聲波是海洋中的主要信息載體，許多國家日益重視海洋研究。作為水下聲探測的關鍵器件，矢量水聽器相比標量水聽器能提供更高的目標探測精度。然而，水聽器的性能在很大程度上依賴于封裝，由于封裝技術尚未成熟，其實際應用仍面臨挑戰。因此，開發新型封裝結構以提升其工作頻帶內的靈敏度已成為研究重點。

為解決傳統MEMS矢量水聽器封裝中聲波衰減的難題，中北大學科研團隊開發了一種帶錐形孔（TA）和尼龍聚聲帽（NSC）的聚聲封裝方案。理論分析與COMSOL仿真表明，錐形幾何結構（外寬內窄的孔道）能夠集中聲能，從而增強敏感元件處的質點加速度。經駐波管試驗驗證，該聚聲封裝設計為高靈敏度、高指向性的水下聲探測提供了有效解決方案。相關研究成果以“Sound-focusing package for MEMS vector hydrophone"為題發表在《Microsystems & Nanoengineering》期刊上。

在這項研究工作中，為解決透聲帽引起的聲波衰減問題，研究人員開發了一種用于提升MEMS矢量水聽器性能的聚聲封裝結構。該封裝結構首先在水聽器的敏感元件上沉積一層聚對二甲苯薄膜，然后在其周圍設置一個剛性聚聲帽（SC），該聚聲帽上均勻分布有外寬內窄的錐形孔。當聲波穿過錐形孔時，其橫截面積減小，從而將聲能集中到仿生纖毛上。

船舶輻射噪聲是海洋環境噪聲的主要組成部分，主要存在于20-500 Hz頻帶。研究人員在此范圍內進行了聚聲封裝結構的研究。使用COMSOL軟件對錐形孔結構和聚聲帽材料進行了仿真分析，詳細建模如下圖所示。

為分析經錐形孔聚焦后的聲波對仿生纖毛的影響，選取了三個關鍵點：輸入端口A、輸出端口B以及仿生纖毛位置C。連接上述三點建立3D線條，用于分析沿該線條的質點加速度。在20-500 Hz范圍掃頻分析顯示，質點加速度隨頻率的變化趨勢具有一致性，因此選取315 Hz的仿真結果進行分析。在固定輸入端口半徑（R?）的情況下，當錐形孔長度（L）在10-22 mm范圍內變化時，B點的加速度趨勢與輸出端口半徑（R?）的變化相匹配，因此選取L = 10 mm的結果進行分析。基于上述結果，錐形孔的幾何尺寸設定為：R? = 2 mm，R? = 0.5 mm，L = 22 mm。雖然L應盡可能增大以實現最佳性能，但同時也必須兼顧MEMS水聽器的便攜性。

研究人員分別采用鋼、鋁和尼龍三種材料，設計了三種聚聲帽：鋼聚聲帽、鋁聚聲帽和尼龍聚聲帽。為了滿足水聽器在20-500 Hz范圍內的工作需求，分析了三種不同材料聚聲帽在空氣和水中的固有頻率，結果顯示，鋼聚聲帽、鋁聚聲帽和尼龍聚聲帽在空氣中的固有頻率分別為6796.4 Hz、6357.4 Hz和1712.5 Hz，在水中的固有頻率分別為5733.2 Hz、4520.4 Hz和942.07 Hz。尼龍聚聲帽在水中的固有頻率高于500 Hz，滿足水聽器的頻帶要求。此外，尼龍的加速度明顯高于鋼和鋁，這表明其具有更好的聲透射性能和靈敏度。由于尼龍聚聲帽的帶寬滿足水聽器20-500 Hz的要求，因此選擇尼龍作為聚聲帽的材料。

為了模擬指向性，仿生纖毛結構被置于尼龍聚聲帽和鋼網透聲帽的中心。下圖中展示了聲源環繞尼龍聚聲帽和鋼網透聲帽后，仿生纖毛結構輸出的聲壓信號指向性圖。這些圖表明，尼龍聚聲帽的零陷深度大于鋼網透聲帽。此外，尼龍聚聲帽內部的質點加速度，大于其外部加速度以及鋼網透聲帽內部的加速度。結果表明，尼龍聚聲帽有利于聲波傳播，并且在聲學性能方面優于鋼網透聲帽。

聚聲帽原型如下圖所示，通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術（nanoArch® S140 Pro，精度：10 μm）制造。MEMS水聽器的關鍵部件是其敏感結構（十字梁和纖毛）。十字梁通過MEMS工藝制造，包括離子注入、歐姆接觸形成、背面/正面硅刻蝕等。在二次集成階段，纖毛利用基于投影微立體光刻技術的微精密打印機直接3D打印到芯片塊上。為確保測試條件一致，同一個水聽器分別采用了尼龍聚聲帽、無封裝裸纖毛和鋼網透聲帽三種封裝形式進行測試。

MEMS矢量水聽器的性能測試主要包括靈敏度測試和指向性測試，這些測試在駐波管校準系統中完成。在100 Hz下，尼龍聚聲帽、無封裝裸纖毛、鋼網透聲帽的靈敏度分別為-186.4 dB、-192.5 dB、-194.3 dB。在315 Hz下，尼龍聚聲帽、無封裝裸纖毛、鋼網透聲帽的零陷深度分別為40.98 dB、35.49 dB、33.63 dB，表明聚聲封裝提升了目標定位性能。

總結：本研究通過聚聲帽和錐形孔結構的優化設計，實現了MEMS矢量水聽器在復雜海洋環境下的高靈敏度聲信號接收與精準目標定位。基于聲傳播理論與集總參數模型，建立了橫截面積收縮模型，系統分析了錐形孔幾何參數對質點加速度的影響。通過COMSOL仿真驗證了錐形結構的聲能匯聚效應。尼龍聚聲帽在100 Hz處的靈敏度達到-186.4 dB，相比鋼網透聲帽和無封裝裸纖毛分別提升了7.9 dB和6.1 dB。這一性能提升源于錐形孔幾何聚焦效應與尼龍材料低阻抗特性的協同作用，避免了傳統封裝引起的信號衰減。

指向性測試進一步表明，尼龍聚聲帽封裝的MEMS水聽器在工作頻帶內表現出優異的方位分辨能力，其零陷深度達到40.98 dB，相比鋼網透聲帽和無封裝裸纖毛分別提高了7.35 dB和5.49 dB，且其指向性圖與理想的余弦分布高度吻合。這一改進歸因于聚聲帽對聲波的定向調制。尼龍材料在水中的固有頻率（942.07 Hz）遠高于水聽器的工作頻帶（20-500 Hz），避免了結構共振引起的噪聲疊加到聲信號上，并確保了高信噪比輸出。測試結果與理論模型及仿真分析高度一致，驗證了聚聲封裝結構在提升靈敏度和指向性方面的有效性與先進性。