第63期“见微知著”培训课程：声学MEMS与传感器

麦姆斯咨询　｜　2024-07-26至2024-07-28　｜　无锡新吴区

五、课程内容

课程一：悬臂梁基MEMS声压传感器

老师：华中科技大学 教授 余洪斌（点此查看老师简介）

声波是一种在介质中传播的机械波，其主要参数包括声速、振幅和频率。其中，声波的振幅用声压或者声压级来表示。对声波的研究离不开声压传感器，根据探测原理的不同，可以将声压传感器分为两大类：电学声压传感器和光学声压传感器。相比电学声压传感器，光学声压传感器的优势在于：通过将声波转化为光信号，避免了电磁干扰的影响，并且可实现更高的探测精度和更远的探测距离。悬臂梁作为MEMS器件中常用的微结构，当工作于谐振频率处时，会产生很大的变形，灵敏度极高，对于微弱信号的探测极为有效，因此可以与光学声压探测结构（例如F-P腔、光波导）相结合，实现悬臂梁基MEMS声压传感器。本课程从光学声压传感器概述出发，围绕大气和水下两种工作场景，深入讲解悬臂梁基MEMS声压传感器设计、制造、封装及测试。

课程提纲：

1. 光学声压传感器概述：原理、换能结构、探测技术；

2. 悬臂梁基MEMS声压传感器设计与仿真；

3. 悬臂梁基MEMS声压传感器制造工艺；

4. 悬臂梁基MEMS声压传感器封装与测试；

5. 悬臂梁基MEMS声压传感器总结与展望。

课程二：MEMS仿生矢量水听器及应用

老师：中北大学 教授 张国军（点此查看老师简介）

受海洋环境的限制，电磁波在水下无法实现远距离传输，相比之下，低频声信号在海水中传输有着传送距离远、能量衰减小的优势，因此，声信号探测技术在海洋信息传输方面起着重要的作用。水听器作为水下声信号探测系统的核心器件，将获取到的声信号转变成电信号，从而完成水下目标的识别与定向。根据测得的声信号参量不同可分为标量水听器和矢量水听器。相比于传统的标量水听器，MEMS仿生矢量水听器具有体积小、成本低、功耗低、低频响应特性好，以及可实现单只定向等优点，可应用于海洋科学研究、海洋资源勘探、水下生物监测，以及鱼雷、自主式水下潜器、无人潜航器、空投浮标等小型水下作战平台。然而，MEMS仿生矢量水听器仍然存在灵敏度低、抗振动性能不好等问题，因此，需要优化水听器敏感结构及封装设计，以达到可灵活应用于水下探测的效果。本课程从矢量水听器研究现状出发，详细讲解MEMS仿生矢量水听器原理、设计、制造及应用。

课程提纲：

1. 矢量水听器研究现状；

2. MEMS仿生矢量水听器工作原理；

3. MEMS仿生矢量水听器设计与仿真；

4. MEMS仿生矢量水听器制造工艺；

5. 基于MEMS仿生矢量水听器的工程应用。

课程三：MEMS矢量传声器及其创新声学应用

老师：南京大学 助理研究员 许相园（点此查看老师简介）

人类听觉具有全方位的感知能力，沉浸在各种声音的包围中，听觉世界呈现出多维、立体和层次分明的声音景象。具有方向的声音可以作为信息传播的符号，充满空间感的音乐能使感情表达更加充沛。大量空间音频技术利用人对空间声感知能力营造出更具有沉浸感的声音环境，例如现在广泛应用的双声道立体声，环绕声重放系统或全景声技术，以及相应的拾音和制作技术都是基于人耳这种能力的研究成果。针对传统MEMS麦克风在空间音频拾取方面的问题，新型MEMS矢量传声器应运而生，这种传声器仅需一颗就能够实现三维空间中宽带声源定位，可以覆盖从低频到高频的定位频段，从而摆脱麦克风阵列的限制，可用于声学雷达、噪声环境监测以及建筑声学测量等领域。本课程详解基于MEMS技术的单芯片热对流矢量传声器关键技术，介绍矢量传声器创新声学应用并展望矢量传声器技术发展趋势。

