自上世紀(jì)八、九十年代以來(lái)，MEMS（微機(jī)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(yīng)用于國(guó)防尖端領(lǐng)域，在民用方面也日益普及。廈門大學(xué)薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院郭航教授課題組，長(zhǎng)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(guó)壓電和聲波理論及器件應(yīng)用研討會(huì)（SPAWDA 2017）上，碩士生朱林輝、博士生許馬會(huì)、沈杰男、郝銳等四位同學(xué)參會(huì)并做了關(guān)于MEMS壓電加速度計(jì)與矢量傳聲器的研發(fā)新進(jìn)展、以及應(yīng)用微流控技術(shù)來(lái)制備超長(zhǎng)ZnO納米線材料的報(bào)告，受到關(guān)注，并發(fā)表會(huì)議論文五篇。

微加速度計(jì)是MEMS技術(shù)的最成功的應(yīng)用之一，不僅是慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)系統(tǒng)中的核心部件，而且汽車安全氣囊檢測(cè)目前都是采用MEMS加速度計(jì)芯片，其全球市場(chǎng)在2015年就達(dá)15億美元，且年增長(zhǎng)率超過(guò)13%，但是相關(guān)技術(shù)與市場(chǎng)均由美國(guó)與歐洲主導(dǎo)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，微加速度計(jì)向著航天航空、工業(yè)控制檢測(cè)等領(lǐng)域發(fā)展，這要求微加速度計(jì)不僅要有高靈敏度，而且要有較寬的動(dòng)態(tài)工作范圍。MEMS壓電微加速度計(jì)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(guò)對(duì)電荷的收集檢測(cè)來(lái)確定加速度的變化。與通常的壓阻式或電容式微加速度計(jì)相比，壓電式加速度計(jì)靈敏度高、動(dòng)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(jì)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(cè)。MEMS壓電微加速度計(jì)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(guó)內(nèi)研究單位較少。課題組長(zhǎng)期努力，多年來(lái)堅(jiān)持創(chuàng)新，研發(fā)基于MEMS技術(shù)的壓電微加速度計(jì)，對(duì)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(cè)發(fā)展到新型的d33與d31兩種工作模式的三軸集成檢測(cè)，并且正在加緊進(jìn)行微加工制造，力爭(zhēng)早日取得突破。

矢量傳聲器由聲壓傳感器和質(zhì)點(diǎn)振速傳感器復(fù)合而成，可以空間共點(diǎn)和時(shí)間同步來(lái)測(cè)量聲場(chǎng)中的有關(guān)矢量信息，包括聲壓梯度、質(zhì)點(diǎn)振速、加速度、位移等，以及標(biāo)量信息如聲壓等，通過(guò)確定聲源的性質(zhì)、類別與位置等來(lái)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)中的武器做全面鑒別，是反導(dǎo)系統(tǒng)中不可或缺的核心部件之一。目前，我國(guó)國(guó)力不斷增強(qiáng)，但周邊安全形勢(shì)不容樂(lè)觀，突發(fā)因素日益增多，壓力不斷升高，國(guó)防上對(duì)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能矢量傳聲器的需求越來(lái)越迫切，國(guó)際上荷蘭的相關(guān)研發(fā)領(lǐng)先，而國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究還開展得很少。課題組瞄準(zhǔn)國(guó)家需求，集中力量深入研究，朱林輝、沈杰男對(duì)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(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)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(chǎng)繞動(dòng)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(jì)參數(shù)以及微制造工藝流程，為今后的進(jìn)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(huì)、郝銳（從左至右）等四位同學(xué)參加2017年全國(guó)壓電和聲波理論及器件應(yīng)用研討會(huì)

圖2 課題組成員在2017年全國(guó)壓電和聲波理論及器件應(yīng)用研討會(huì)做報(bào)告