中北大学研发MEMS水听器聚声封装方案，助力高性能水下声探测应用
2026-05-06 20:24:07 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
为解决传统MEMS矢量水听器封装中声波衰减的难题，中北大学张国军教授科研团队开发了一种带锥形孔（TA）和尼龙聚声帽（NSC）的聚声封装方案。理论分析与COMSOL仿真表明，锥形几何结构（外宽内窄的孔道）能够集中声能，从而增强敏感元件处的质点加速度。
声波是海洋中的主要信息载体，许多国家日益重视海洋研究。作为水下声探测的关键器件，矢量水听器相比标量水听器能提供更高的目标探测精度。然而，水听器的性能在很大程度上依赖于封装，由于封装技术尚未成熟，其实际应用仍面临挑战。因此，开发新型封装结构以提升其工作频带内的灵敏度已成为研究重点。
据麦姆斯咨询报道，为解决传统MEMS矢量水听器封装中声波衰减的难题，中北大学张国军教授科研团队开发了一种带锥形孔（TA）和尼龙聚声帽（NSC）的聚声封装方案。理论分析与COMSOL仿真表明，锥形几何结构（外宽内窄的孔道）能够集中声能，从而增强敏感元件处的质点加速度。实验结果显示，尼龙聚声帽在100 Hz下的灵敏度达到-186.4 dB，相比钢网透声帽和无封装裸纤毛，分别提升了7.9 dB和6.1 dB。尼龙聚声帽封装水听器在315 Hz处指向性零陷深度达40.98 dB，较钢网透声帽和无封装裸纤毛分别高出7.35 dB和5.49 dB。尼龙材料的低杨氏模量和低密度确保了其在水中的固有频率（942.07 Hz）高于工作频带（20-500 Hz），从而避免结构共振，保证高信噪比输出。经驻波管试验验证，该聚声设计为高灵敏度、高指向性的水下声探测提供了有效解决方案。相关研究成果以“Sound-focusing package for MEMS vector hydrophone”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
在这项研究工作中，为解决透声帽引起的声波衰减问题，研究人员开发了一种用于提升MEMS矢量水听器性能的聚声封装结构。该封装结构首先在水听器的敏感元件上沉积一层聚对二甲苯薄膜，然后在其周围设置一个刚性聚声帽（SC），该聚声帽上均匀分布有外宽内窄的锥形孔。当声波穿过锥形孔时，其横截面积减小，从而将声能集中到仿生纤毛上。
MEMS矢量水听器的敏感元件和聚声帽
船舶辐射噪声是海洋环境噪声的主要组成部分，主要存在于20-500 Hz频带。研究人员在此范围内进行了聚声封装结构的研究。使用COMSOL软件对锥形孔结构和聚声帽材料进行了仿真分析，详细建模如下图所示。
聚声帽与锥形孔的仿真模型，以及用于锥形孔数据分析的3D线条
为分析经锥形孔聚焦后的声波对仿生纤毛的影响，选取了三个关键点：输入端口A、输出端口B以及仿生纤毛位置C。连接上述三点建立3D线条，用于分析沿该线条的质点加速度。在20-500 Hz范围扫频分析显示，质点加速度随频率的变化趋势具有一致性，因此选取315 Hz的仿真结果进行分析。在固定输入端口半径（R₁）的情况下，当锥形孔长度（L）在10-22 mm范围内变化时，B点的加速度趋势与输出端口半径（R₂）的变化相匹配，因此选取L = 10 mm的结果进行分析。基于上述结果，锥形孔的几何尺寸设定为：R₁ = 2 mm，R₂ = 0.5 mm，L = 22 mm。虽然L应尽可能增大以实现最佳性能，但同时也必须兼顾MEMS水听器的便携性。
在输入端口半径（R₁）保持不变的情况下，锥形孔结构对质点加速度的影响
