膜的介电常数成反比。MEMS器件中常用的压电薄对所制备的MEMS压电矢量水听器进行了测试,如 膜主要有锆钛酸铅(PZT)薄膜、氧化锌(znO)薄膜图5所示。从图5中可看出在1kHz时等效声压灵 和氮化铝(AIN)薄膜。其中AN薄膜的压电系数最敏度为-2254B(ref.1V/Pa),比同类型的压 低,而常用的PzT薄膜虽然压电系数d31最高,但同阻式MEMS矢量水听器的灵敏度高17dB以上 时它的介电常数也很高,所以ZnO薄膜的压电系数同时也可以看出频率改变一个倍频程,其等效声压 ga1最高,最适合作为MEMS压电加速度传感器的 压电层 底电极 硅悬臂梁 图3MEMS压电矢量水听器传感芯片结构示意图 Fig 3 Schematic diagram of mems piezoelectric 图4MEMS压电矢量水听器 hydrophone sensor chip Fig 4 MEMS Piezoelectric vector hydrophone第37 卷 第 1期 李俊红等： MEMS压电水听器和矢量水听器研究进展 103 10 100 1000 -225 -220 -215 -210 -205 -200 -195 -190 -185 ༧ஐए/dB(ref. 1V/mPa) ᮠဋ/Hz ᮠဋ/Hz (a) Ͱᮠ඀
(20 Hz~1 kHz) (b) ᰴᮠ඀ (1 kHz~20 kHz) 1000 10000 -250 -240 -230 -220 -210 -200 -190 -180 -170 ༧ஐए/dB(ref. 1V/mPa) 图 2 MEMS 水听器频率响应曲线 Fig. 2 Frequency response curve of MEMS hydrophone 2.2 MEMS压电矢量水听器 MEMS压电矢量水听器的核心传感部件是压 电加速度计。如图3所示，MEMS压电加速度计主 要结构为顶端带有质量块的压电复合悬臂梁。质量 块一般都由体硅刻蚀工艺形成，压电复合悬臂梁主 要包含硅层、氧化层、上下电极和压电层。 通过近似解析分析，MEMS压电加速度计的灵 敏度Ma 可以表示为[13] Ma = 1 2 g31Ep m(l + lm) · hp (Eb 3 ) (h 3 − 3ah2 + 3a 2h) + (Ep 3 ) (h 3 p + 3ah2 p + 3a 2hp) · hp/2 + a b , (1) 其中，Ep 和Eb 分别为压电薄膜和基底层的等效杨 氏模量，h和b分别为压电复合悬臂梁的厚度和宽 度，hp 为压电层的厚度，a为压电层与基底接触面 到压电复合悬臂梁中性面的距离，l 和lm 分别为悬 臂梁的长度和质量块的边长。可见MEMS压电加 速度计的灵敏度与压电薄膜的压电系数g31 成正比。 而压电薄膜的g31 与压电系数d31 成正比，与压电薄 膜的介电常数成反比。MEMS器件中常用的压电薄 膜主要有锆钛酸铅(PZT)薄膜、氧化锌(ZnO) 薄膜 和氮化铝(AlN)薄膜。其中AlN薄膜的压电系数最 低，而常用的PZT薄膜虽然压电系数d31 最高，但同 时它的介电常数也很高，所以ZnO薄膜的压电系数 g31 最高，最适合作为MEMS压电加速度传感器的 压电层。 ڱ᧚᠏ SiO2 ᆪ২ᒦ್ ᮇႃౝ अႃౝ ZnO 图 3 MEMS 压电矢量水听器传感芯片结构示意图 Fig. 3 Schematic diagram of MEMS piezoelectric hydrophone sensor chip 我们通过微加工技术研制了基于ZnO薄膜的 MEMS压电加速度传感芯片，单个芯片的尺寸约为 6 mm × 5 mm。将制得的MEMS压电加速度计粘 接在材质为铝的同振壳体的底面上，并配有泡沫塑 料浮体，使得平均密度接近1.1 g/cm3。图4为封装 后的MEMS压电矢量水听器，测试和实际应用时需 将MEMS压电矢量水听器悬挂在弹簧框架结构上。 对所制备的MEMS压电矢量水听器进行了测试，如 图5所示。从图5中可看出在1 kHz时等效声压灵 敏度为−229.5 dB (ref. 1 V/µPa)，比同类型的压 阻式MEMS矢量水听器的灵敏度高17 dB以上[5]。 同时也可以看出频率改变一个倍频程，其等效声压 图 4 MEMS 压电矢量水听器 Fig. 4 MEMS piezoelectric vector hydrophone