在科技迅猛发展的当代，微机电系统（MEMS）凭借其微型化、集成化和智能化的优势，成为推动多个行业技术革新的重要驱动力。特别是在被动声学领域，MEMS技术的应用前景尤为广阔，展现出巨大的发展潜力。MEMS声学器件的设计核心在于压电效应，这是一种将声波能量转换为电信号的物理现象，为实现声学传感功能提供了基础。近年来，随着人工智能（AI）技术的融合，MEMS被动声学器件的发展速度加快，其智能化水平不断提高，市场应用范围也在不断拓展。
据麦姆斯咨询报道，针对该领域研究，重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室的研究团队在《压电与声光》期刊上发表了题为“基于压电超声换能器的被动声学发展及应用综述”的文章，概述了MEMS技术在压电超声换能器的被动声学领域中的应用，探讨了压电材料、传感结构等关键要素对MEMS声学器件性能提升和应用扩展的重要性，分析了MEMS声学器件的设计原理、材料选择、结构优化以及在不同领域的应用，并对其未来发展趋势进行了展望。
压电材料与结构
MEMS压电换能器性能的优良直接取决于压电材料的参数是否优良。目前常用的压电材料主要包括以下几类：（1）压电晶体，例如石英、铌酸锂、钽酸锂等；（2）压电陶瓷，例如锆钛酸铅、钛酸钡和铌镁酸铅－钛酸铅等；（3）有机压电材料，包括聚偏二氟乙烯及其共聚物、聚氯乙烯等；（4）复合压电材料，例如0-3型和1-3型压电复合材料等；（5）压电半导体，包括氧化锌、硫化镉等。
压电换能器的结构对传感器的性能影响也非常大。压电传感器的不同结构各具特点，涵盖了晶体、薄膜、纤维、悬臂梁和材料线网等多种形式，满足从高精度测量到可穿戴设备的广泛需求。然而，当前各类结构在实际应用中仍面临瓶颈问题，例如晶体的脆性和加工难度、薄膜的压电性能不足、纤维的制造复杂性以及悬臂梁的机械强度限制。这些挑战限制了压电传感器更大规模的应用和更加密集的集成化发展。未来，随着纳米技术的发展，压电传感器的结构可能更趋向于“小而巧”的方向发展。同时，结合先进的智能材料和算法，结构的设计将更灵活，更加适应多种环境，这将进一步推动压电技术在智能家居、医疗监测和环境监测等领域的应用。
图1 具有特殊结构的微型压电薄膜
器件类型
目前，压电传感器主要应用在以下3种器件中：麦克风、水听器、声发射传感器。麦克风的结构主要包括碳粒式、动圈式、电容式、铝带式等，随着MEMS技术的快速发展，MEMS压电麦克风得到快速发展。MEMS麦克风具备体积小、功耗低、灵敏度高、信噪比好、良好的抗电磁干扰和环境适应能力，适合于消费电子、医疗健康监测等场景。水听器是一种能将水下声音信号转换为电信号的设备，是声纳系统中不可或缺的组成部分。目前最常用的水听器是MEMS水听器，其体积小，可满足各种小型化水下设备的需求，且功耗低。声发射传感器是通过捕捉材料或结构在受力、变形或破坏时产生的弹性波来监测设备的受损状态。目前应用最广泛的是MEMS声发射传感器，其体积小、质量小、灵敏度高、频率响应宽、易集成，能实现智能化与小型化等优点。
应用领域
在消费类电子领域中，MEMS麦克风凭借小型化、高灵敏度、低噪声及强稳定性的核心优势，成为智能手机、耳机等设备的关键组件。在工业检测领域领域，MEMS声发射传感器被广泛应用，其具有小型化、高稳定性及强抗干扰能力，能在嘈杂工业环境与复杂工况下稳定工作。在军事领域中，MEMS水听器是核心器件，其小型化特点便于隐蔽安装与大规模部署，其具备高精度探测能力与强抗干扰性，主要用于反潜作战、水下目标方位估计、水下钻孔爆破损伤监测及装药水下爆炸能量近场测试。在环境监测领域中，MEMS压电器件凭借小型化、高精度及强稳定性的优势，已在多个场景落地应用。在医疗应用领域中，MEMS压电器件围绕人体声学信号监测、生命体征记录及康复辅助展开，且注重生物兼容性。
图2 MEMS压电器件在工业检测领域的典型应用
图3 MEMS压电器件在军事领域的典型应用
图4 MEMS压电器件在环境监测领域中的典型应用
图5 MEMS压电器件在人体器官机械声监测的应用
图6 MEMS压电器件在人工喉的应用
图7 MEMS压电器件在光学显微镜的应用
展望未来，随着人工智能（AI）和物联网（IoT）技术的快速进步，MEMS声学器件的智能化和网络化是大势所趋。结合AI技术，MEMS声学器件将能更精确地识别和处理声音，为用户提供更加丰富的交互体验。新材料和新工艺的持续发展将进一步提升MEMS器件的性能，并拓宽其应用范围。同时，5G通信技术的普及将增强MEMS声学器件在数据传输和处理方面的能力，为构建更高级的智能声学系统打下坚实的基础。MEMS声学器件凭借其独特的优势而在众多领域展现出巨大的应用潜力，预计未来在促进技术进步和提升人类生活质量方面将发挥更加关键的作用。
论文信息：
DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.001
