MEMS空氣聲矢量傳感器

北京大學(xué)微納電子學(xué)系高成臣教授課題組依托MEMS工藝平臺(tái)，經(jīng)過(guò)6年的持續(xù)研究，在國(guó)內(nèi)首次研制出了高性能的熱式聲粒子振速傳感器，并完成了聲粒子振速傳感器與聲壓傳感器的系統(tǒng)集成，制作出了高性能的MEMS空氣聲矢量傳感器，該傳感器能夠完成聲壓信號(hào)的全信息檢測(cè)。下圖分別為MEMS聲粒子振速傳感器的敏感芯片及探頭和MEMS聲矢量傳感器樣品。

三軸聲粒子速度傳感器敏感芯片及探頭

MEMS聲矢量傳感器實(shí)物圖

聲音由聲壓信號(hào)和聲粒子振動(dòng)速度信號(hào)構(gòu)成，其中聲壓是標(biāo)量信號(hào)，與方向無(wú)關(guān)，聲粒子振速是矢量信號(hào)，包含了聲音傳播的方向信息。聲矢量傳感器是能夠同時(shí)把聲音的聲壓及聲質(zhì)點(diǎn)振速信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的敏感元件。這種能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)的全息檢測(cè)技術(shù)，將大大促進(jìn)聲學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將推動(dòng)新的檢測(cè)校準(zhǔn)方法制定，新的應(yīng)用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。

由于聲粒子振速矢量信號(hào)量值低，信號(hào)微弱，檢測(cè)難度大，多年來(lái)鮮有突破，尤其是在矢量特性及自噪聲方面存在很大難度，因此以往聲音信號(hào)檢測(cè)主要以測(cè)量聲壓信號(hào)為主，檢測(cè)元件主要為麥克風(fēng)，主要基于壓電和電容檢測(cè)原理為主。基于MEMS的聲粒子振速信號(hào)直接檢測(cè)技術(shù)是國(guó)際上近年來(lái)發(fā)展的一種新型檢測(cè)技術(shù)，由荷蘭屯特大學(xué)最早提出并實(shí)現(xiàn)，取得了許多重要成果，并開(kāi)展了系統(tǒng)應(yīng)用。

高成臣教授課題組依托微米/納米加工技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工藝平臺(tái)，基于微納加工技術(shù)開(kāi)發(fā)了熱式聲粒子振速傳感器，突破了高靈敏敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、跨尺度懸梁結(jié)構(gòu)加工、多傳感器集成、微弱信號(hào)檢測(cè)及敏感特性測(cè)試等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了聲壓及聲質(zhì)點(diǎn)振速檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了聲信號(hào)的三軸矢量測(cè)量。該項(xiàng)技術(shù)的突破，將為國(guó)內(nèi)聲學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供重要的測(cè)試手段。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于聲學(xué)特性測(cè)量、多聲源定位、發(fā)動(dòng)機(jī)故障定位、儀器設(shè)備噪聲源定位、復(fù)雜系統(tǒng)的聲學(xué)健康監(jiān)測(cè)、指向性人機(jī)對(duì)話等，在民用、工業(yè)及國(guó)防中有著廣泛的用途。

MEMS空氣聲矢量傳感器是實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)全特性測(cè)量的感知系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)高成臣教授課題組的長(zhǎng)期努力，其核心技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國(guó)外最好水平，矢量特性優(yōu)于42dB，自噪聲優(yōu)于30 dB,頻響范圍100Hz~6kHz，。該技術(shù)指標(biāo)已完全滿足實(shí)際使用要求，并且傳感器工藝技術(shù)已經(jīng)成熟，可以實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。