MEMS芯片具有无源、结构简单、可批量生产等优点，与低噪声信号放大电路集成后，再通过特殊的水密封装可制成具有小型化、低功耗、易实现宽频检测等特点的水听器，可以很好地解决传统水听器体积大、功耗高、成本高及难以形成阵列等问题。
压电材料氧化锌（ZnO）、聚偏氟乙烯（PVDF）、锆钛酸铅（PZT）、氮化铝（AlN）等是应用于压电MEMS水听器的代表性材料，其中AIN薄膜具有性能稳定、品质因数高、介电损耗低及与CMOS工艺兼容等优点，已被广泛用于AIN水听器的研制。研究表明，在AlN薄膜中通过掺杂可以提升其压电系数和机电耦合系数，从而提高器件的接收灵敏度等性能。
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据麦姆斯咨询报道，为了使器件获得更高的接收灵敏度，联合微电子中心有限公司和中国电子科技集团公司第二十六研究所的研究人员设计了一种基于Al0.8Sc0.2N压电薄膜的5 × 5阵列式结构压电MEMS声波器件芯片，通过掺钪技术增强了AIN薄膜的压电系数，使器件实现了更高的接收灵敏度。该器件经过水密封装制成MEMS水听器后，可应用于管道泄漏探测及海洋噪声监测等工程中。相关研究成果已发表于《压电与声光》期刊。
基于Al0.8Sc0.2N薄膜的MEMS声波器件芯片是基于6英寸SOI衬底与CMOS兼容的掺钪氮化铝压电集成平台研制，研究人员采用钪掺杂（质量分数为20%）增强了AlN薄膜的压电系数，并通过双电极结构配置及优化结构尺寸来增强声压作用下的电信号输出，以使器件具有更好的接收灵敏度。MEMS声波器件芯片主要由圆形悬膜式结构的5 × 5传感单元阵列组成，尺寸为3 mm × 3 mm。图1为单个传感单元的横截面图，振动薄膜主要由钝化层、顶电极、压电层、底电极、种子层和SOI硅片中5 μm器件硅叠层构成。
图1 基于Al0.8Sc0.2N压电薄膜的传感单元的截面图
图2 基于Al0.8Sc0.2N压电薄膜的MEMS水听器芯片
该压电MEMS声波器件在空气中的接收灵敏度为-166.8 dB(Ref.1 V/μPa)，比相同结构基于AlN薄膜的声波器件约高2.6 dB，这表明通过掺钪技术增强了AlN薄膜的压电系数。在50 Hz ~ 3 kHz带宽范围内，器件灵敏度曲线变化小于1.5 dB，具有平坦的声学响应。此外，该MEMS声波器件的输出电压随着外界声信号强度的增加而呈线性增加，证明了这种结构的声波器件具有良好的线性度。
图3 压电MEMS声波器件接收性能实验测试系统
图4 AIN薄膜与Al0.8Sc0.2N薄膜声波器件的灵敏度响应曲线
图5 基于Al0.8Sc0.2N压电薄膜的MEMS声波器件在500 Hz、5 kHz下的线性度曲线
研究表明，这种基于Al0.8Sc0.2N压电薄膜的MEMS声波器件具有小体积、高灵敏度和宽带宽等优点，经过水密封装后制成的MEMS水听器可应用于海洋噪声等多种水下环境探测。
论文信息：DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2022.03.013
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