针对水下无人平台低噪声高灵敏探测需求，哈尔滨工程大学的研究团队提出基于目标频谱特征信息的谐振敏感检测思路，并成功研制出谐振敏感式压电MEMS芯片和水听器样机。所开发的MEMS水听器样机在谐振频率处实现了高灵敏响应和远低于knudsen零级海况的自噪声水平。相关研究成果以“谐振敏感式低噪声压电微机电系统水听器”为题发表在《哈尔滨工程大学学报》期刊上。

这项研究利用AlN压电MEMS水听器的低本底噪声优势，提出频率域特征传感概念，并基于AlN研制压电MEMS特征声压水听器。频率域特征传感是指直接针对频谱上的特征信息进行高灵敏窄带传感，通过设定阈值对特征信息的有无进行判断，并进行即时检测处理，形成特征信息唤醒驱动信号启动后续相关操作。与常规的宽带水听器相比，这种基于特征信息传感与检测模式虽然具有宽带信息获取能力的局限性，但对于已知特征信息的目标而言，可构建特征信息传感检测微系统，跳过对时域信息的复杂信号处理，直接在特定时间和频段上对特征信息进行选择性传感，从而有效降低水下传感系统的硬件和功耗需求。

图1 基于目标频谱特征的水声传感与检测技术示意图

研究人员围绕谐振频率、应力分布、灵敏度、带宽阻尼四项关键指标，设计了周边固支的圆形压电MEMS声压敏感芯片。该MEMS芯片采用SOI硅衬底和AlN（002）压电薄膜（厚度约1.912 μm，压电系数d₃₃为4.83 pm/V），通过磁控溅射和微纳工艺制成。将敏感芯片安装于转接板后，集成采用场效应管亚阈值工作的前置放大电路（功耗可低于100 μW），最后使用聚氨酯进行透声封装，形成完整的低功耗特征MEMS水听器样机。

图2 压电MEMS声压谐振敏感芯片结构及设计版图

图3 压电MEMS声压谐振敏感芯片及特征水听器

通过消声水池比较法测试，验证了该MEMS水听器样机的性能。实测结果表明，M3#（直径3.2 mm）和M5#（直径5 mm）水听器的谐振频率分别为12 kHz和4 kHz，在谐振点的声压灵敏度高达-146 dB（Re. 1V/μPa）和-138 dB (Re. 1V/μPa)（均已含40dB电增益）。本底噪声测试显示，M5#在4 kHz谐振点处的等效噪声声压谱密度级低至22.03 dB(Re. 1μPa/√Hz)，显著低于海洋零级噪声，证明了其高灵敏度和低噪声的优异特性，可有效适用于水下目标特征信息的低功耗探测场景。

图4 压电MEMS特征声压水听器灵敏度频响曲线

图5 压电MEMS特征声压水听器本底噪声曲线

这项研究提出了一种基于目标频谱特征信息的谐振耦合传感检测思路，通过直接针对目标特征信息进行检测，可大幅提升检测效率并降低系统功耗。借助压电MEMS技术与亚阈值信号放大处理方法，所设计的压电MEMS特征声压水听器在谐振频率处实现高灵敏度与低本底噪声，为水下无人平台低功耗目标探测微系统的搭建提供了技术思路与核心技术支撑。研究人员表示，与当前水下目标的典型特征频率相比，本研究提出的水听器特征频率偏高，后续将致力于低频谐振水听器的开发与研究。

论文信息：

DOI: 10.11990/jheu.202506025