研究人员分别采用钢、铝和尼龙三种材料，设计了三种聚声帽：钢聚声帽、铝聚声帽和尼龙聚声帽。为了满足水听器在20-500 Hz范围内的工作需求，分析了三种不同材料聚声帽在空气和水中的固有频率，结果显示，钢聚声帽、铝聚声帽和尼龙聚声帽在空气中的固有频率分别为6796.4 Hz、6357.4 Hz和1712.5 Hz，在水中的固有频率分别为5733.2 Hz、4520.4 Hz和942.07 Hz。尼龙聚声帽在水中的固有频率高于500 Hz，满足水听器的频带要求。此外，尼龙的加速度明显高于钢和铝，这表明其具有更好的声透射性能和灵敏度。由于尼龙聚声帽的带宽满足水听器20-500 Hz的要求，因此选择尼龙作为聚声帽的材料。
三种聚声帽材料的对比仿真
为了模拟指向性，仿生纤毛结构被置于尼龙聚声帽和钢网透声帽的中心。下图中展示了声源环绕尼龙聚声帽和钢网透声帽后，仿生纤毛结构输出的声压信号指向性图。这些图表明，尼龙聚声帽的零陷深度大于钢网透声帽。此外，尼龙聚声帽内部的质点加速度，大于其外部加速度以及钢网透声帽内部的加速度。结果表明，尼龙聚声帽有利于声波传播，并且在声学性能方面优于钢网透声帽。
尼龙聚声帽与钢网透声帽的对比仿真
尼龙聚声帽原型如下图所示，通过3D打印制造。MEMS水听器的关键部件是其敏感结构（十字梁和纤毛）。十字梁通过MEMS工艺制造，包括离子注入、欧姆接触形成、背面/正面硅刻蚀等。在二次集成阶段，纤毛利用基于投影微立体光刻技术的微精密打印机直接3D打印到芯片块上。为确保测试条件一致，同一个水听器分别采用了尼龙聚声帽、无封装裸纤毛和钢网透声帽三种封装形式进行测试。
带聚声封装的MEMS矢量水听器制备
MEMS矢量水听器的性能测试主要包括灵敏度测试和指向性测试，这些测试在驻波管校准系统中完成。在100 Hz下，尼龙聚声帽、无封装裸纤毛、钢网透声帽的灵敏度分别为-186.4 dB、-192.5 dB、-194.3 dB。在315 Hz下，尼龙聚声帽、无封装裸纤毛、钢网透声帽的零陷深度分别为40.98 dB、35.49 dB、33.63 dB，表明聚声封装提升了目标定位性能。
测试结果
综上所述，本研究通过聚声帽和锥形孔结构的优化设计，实现了MEMS矢量水听器在复杂海洋环境下的高灵敏度声信号接收与精准目标定位。基于声传播理论与集总参数模型，建立了横截面积收缩模型，系统分析了锥形孔几何参数对质点加速度的影响。通过COMSOL仿真验证了锥形结构的声能汇聚效应。尼龙聚声帽在100 Hz处的灵敏度达到-186.4 dB，相比钢网透声帽和无封装裸纤毛分别提升了7.9 dB和6.1 dB。这一性能提升源于锥形孔几何聚焦效应与尼龙材料低阻抗特性的协同作用，避免了传统封装引起的信号衰减。
指向性测试进一步表明，尼龙聚声帽封装的MEMS水听器在工作频带内表现出优异的方位分辨能力，其零陷深度达到40.98 dB，相比钢网透声帽和无封装裸纤毛分别提高了7.35 dB和5.49 dB，且其指向性图与理想的余弦分布高度吻合。这一改进归因于聚声帽对声波的定向调制。尼龙材料在水中的固有频率（942.07 Hz）远高于水听器的工作频带（20-500 Hz），避免了结构共振引起的噪声叠加到声信号上，并确保了高信噪比输出。测试结果与理论模型及仿真分析高度一致，验证了聚声封装结构在提升灵敏度和指向性方面的有效性与先进性。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01112-0
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