课程提纲：

1. MEMS矢量传声器概述；

2. MEMS矢量传声器制造工艺及关键声学性能；

3. MEMS单芯片二维和三维矢量传声器关键技术；

4. MEMS矢量传声器创新声学应用@工业和消费电子领域；

5. MEMS矢量传声器未来展望。

课程四：压电MEMS声学传感器

老师：武汉大学 副研究员 刘文娟（点此查看老师简介）

近些年，压电MEMS技术在声学传感领域发展迅速，典型应用包括麦克风、超声换能器、骨传导语音传感器、水听器等。以压电薄膜替代传统电容结构的压电MEMS麦克风的主要优点包括：（1）高可靠性，防水防尘性能优秀；（2）无需电荷泵，降低语音唤醒和始终在线的功耗；（3）更快的响应速度，减少语音交互延迟；（4）高声学过载点（AOP），可用于嘈杂或工业环境。对于压电MEMS超声换能器，得益于压电薄膜制备及集成技术的发展，使其在ToF测距、超声成像、指纹识别等应用领域取得重要产业化进展。本课程从压电薄膜材料生长到压电器件设计与制造，全面剖析麦克风和超声换能器两大类压电MEMS声学传感器核心技术，并对压电MEMS声学传感器应用及发展进行展望。

课程提纲：

1. 压电MEMS声学传感器概述；

2. 压电薄膜材料及制造平台；

3. 压电MEMS超声换能器设计与制造；

4. 压电MEMS麦克风设计与制造；

5. 压电MEMS声学传感器系统展望。

课程五：MEMS扬声器、PMUT、CMUT的期刊文献与专利分析

老师：麦姆斯咨询 行业研究员 史红健（点此查看老师简介）

期刊文献记录和传播知识，为创新提供基础和参考；专利保护创新成果，并且鼓励创新，为产品的开发和商业化提供技术支撑，它们共同促进了科技的进步和发展。在MEMS扬声器、微机械超声换能器（MUT）技术蓬勃发展之际，麦姆斯咨询分别从期刊文献和专利角度出发，进行全面检索与深入分析：利用期刊文献数据库分别对MEMS扬声器、PMUT、CMUT进行检索，分析其研发历史及技术现状，由此透视相应全球领域的技术布局及国家与地区研发实力，挖掘相应领域的优势科研机构及专家学者；利用全球专利检索数据库分别对MEMS扬声器、MUT进行检索，深入分析其全球及中国专利发展现状及趋势，挖掘相应领域的领导厂商、新进厂商和科研机构及其专利布局方向，从而为相关从业人员的技术调研、产品创新、产学研合作提供有意义的参考资料。

课程提纲：

1. MEMS扬声器期刊文献分析；

2. MEMS扬声器专利态势分析；

3. PMUT期刊文献分析；

4. CMUT期刊文献分析；

5. MUT专利态势分析。

课程六：压电MEMS扬声器设计与优化

老师：中国科学技术大学先进技术研究院 研究员 安志武（点此查看老师简介）

MEMS扬声器是一种将电信号转变为声信号的微型换能器，其核心组件（例如执行器/驱动器、振膜、热声膜等）利用MEMS技术在半导体材料上制造而成，主要驱动方式为压电式、电动式、静电式、热声式。MEMS扬声器可以通过全自动化生产线制造，而平衡电枢式扬声器需要手工组装。相比平衡电枢式扬声器，MEMS扬声器尺寸较小，占用系统PCB板的空间更少，从而有利于系统集成商添加更多传感器以实现更多功能，或者采用更大容量的电池以提升系统的运行时间。此外，MEMS扬声器还具有低成本、低功耗、高可靠性、易于集成等优点。但如何在体积小及功耗低的情况下实现足够高的声压级是目前MEMS扬声器设计中最关键的问题。为了实现小尺寸、高输出声压和平坦的频率响应，研究人员在振膜结构、电极设计、阵列设计等方面进行了优化和改进，以便提高MEMS扬声器的声压级。本课程综述MEMS扬声器研究进展，讲解压电MEMS扬声器设计与优化，介绍MEMS扬声器代表厂商及产品。

