石英纤毛式MEMS矢量水听器，有效提升低频灵敏度
2026-11-01 11:29:11 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文提出一种基于空心石英纤毛的MEMS矢量水听器。该设计可避免纤毛在振动时因弯曲变形而造成的能量损耗，从而将声驱动力高效传递至十字梁；同时，以空心圆柱结构替代传统实心纤毛，在保持外部几何尺寸不变的同时增大有效受声面积、降低附加质量，实现材料与结构的协同优化。
电磁波（包括光波）在海水中会发生严重衰减，有效传播距离极其有限，难以满足中远距离水下信息传输的需求。相比之下，声波作为机械波在水中的传播损耗较低、可远距离传输，是水下信息传输的主要载体。矢量水听器能够在同一测点同步获取声压与振速矢量信息，从而实现单点定向测量。矢量水听器主要沿压电式、光纤式和仿生式三条技术路线发展。其中，仿生纤毛式微机电系统（MEMS）矢量水听器因结构简单、功耗低且易于阵列集成而受到广泛关注。然而，这类设计仍面临低频灵敏度提升与工作带宽保持之间的权衡问题，因而难以满足日益增长的微弱低频信号探测需求。
据麦姆斯咨询报道，近日，由崂山实验室、集美大学与厦门大学组成的研究团队提出一种基于空心石英纤毛的MEMS矢量水听器。该设计可避免纤毛在振动时因弯曲变形而造成的能量损耗，从而将声驱动力高效传递至十字梁；同时，以空心圆柱结构替代传统实心纤毛，在保持外部几何尺寸不变的同时增大有效受声面积、降低附加质量，实现材料与结构的协同优化，从而提升纤毛在低频声场中的声-力转换效率。研究人员利用COMSOL Multiphysics软件对石英纤毛的外半径、高度等几何参数进行参数化仿真，确定了最优尺寸，并采用标准水听器比较法在20–1000 Hz频率范围内测试原型的灵敏度与指向性。结果显示，该石英纤毛式MEMS矢量水听器（QCVH）在1000 Hz处接收灵敏度达−179.1 dB（参考值为1 V/µPa），较传统纤毛式矢量水听器提升约17.6 dB。该研究为提升MEMS矢量水听器低频灵敏度提供了一种有效方案，所设计器件能够满足水下目标探测需求，具有良好的工程应用前景。相关研究成果以“Design and Implementation of a Quartz Cilia MEMS Vector Hydrophone”为题发表于Micromachines期刊。
石英纤毛式MEMS矢量水听器原理
仿生原理
该石英纤毛式MEMS矢量水听器的敏感结构基于鱼类侧线系统的感知机理，采用MEMS技术和压阻原理设计。该敏感结构由仿生纤毛、中心质量块与四梁式硅微结构组成（如图1a）。纤毛通过中心质量块与呈十字排布的四根硅悬臂梁刚性连接。当水下声波作用于纤毛时，声压梯度驱动纤毛产生受迫振动，振动经中心质量块传递至悬臂梁根部，使悬臂梁发生弯曲变形；采用MEMS工艺集成在悬臂梁表面高应力区域的压阻元件，其电阻值随应力变化而改变，再经惠斯通电桥转换为差分电压信号，从而完成声波到电信号的转换。
图1 石英纤毛与惠斯通电桥示意图
应力与固有频率分析
潜艇和水面舰船等典型水下目标的辐射噪声，其能量重心主要集中在100–1000 Hz频段。该频段声波在水中传播距离较远、衰减较慢，是水下目标探测与识别的主要信息载体，因此水听器的工作带宽应覆盖这一核心频段。水听器的工作带宽与其敏感结构的固有频率密切相关，固有频率很大程度上决定了机械系统能够有效响应的频率上限。
石英纤毛式MEMS矢量水听器仿真分析
与传统的树脂材料相比，石英具有更高的刚度，可有效降低振动过程中的机械能耗散，从而提高声-力转换效率。同时，石英密度接近水，有利于纤毛随水粒子共同振动。该MEMS水听器设计采用空心圆柱形结构纤毛，在相同外径条件下，空心结构能够显著增大受声面积、增强声驱动力。此外，空心结构还可降低纤毛的附加质量，有助于保持较高的固有频率，从而维持水听器的工作带宽。
