自上世紀八、九十年代以來，MEMS（微機電系統(tǒng)）技術(shù)發(fā)展迅速，各種MEMS傳感器、執(zhí)行器及其微納系統(tǒng)，體積小、重量輕且低功耗，不僅應用于國防尖端領(lǐng)域，在民用方面也日益普及。廈門大學薩本棟微米納米科學技術(shù)研究院郭航教授課題組，長期致力于MEMS與微能源技術(shù)的研究與開發(fā)，在2017年10月于成都召開的全國壓電和聲波理論及器件應用研討會（SPAWDA 2017）上，碩士生朱林輝、博士生許馬會、沈杰男、郝銳等四位同學參會并做了關(guān)于MEMS壓電加速度計與矢量傳聲器的研發(fā)新進展、以及應用微流控技術(shù)來制備超長ZnO納米線材料的報告，受到關(guān)注，并發(fā)表會議論文五篇。

微加速度計是MEMS技術(shù)的最成功的應用之一，不僅是慣性導航、制導系統(tǒng)中的核心部件，而且汽車安全氣囊檢測目前都是采用MEMS加速度計芯片，其全球市場在2015年就達15億美元，且年增長率超過13%，但是相關(guān)技術(shù)與市場均由美國與歐洲主導。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，微加速度計向著航天航空、工業(yè)控制檢測等領(lǐng)域發(fā)展，這要求微加速度計不僅要有高靈敏度，而且要有較寬的動態(tài)工作范圍。MEMS壓電微加速度計是將由加速度引起的壓電薄膜材料的微小形變轉(zhuǎn)化為電荷量，通過對電荷的收集檢測來確定加速度的變化。與通常的壓阻式或電容式微加速度計相比，壓電式加速度計靈敏度高、動態(tài)工作范圍寬且線性度好，但目前大多數(shù)的壓電加速度計都是由傳統(tǒng)工藝加工制造，體積大，耗能高，靈敏度較低且通常只能單軸檢測。MEMS壓電微加速度計因涉及到壓電薄膜材料的制備及其與微傳感器整體在結(jié)構(gòu)與制造工藝方面的高度集成，難度較大，國內(nèi)研究單位較少。課題組長期努力，多年來堅持創(chuàng)新，研發(fā)基于MEMS技術(shù)的壓電微加速度計，對壓電材料的制備從ZnO薄膜拓展到PZT薄膜，從單懸臂梁發(fā)展到十字梁及新型的“X”型微結(jié)構(gòu)梁，從單軸檢測發(fā)展到新型的d33與d31兩種工作模式的三軸集成檢測，并且正在加緊進行微加工制造，力爭早日取得突破。

矢量傳聲器由聲壓傳感器和質(zhì)點振速傳感器復合而成，可以空間共點和時間同步來測量聲場中的有關(guān)矢量信息，包括聲壓梯度、質(zhì)點振速、加速度、位移等，以及標量信息如聲壓等，通過確定聲源的性質(zhì)、類別與位置等來對戰(zhàn)場中的武器做全面鑒別，是反導系統(tǒng)中不可或缺的核心部件之一。目前，我國國力不斷增強，但周邊安全形勢不容樂觀，突發(fā)因素日益增多，壓力不斷升高，國防上對具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能矢量傳聲器的需求越來越迫切，國際上荷蘭的相關(guān)研發(fā)領(lǐng)先，而國內(nèi)對這方面的研究還開展得很少。課題組瞄準國家需求，集中力量深入研究，朱林輝、沈杰男對傳統(tǒng)的雙絲型雙傳感器微結(jié)構(gòu)即SS型的矢量傳聲器進行分析，在此基礎(chǔ)上，對新型的三絲傳感器-加熱器-傳感器微結(jié)構(gòu)即SHS型結(jié)構(gòu)的矢量傳聲器深入探討，從聲流引起的流場繞動出發(fā)，首次建立了SHS結(jié)構(gòu)的解析模型，并做了三維數(shù)值模擬仿真，確立了SHS型矢量傳聲器與SS型相比具有更小的本底噪聲，確定了其微結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計參數(shù)以及微制造工藝流程，為今后的進一步研發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖1 MEMS與微能源課題組朱林輝、沈杰男、許馬會、郝銳（從左至右）等四位同學參加2017年全國壓電和聲波理論及器件應用研討會

圖2 課題組成員在2017年全國壓電和聲波理論及器件應用研討會做報告