综述：MEMS水听器技术进展
2025-10-19 10:26:11   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

微机电系统（MEMS）水听器凭借低成本、低功耗、微型化等优势，在声学探测领域发展迅速且应用广泛。随着海洋环境的复杂性提升和水下设备的技术发展，对MEMS水听器的性能提出了更高要求。然而，MEMS水听器的传感性能受结构、原理及MEMS加工技术等多因素影响。为了突破灵敏度和带宽的瓶颈，基于新原理、新结构和新材料的新型MEMS水听器不断涌现。

据麦姆斯咨询报道，近期，中国人民解放军海军潜艇学院和崂山实验室的研究团队综述了基于电学、热学、光学等原理的MEMS水听器技术，并系统介绍了MEMS水听器先进技术的发展现状。这项研究还阐述了MEMS水听器的发展特点，分析了当前存在的问题，并展望了未来发展趋势。相关研究内容以“Advances in MEMS Hydrophone Technology”为题发表在IEEE Access期刊上。

MEMS水听器的分类

MEMS水听器可依据不同标准和维度进行分类。根据MEMS水听器测量的声学量差异，可将其分为MEMS标量水听器和MEMS矢量水听器；其中，MEMS矢量水听器根据测量声学量的空间通道维度，又可进一步细分为一维、二维和三维三种类型。为了更有效地探测声波引起的形变，MEMS水听器研究主要聚焦于敏感结构的设计。根据MEMS水听器的敏感结构不同，可将其分为薄膜型MEMS水听器、悬臂梁型MEMS水听器、圆柱型MEMS水听器等类型。根据MEMS水听器测量过程中核心能量转换原理，可将其分为电学式MEMS水听器、光学式MEMS水听器、热学式MEMS水听器和电化学式MEMS水听器。

图1 MEMS水听器的分类

电学式MEMS水听器

电学式MEMS水听器的核心能量转换原理是将声波传播产生的形变转化为电路中电阻、电压、电容等电学参数的变化，从而实现声信号到可测量电信号的转换。根据声波转换的敏感元件的物理量，电学式MEMS水听器可分为压电式、压阻式和电容式。

压电式MEMS水听器基于压电效应实现声信号与电信号的转换。其敏感元件由各种压电材料构成。当声波传播时，压电材料因形变产生极化反应，导致材料表面的电势变化，进行实现信号转换。MEMS水听器中常用的压电材料主要有锆钛酸铅（PZT）、氮化铝（AlN）和氧化锌（ZnO）。

图2 压电式MEMS水听器的结构示例

压电式MEMS水听器通常采用薄膜和悬臂梁结构。典型的压电薄膜MEMS水听器由压电材料、电极和衬底组成。压电材料对声波引起的形变很敏感，电极测量电势变化，输出电压经放大即可反映信号强度。压电式MEMS水听器灵敏度主要取决于输出电压的幅值大小。

压阻式MEMS水听器基于压阻效应实现声信号与电信号的转换。其敏感元件由压阻式电阻构成。在声波作用下，敏感元件形变引起电阻率的变化，进而导致电阻值改变，由此实现信号转换。这类水听器常用悬臂梁和纤毛柱结构。其中仿生纤毛声学敏感结构可探测二维声矢量，已初步应用于水下湍流探测和水雷武器等领域。

图3 纤毛式MEMS水听器结构

图4 新型纤毛式MEMS水听器结构

图5 三维纤毛式MEMS矢量水听器结构

纤毛式MEMS水听器的优势在于高频探测能力。遗憾的是，灵敏度与带宽之间的固有矛盾难以调和。通过优化纤毛敏感结构的形状，可以扩大敏感声压面积，从而提升低频灵敏度，但会导致探测带宽缩短。目前这一问题尚无有效的解决方案。

电容式MEMS水听器的敏感元件由电容结构构成。声波引起的位移形变导致电容值的变化，从而实现声信号与电信号的转换。电容式传感器可分为可变面积型、可变极距型和可变介质型。其中可变极距型易于制备且声波转换原理简单，被广泛应用于电容式MEMS水听器。

图6 电容式MEMS水听器原理

图7 新型电容式MEMS水听器

根据电容结构，可变极距型电容式MEMS水听器可分为非差分电容传感器和差分电容传感器。非差分电容传感器结构主要由上电极、下电极和腔体组成。上电极为敏感薄膜，声波作用下与下电极产生极板间距的变化，从而将声信号转换为电信号。

