问题：水下声学探测是海洋信息获取的重要手段，水听器作为关键换能器件，广泛服务于水下通信、目标识别、定位导航、水下成像以及声呐系统等。随着海洋观测网络建设提速和应用场景下沉，行业对水听器提出更高指标要求：更宽频段保持高灵敏度与低噪声，同时具备良好线性度与小型化、可阵列化、易集成等工程属性。尤其在被动声呐等低频应用中，微弱信号获取能力与系统噪声控制往往决定探测距离与识别可靠性，成为制约性能提升的瓶颈。 原因：近年来MEMS技术推动水听器向小型化、阵列化和批量制造演进，但压电MEMS水听器的材料体系与结构设计仍面临现实约束。传统压电薄膜材料如PZT、ZnO与AlN各有优势，但在薄膜沉积兼容性、工艺稳定性、环保限制以及压电系数各上存权衡。以AlN为代表的材料在工艺成熟度与兼容性上表现突出，却容易受限于压电系数偏低，进而影响灵敏度与噪声水平。掺钪氮化铝（ScAlN）因晶格“软化”带来更高压电响应，成为提升薄膜压电性能的重要方向，但如何在器件层面把材料增益转化为可测可用的系统指标，仍需要结构与电路读出协同优化。 影响：根据上述需求与瓶颈，上海第二工业大学与中北大学研究团队提出并完成一种基于Sc0.2Al0.8N复合薄膜的双压电层MEMS水听器设计验证，涉及的成果发表于Micromachines期刊。该研究从器件几何、薄膜厚度与电极形状等关键参数入手开展系统分析，最终形成面向宽带与高灵敏度兼顾的工程方案：一是在材料层面采用20%钪掺杂以提升压电系数；二是在结构层面采用双压电层堆叠，增强电荷输出并拓展工作带宽；三是在信号获取层面引入差分读出方式，以改善抗干扰能力并提升有效输出；四是在系统形态上采用8×8阵列化设计，满足集成化与规模化应用趋势。研究团队给出的标准水声标定结果显示，该器件在20 Hz—50 kHz频段内平均声压灵敏度达到−162 dB（re: 1 V/μPa），等效噪声密度为55 dB（re: 1 μPa/√Hz），线性度达99%，体现出在低频被动探测等场景中的应用潜力。对水下目标的微弱声源捕获而言，灵敏度提升与噪声降低意味着可用信号裕量增加，有望提升远距离探测、目标特征提取以及多阵元协同处理的效果。 对策：从技术路径看，该研究强调“材料—结构—读出—阵列”的一体化优化思路，为压电MEMS水听器性能升级提供可复用的方法框架：在材料上，通过选择更高压电响应的ScAlN体系提升源头增益；结构上，通过双压电层与电极尺寸优化，提高单位声压下的电荷生成与电场耦合效率；读出上，采用差分架构抵消共模干扰与部分结构噪声，提升信号可用度；应用上，阵列化为后续波束形成、指向性增强与多目标分离提供基础。上述组合策略，体现出从器件物理到系统应用的连续性设计逻辑，有助于推动相关器件从实验室指标走向工程应用。 前景：面向未来，海洋观测、海上安全与水下装备智能化对高性能水声传感器需求将持续增长。以ScAlN为代表的新型压电薄膜与MEMS制造工艺的结合，具备继续提升阵列密度、降低成本并实现片上集成的空间。下一步研发可重点关注三方面：其一，围绕封装与长期可靠性开展验证，提升在海水环境中的稳定工作能力；其二，推动与低噪声前端电路、数字信号处理链路的协同设计，释放差分读出与阵列化的系统增益；其三，面向应用场景开展工程化标定与规模制造一致性评估，促进技术从样机走向产品化。业内人士认为，随着材料性能、工艺窗口与系统集成不断成熟，高灵敏、低噪声、宽带的MEMS水听器有望在被动声学探测与水下感知领域形成更具竞争力的解决方案。
从实验室的创新设计到海洋深处的实际探测，这项研究不仅标志着我国在水声传感领域取得的技术突破，更显示出产学研协同攻关对解决"卡脖子"难题的关键作用。当科技创新的浪潮与海洋强国的战略同频共振，中国智造正以扎实的科研积累，向着深蓝挺进更坚实的步伐。