研究人员以纤毛外半径R与高度H为主要设计变量，分析二者对悬臂梁最大应力及结构固有频率的影响。仿真结果如图2所示：随R、H增大，悬臂梁最大应力单调上升，而结构的固有频率单调下降，结果表明灵敏度与带宽之间存在权衡关系。
图2 纤毛几何尺寸与结构性能的关系
研究人员使用COMSOL Multiphysics软件对该结构进行模态分析，得到其在空气与水中的一阶振型及固有频率。如图3所示，结构在空气和水中的一阶固有频率分别为1251 Hz和1076.1 Hz，结果表明，该结构满足水听器的工作带宽要求。
图3 （a）敏感结构在空气中的固有频率；（b）敏感结构在水中的固有频率。
石英纤毛式MEMS矢量水听器制备与测试
制备
该石英纤毛式矢量水听器的敏感单元采用MEMS工艺制备，经离子注入、欧姆接触制备、正面刻蚀与背面释放等九道核心微加工工艺制备而成。研究人员借助专用集成平台，采用UV胶将石英纤毛垂直粘接于十字梁结构的中心质量块上。
图4 石英纤毛式MEMS矢量水听器的MEMS制造工艺
图5 石英纤毛式MEMS矢量水听器原型照片
测试
接收灵敏度采用标准水听器比较法进行校准，即将被测水听器的输出电压与标准水听器的输出电压进行比较。图6展示了石英纤毛式MEMS矢量水听器的灵敏度校准曲线。与传统纤毛式矢量水听器（CVH）的灵敏度曲线相比，石英纤毛式MEMS矢量水听器的有效工作带宽为20–1000 Hz，覆盖水下目标辐射噪声的主要能量集中频段。该器件在1000 Hz处的接收灵敏度达−179.1 dB（参考值为1 V/µPa），较传统纤毛式矢量水听器提升约17.6 dB，与前述仿真预测的18.2 dB接近，验证了仿真模型与设计方法的准确性和有效性。此外，声压梯度型水听器的灵敏度随频率升高而增加，增幅约每倍频程6 dB。石英纤毛式MEMS矢量水听器在20–1000 Hz内实测曲线呈现出与之一致的上升趋势，表明该器件具有良好的声压梯度探测特性，其工作原理与设计预期相符。
图6 石英纤毛式MEMS矢量水听器与传统纤毛式矢量水听器的灵敏度曲线
指向性测试结果显示，石英纤毛式MEMS矢量水听器在315 Hz与630 Hz处的零陷深度分别为33 dB与32 dB，均超过30 dB，这表明其具有较强的定位能力，能够有效抑制来自非敏感轴方向的干扰信号。其指向性图呈理想的“8”字形，且具有良好的对称性，表明纤毛的垂直度、十字梁的几何对称性以及各压阻元件之间的匹配性均满足设计要求，为后续工程应用奠定了良好的质量基础。
图7 石英纤毛式MEMS矢量水听器在315 Hz与630 Hz处的指向性图
总结
该研究通过协同优化材料本征特性与结构几何参数，有效缓解了传统纤毛式水听器中灵敏度与工作带宽之间的固有权衡，实现了低频灵敏度与工作带宽同步提升。研究人员利用COMSOL Multiphysics软件开展了系统的参数化仿真以及空气和水中的模态分析。结果表明，空心石英纤毛设计不仅提高了悬臂梁上的应力水平，还使结构在水中的一阶固有频率保持在1076.1 Hz，从而确保其工作频带覆盖20–1000 Hz。实验结果显示，所制备器件在1000 Hz处的接收灵敏度达−179.1 dB（re 1 V/µPa），较传统的聚合物纤毛式水听器提升约17.6 dB。石英纤毛式MEMS矢量水听器满足舰船辐射噪声低频探测的基本需求，可为高性能矢量水听器的材料创新与结构优化提供可行的技术路径与实验依据。
论文链接：https://doi.org/10.3390/mi17091061
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