热学式MEMS水听器

热学式MEMS水听器可以直接测量介质中声粒子的振动速度。其灵敏度不随频率的降低而衰减，具备探测低频声矢量信号的能力，体现了热学式MEMS水听器的独特优势。其核心能量转换原理是通过电阻随温度变化的特性，来测量声波传播产生的温度场变化，进而实现声信号的测量。

热学式MEMS传感器常用的敏感元件为热电阻和热电偶。在结构方面，热丝（hot-wire）和热膜结构得到广泛应用，并且是热门研究方向。目前，热丝结构主要应用于热学式MEMS水听器。通常采用具有优良电阻温度系数的金属铂作为温度敏感材料，以测量声波扰动引起的温度场变化。热膜式MEMS传感器通常用于空气热流检测，并已应用于航空发动机涡轮叶片的检测。

根据热丝数量，热丝式MEMS水听器可分为单丝、双丝和三丝三种类型。图8展示了不同热丝在声扰动下的温度场分布特征。根据测量声矢量的空间维度，可将其分为一维热丝式MEMS水听器、二维热丝式MEMS水听器和三维热丝式MEMS水听器。

图8 热丝式MEMS水听器原理

图9 热丝式MEMS水听器结构的研制

光学式MEMS水听器

光学式MEMS水听器是一种利用光学中的反射、折射、干涉和衍射效应来探测水下声波的MEMS传感器。光纤传感系统具有抗电磁干扰、高灵敏度、大动态范围、轻量化、结构设计灵活、传输距离长、易于构建大规模阵列以及可同时测量多参数等优势。

根据光学效应，光学式MEMS水听器可分为反射型、折射型、干涉型和衍射型。根据测量物理量，光学式MEMS水听器可分为声压水听器和矢量水听器两大类。声压水听器应具备抗静水压能力，声矢量水听器通常采用加速度敏感结构。根据光束传播的位置，光学式MEMS水听器可分为本征型光纤传感器与非本征型光纤传感器。目前，干涉型和衍射型光声传感器是光学MEMS水听器的研究热点。

干涉型光纤水听器利用光的干涉效应探测声波引起的光程变化，通过信号解调实现声波探测。根据干涉仪的类型可分为四类：迈克尔逊干涉仪（MI）、萨格纳克干涉仪（SI）、马赫-曾德尔干涉仪（MZI）和法布里-珀罗干涉仪（FPI）。根据相干光源产生方式，可分为分波振面型和分振幅型。

图10 FPI MEMS光纤水听器的结构研制

干涉型MEMS水听器的研究主要聚焦于结构设计（例如薄膜形状结构、敏感结构）、薄膜材料（例如聚合物薄膜、光子晶体薄膜、石墨烯薄膜、金属薄膜、硅薄膜）、工艺技术（例如蚀刻、键合、切割加工）等方面。

光栅型MEMS水听器可分为无源光纤光栅声传感器和有源光纤光栅声传感器。无源光纤光栅声传感器的核心部件是布拉格光栅，它利用光的衍射和干涉现象，主要分为单光纤光栅型和双光纤光栅FP干涉型两种。有源光纤光栅声传感器的核心部件是分布式反馈光纤激光器，它利用声波产生的中心波长变化实现声波探测。光栅传感器的优势在于易于重复使用、便于实现多单元阵列测量。尽管对传统光纤光栅水听器已进行了充分研究，但基于MEMS技术的光栅水听器仍存在诸多待解问题。

微谐振式光学MEMS声传感器的基本原理是在声波作用下介质的密度发生变化，导致光在介质中的折射率改变。通过测量折射率变化引起的相位差、波长差和光强变化，即可实现对声波的探测。其中，光纤微环谐振器已被应用于水下声波探测，可覆盖低频声波至高频声波范围。环形微谐振器MEMS水听器在实际应用中的缺陷在于工作频带较窄、结构脆弱、易受振动影响。此外，水下温度的变化会改变谐振腔的折射率和尺寸，从而影响传感器的性能。

总结

综上所述，该论文以近十年MEMS水听器的研究为重点，总结了三类典型MEMS水听器的基本原理，然后梳理了不同类型MEMS水听器的常见问题和改进方案，以及三类MEMS水听器的研究进展。同时，该研究分析了当前MEMS水听器研究的特点及未来发展趋势，为相关领域的研究者提供参考依据。当前，MEMS水听器正处于快速发展阶段，随着MEMS技术的日趋成熟、新材料技术不断进步，集成化、多功能化、低成本化的MEMS水听器有望得到更广泛的应用。

论文链接：https://doi.org/10.1109/ACCESS.2025.3566557

延伸阅读：

《下一代MEMS技术及市场-2025版》

《微机械超声换能器专利态势分析-2023版》

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