课程提纲：

1. MEMS扬声器概述；

2. MEMS扬声器研究进展；

3. 压电MEMS扬声器设计与优化；

4. MEMS扬声器代表厂商及产品介绍；

5. MEMS扬声器总结与展望。

课程七：微机械超声换能器（CMUT和PMUT）关键技术与典型应用

老师：西安交通大学 助理教授 赵一鹤（点此查看老师简介）

微机械超声换能器（MUT）是指采用MEMS技术制作的超声换能器，根据工作原理主要分为两大类：电容式微机械超声换能器（CMUT）和压电式微机械超声换能器（PMUT），PMUT和CMUT在性能和应用方面各有所长、并行发展。与传统的块体型超声换能器相比，微机械超声换能器具有体积小、成本低、功耗低、频率控制灵活、易于与电路集成和实现智能化等特点。随着MEMS设计和微加工技术的提升以及产业链的完善，微机械超声换能器成为替代传统超声换能器的很有前途的选择之一。CMUT主要应用于医疗成像领域，以Butterfly Network和Kolo Medical为代表的创业公司正探索“杀手级”应用产品：面向家庭或个人应用的手持式超声成像设备。此外，基于CMUT的可穿戴贴片、血管内超声（IVUS）成像导管、心脏内超声（ICE）导管等也都拥有令人期待的发展潜力。PMUT呈现“百花齐放”的局面，在飞行时间（ToF）测距、超声成像、指纹识别、人机交互、芯片散热等应用领域取得重要产业化进展，例如TDK Chirp的ToF测距传感器、Exo Imaging的手持式超声诊断仪、高通（Qualcomm）的指纹识别传感器、Frore Systems的AirJet固态冷却器等。本课程讲授微机械超声换能器核心技术（建模仿真、结构设计、制备技术）及典型应用，分析当前的发展瓶颈，并进行总结与展望。

课程提纲：

1. 微机械超声换能器机电声多场耦合理论建模与性能分析方法；

2. 微机械超声换能器结构设计与优化技术；

3. CMOS兼容的微机械超声换能器制备技术；

4. 微机械超声换能器典型应用；

5. 微机械超声换能器发展瓶颈、新兴应用与未来展望。

课程八：PMUT新技术与新应用

老师：天津大学 北洋学者 张孟伦（点此查看老师简介）

PMUT是指基于压电效应的微机械超声换能器，通常使用压电材料沉积工艺（例如磁控溅射法、溶胶-凝胶法、原子层沉积法）在空腔顶部形成可运动的压电薄膜。在PMUT中使用较多的压电材料是AlN和PZT，因为这两种材料有着较为成熟的制造工艺，但是新材料和新技术不断涌现，推动PMUT科研领域创新发展。AlN PMUT与集成电路工艺具有很好的兼容性，因而是超声系统重要的微型化实现方案之一。近期，我国在压电MEMS工艺方面快速发展，形成“科研-中试-量产”全系列平台，典型的压电MEMS工艺平台单位包括：天津大学、苏州纳米所、上海微技术工研院、苏州MEMS中试平台、无锡物联网创新中心、国家智能传感器创新中心、芯联集成、中芯宁波等。本课程介绍PMUT及其阵列的设计与制造，以及新技术发展情况，讲解基于PMUT的五种新应用：脑机接口、能量传输、心率监测、眼动追踪、室内定位。

课程提纲：

1. PMUT及其阵列的设计与制造；

2. 基于PMUT的无线植入式脑机接口；

3. 基于PMUT的无线能量传输；

4. 基于PMUT的心率监测；

5. 基于PMUT的眼动追踪；

6. 基于PMUT的室内定位。

课程九：小尺寸高频PMUT的结构工艺及超声成像

老师：天津大学 副教授 牛鹏飞（点此查看老师简介）

MEMS超声诊疗被认为是革命性的技术，可用于胎儿、心脏、肝脏、乳腺、肌肉、血管等人体组织和器官成像，其成功及大批量使用为全球健康事业贡献巨大力量。传统的大型超声设备生产制造复杂、体积庞大、价格昂贵，并且无法自动3D成像（需要手动扫描），而基于MEMS技术的手持式超声影像设备借助半导体制造工艺及集成技术，减小体积和降低成本，并且易于实现基于2D相控阵的3D成像，因此受到当下学术界和产业界的深度关注。天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室研发了一种用于超声相控阵成像的小尺寸高频AlN PMUT阵列，使所设计的PMUT结构能够通过非常成熟的磷硅酸盐玻璃（PSG）牺牲层工艺进行低成本制造，再加上优异的超声性能，表明该PMUT阵列在手持式超声影像设备方面具有光明的应用前景。本课程从基于微机械换能器的超声诊疗技术出发，重点讲解小尺寸高频AlN PMUT阵列设计、制造及超声成像应用。

