在科技迅猛發展的當代，微機電系統（MEMS）憑借其微型化、集成化和智能化的優勢，成為推動多個行業技術革新的重要驅動力。特別是在被動聲學領域，MEMS技術的應用前景尤為廣闊，展現出巨大的發展潛力。MEMS聲學器件的設計核心在于壓電效應，這是一種將聲波能量轉換為電信號的物理現象，為實現聲學傳感功能提供了基礎。近年來，隨著人工智能（AI）技術的融合，MEMS被動聲學器件的發展速度加快，其智能化水平不斷提高，市場應用范圍也在不斷拓展。
據麥姆斯咨詢報道，針對該領域研究，重慶大學新型微納器件與系統技術國防重點學科實驗室的研究團隊在《壓電與聲光》期刊上發表了題為“基于壓電超聲換能器的被動聲學發展及應用綜述”的文章，概述了MEMS技術在壓電超聲換能器的被動聲學領域中的應用，探討了壓電材料、傳感結構等關鍵要素對MEMS聲學器件性能提升和應用擴展的重要性，分析了MEMS聲學器件的設計原理、材料選擇、結構優化以及在不同領域的應用，并對其未來發展趨勢進行了展望。
壓電材料與結構
MEMS壓電換能器性能的優良直接取決于壓電材料的參數是否優良。目前常用的壓電材料主要包括以下幾類：（1）壓電晶體，例如石英、鈮酸鋰、鉭酸鋰等；（2）壓電陶瓷，例如鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇和鈮鎂酸鉛－鈦酸鉛等；（3）有機壓電材料，包括聚偏二氟乙烯及其共聚物、聚氯乙烯等；（4）復合壓電材料，例如0-3型和1-3型壓電復合材料等；（5）壓電半導體，包括氧化鋅、硫化鎘等。
壓電換能器的結構對傳感器的性能影響也非常大。壓電傳感器的不同結構各具特點，涵蓋了晶體、薄膜、纖維、懸臂梁和材料線網等多種形式，滿足從高精度測量到可穿戴設備的廣泛需求。然而，當前各類結構在實際應用中仍面臨瓶頸問題，例如晶體的脆性和加工難度、薄膜的壓電性能不足、纖維的制造復雜性以及懸臂梁的機械強度限制。這些挑戰限制了壓電傳感器更大規模的應用和更加密集的集成化發展。未來，隨著納米技術的發展，壓電傳感器的結構可能更趨向于“小而巧”的方向發展。同時，結合先進的智能材料和算法，結構的設計將更靈活，更加適應多種環境，這將進一步推動壓電技術在智能家居、醫療監測和環境監測等領域的應用。
圖1 具有特殊結構的微型壓電薄膜
器件類型
目前，壓電傳感器主要應用在以下3種器件中：麥克風、水聽器、聲發射傳感器。麥克風的結構主要包括碳粒式、動圈式、電容式、鋁帶式等，隨著MEMS技術的快速發展，MEMS壓電麥克風得到快速發展。MEMS麥克風具備體積小、功耗低、靈敏度高、信噪比好、良好的抗電磁干擾和環境適應能力，適合于消費電子、醫療健康監測等場景。水聽器是一種能將水下聲音信號轉換為電信號的設備，是聲納系統中不可或缺的組成部分。目前最常用的水聽器是MEMS水聽器，其體積小，可滿足各種小型化水下設備的需求，且功耗低。聲發射傳感器是通過捕捉材料或結構在受力、變形或破壞時產生的彈性波來監測設備的受損狀態。目前應用最廣泛的是MEMS聲發射傳感器，其體積小、質量小、靈敏度高、頻率響應寬、易集成，能實現智能化與小型化等優點。
應用領域
在消費類電子領域中，MEMS麥克風憑借小型化、高靈敏度、低噪聲及強穩定性的核心優勢，成為智能手機、耳機等設備的關鍵組件。在工業檢測領域領域，MEMS聲發射傳感器被廣泛應用，其具有小型化、高穩定性及強抗干擾能力，能在嘈雜工業環境與復雜工況下穩定工作。在軍事領域中，MEMS水聽器是核心器件，其小型化特點便于隱蔽安裝與大規模部署，其具備高精度探測能力與強抗干擾性，主要用于反潛作戰、水下目標方位估計、水下鉆孔爆破損傷監測及裝藥水下爆炸能量近場測試。在環境監測領域中，MEMS壓電器件憑借小型化、高精度及強穩定性的優勢，已在多個場景落地應用。在醫療應用領域中，MEMS壓電器件圍繞人體聲學信號監測、生命體征記錄及康復輔助展開，且注重生物兼容性。
圖2 MEMS壓電器件在工業檢測領域的典型應用
圖3 MEMS壓電器件在軍事領域的典型應用
圖4 MEMS壓電器件在環境監測領域中的典型應用
圖5 MEMS壓電器件在人體器官機械聲監測的應用
圖6 MEMS壓電器件在人工喉的應用
圖7 MEMS壓電器件在光學顯微鏡的應用
展望未來，隨著人工智能（AI）和物聯網（IoT）技術的快速進步，MEMS聲學器件的智能化和網絡化是大勢所趨。結合AI技術，MEMS聲學器件將能更精確地識別和處理聲音，為用戶提供更加豐富的交互體驗。新材料和新工藝的持續發展將進一步提升MEMS器件的性能，并拓寬其應用范圍。同時，5G通信技術的普及將增強MEMS聲學器件在數據傳輸和處理方面的能力，為構建更高級的智能聲學系統打下堅實的基礎。MEMS聲學器件憑借其獨特的優勢而在眾多領域展現出巨大的應用潛力，預計未來在促進技術進步和提升人類生活質量方面將發揮更加關鍵的作用。
論文信息：
DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.001
