基于ScAlN的双压电层MEMS水听器，灵敏度与探测能力显著提升
2026-02-26 13:20:45 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员提出并验证了一种基于掺钪氮化铝复合薄膜的双压电层MEMS水听器，通过20%掺钪提升了材料的压电系数，并采用双压电层结构与差分读出方式，有效增强了MEMS水听器在低频被动声呐系统中的灵敏度与探测能力。
作为水声探测领域的关键器件，水听器在水下声学通信、海军作战、水下成像、定位以及声呐系统等应用中发挥着越来越重要的作用。随着水听器应用场景的不断拓展，业界对其性能提出了更高的要求，包括更高的灵敏度、更低的等效噪声密度（END）、更优异的线性度以及进一步的小型化。
MEMS技术的发展推动了水听器设计向小型化与集成化方向转变。压电MEMS水听器中常用的压电薄膜材料包括锆钛酸铅（PZT）、氧化锌（ZnO）和氮化铝（AlN）。其中，掺钪氮化铝（ScAlN）因其晶体结构更“柔软”且电负性更高，相比AlN可获得更高的压电常数，因此受到越来越多关注。
据麦姆斯咨询报道，针对AlN基MEMS水听器压电系数较低、灵敏度受限的问题，上海第二工业大学与中北大学研究团队联合提出并验证了一种基于掺钪氮化铝复合薄膜（Sc₀.₂Al₀.₈N）的双压电层MEMS水听器，通过20%掺钪提升了材料的压电系数，并采用双压电层结构与差分读出方式，有效增强了MEMS水听器在低频被动声呐系统中的灵敏度与探测能力。相关研究成果以“Design and Development of Sc₀.₂Al₀.₈N-Based Dual-Piezoelectric-Layer MEMS Hydrophone”为题发表在Micromachines期刊上。
图1 本研究的图文摘要
在这项工作中，研究人员系统分析了器件几何结构、ScAlN薄膜厚度以及电极形状对水听器性能的影响，开发了一种基于Sc₀.₂Al₀.₈N的双压电层MEMS水听器。该器件采用8 × 8阵列结构，单个阵元由压电层（Mo-Sc₀.₂Al₀.₈N-Mo-Sc₀.₂Al₀.₈N-Mo）、支撑层和衬底层组成；其双压电层设计旨在拓展带宽，同时结合掺钪、差分读出、阵列结构和电极尺寸优化等方法，在接收模式下增加电荷量，进而提升器件的输出性能。
图2 基于ScAlN的双压电层MEMS水听器及其阵列单元示意图
图3（a）基于ScAlN的双压电层MEMS水听器制造工艺；（b）ScAlN薄膜的X射线衍射（XRD）图
图4 基于ScAlN的双压电层MEMS水听器的封装结构
根据标准水声标定测试结果，该双压电层MEMS水听器在20 Hz ~ 50 kHz频段内的平均声压灵敏度达到−162 dB（re: 1 V/μPa），等效噪声密度为55 dB（re: 1 μPa/√Hz），线性度为99%。该双压电层MEMS水听器的综合性能优异，为水下感知与探测提供了新的解决方案，并为被动声呐系统性能优化开辟了新路径。
图5 MEMS水听器在（a）空气中和（b）去离子水中的阻抗曲线
图6 不同频率下MEMS水听器的灵敏度曲线
图7 MEMS水听器实测的（a）噪声分辨率和（b）等效噪声分辨率
图8 1000 Hz下MEMS水听器在水中的线性度结果
综上所述，这项研究提出一种基于ScAlN的双压电层MEMS水听器创新设计。该设计结合双压电层结构与钪掺杂技术，在拓宽频响范围的同时，显著提升了材料压电系数与器件灵敏度。这项研究为下一代高性能水听器的开发提供了一条有前景的技术路线。
论文信息：https://doi.org/10.3390/mi17020235
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