课程提纲：

1. 微机械换能器的超声诊疗概述；

2. 小尺寸高频PMUT的结构与工艺；

3. 小尺寸高频PMUT阵列的声学性能；

4. 基于小尺寸高频PMUT阵列的超声成像；

5. PMUT应用探索及技术展望。

课程十：基于PMUT的液体监测及无损探伤

老师：上海微技术工业研究院 总监 娄亮（点此查看老师简介）

液体具有多种物理特性，例如密度、黏度和表面张力等，通过测量这些参数可以反映出液体的性质，其中密度是反映液体性质的重要指标之一。此外，液体流量和位置在仪器仪表、工业过程和医疗监测设备中是常被测量的运动状态信息。时差式超声波流量计（TTUF）是最广泛使用的流量测量设备之一。然而，传统的TTUF通常基于块体型压电换能器，这限制了其在小直径通道中的应用。利用压电式微机械超声换能器（PMUT）取代块体型压电换能器，可以有效突破这一限制。娄亮博士团队开发出一种基于掺钪氮化铝（ScAlN）PMUT的小型化TTUF，在直径为4 mm的通道中实现了2∼300 L/h大范围内流量测量。这款TTUF的准确度和重复性分别在0.2%和1%以内，在医疗和化工等方面显示出巨大的应用潜力。本课程介绍ScAlN PMUT核心技术（设计与制造），讲解PMUT在液体流量计、液体密度计、液体位置计、无损探伤中的应用。

课程提纲：

1. PMUT设计与制造概述；

2. 基于PMUT的液体流量计；

3. 基于PMUT的液体密度计；

4. 基于PMUT的液体位置计；

5. 基于PMUT的超声无损探伤。

课程十一：压电超声MEMS微泵及应用

老师：杭州电子科技大学 教授 轩伟鹏（点此查看老师简介）

压电超声MEMS微泵（Micropump）主要由压电振子、腔体结构、阀门等元件构成，常用的压电材料为PZT、AlN，在医药学、微流控、IC电路冷却等领域具有较好的应用前景。近期，压电超声MEMS微泵凭借体积小、可集成性好、功耗低和噪声低等特点，已成为工业界和学术界的热门研究方向，例如在冷却（散热）领域，Frore Systems研发的压电微泵式AirJet冷却器已成功商业化并被应用于笔记本电脑和固态硬盘（SSD）；在糖尿病给药领域，Debiotech和意法半导体发布了微型胰岛素输液泵，可集成在一次性敷贴上，为糖尿病患者连续输送胰岛素注射液，在治疗效率和生活品质方面更取得很大改善；在血压检测领域，杭州电子科技大学和浙江大学研发出泵阀一体的极微型压电泵，可满足穿戴式/便携式血压检测对高流量输出大压力负载能力的要求。本课程综述压电超声MEMS微泵，包括原理、设计、制造、应用，最后对技术发展趋势进行展望。

课程提纲：

1. 压电超声MEMS微泵概述；

2. 压电超声MEMS微泵设计；

3. 压电超声MEMS微泵制造；

4. 压电超声MEMS微泵应用：血压检测、糖尿病给药、芯片冷却（散热）等；

5. 压电超声MEMS微泵技术展望。

课程十二：声学传感器实验室参观学习

老师：国家物联网感知装备产业计量测试中心 声学传感器实验室项目主管 陈艺（点此查看老师简介）

国家物联网感知装备产业计量测试中心以产业需求为导向，以计量测试技术和计量科技创新为主要手段，研究具有物联网产业特点的量值传递技术，开展产业关键领域关键参数的计量测试服务。该中心具有国内一流的软硬件设施和先进的检测仪器，目前在惯性、压力、声学、风速、振动等领域的计量测试服务能力在国内处于领先地位，并可提供各类环境可靠性试验和机械可靠性试验。该中心的声学传感器实验室拥有消声室、半消声室、工作传声器校准系统、音频分析仪APX525等装备，可以对MEMS麦克风、微型扬声器等电声器件以及各种语音设备进行声学特性测量。本课程带领学员们了解声学传感器测试方法及设备，结合现场参观实验室加深体会。

课程提纲：

1. 国家物联网感知装备产业计量测试中心简介；

2. 计量与产业计量；

3. 声学传感器涉及的标准、规程和规范；

4. 声学传感器测试服务能力；

5. 声学传感器测试服务的典型案例；

6. 参观声学传感器实验室。

六、培训报名及培训赞助咨询

报名咨询：请发送电子邮件至BISainan@MEMSConsulting.com，邮件题目格式为：报名+声学MEMS与传感器+单位简称+人数。

培训赞助：请致电联系毕女士（18921125675），或麦姆斯咨询固话（0510-83481111）。

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联系人：毕女士
电话：18921125675
E-mail：BISainan@MEMSConsulting.com