通过交叉阵列架构实现的高性能ScAlN MEMS压电水听器

《IEEE Sensors Journal》：Enhanced-Performance ScAlN MEMS Piezoelectric Hydrophones Enabled by Cross-Array Architecture

该研究设计并制造了两种ScAlN基压电水听器阵列，通过交叉排列结构提升填充因子45.45%，显著增强机电耦合系数（13.70% vs 6.62%）和水声灵敏度（-175.7±4.3 dB vs -179.7±2.5 dB），验证了高填充因子对性能优化的有效性。

　　

摘要：

本研究聚焦于基于氮化钪铝（ScAlN）的压电水听器的结构设计，适用于微机电系统（MEMS），特别分析了填充因子对设备声学和机电性能的影响。设计了两种不同配置的水听器阵列：矩阵排列和交叉排列。这两种阵列使用相同的单元结构尺寸和功能层厚度，并在同一块4英寸的绝缘体上硅（SOI）晶片上制造，以确保工艺一致性。其中，交叉排列（CA）芯片由于采用了更紧凑的设计，其填充因子比矩阵排列（MA）芯片高出45.45%。性能测试结果显示，CA芯片的性能显著提升。在空气环境中测试时，其机电耦合系数达到了13.70%，比MA芯片的6.62%提高了106.9%；在水下测试中，CA芯片在100–200 kHz频段内的灵敏度为-175.7 ± 4.3 dB/reV/μPa。相比之下，MA芯片的灵敏度为-179.7 ± 2.5 dB/reV/μPa，平均提高了约2.7%。这一发现清楚地表明，更高的填充因子可以有效提升水听器的关键声学性能，为未来高性能MEMS水听器的优化设计提供了重要指导。