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基于MEMS前沿传感技术的水声专业教学实践研究

2024-11-06 50 上传者：管理员

摘要：针对信息技术应用模式快速发展对创新型人才培养的迫切需求，围绕着水声工程创新发展要求，提出将压电MEMS芯片传感前沿技术与学生毕业设计题目关联，开展毕业设计实践，突破原有毕设题目独立设置模式，并通过与科研院所联合开展学生实践活动，使学生在较短的时间内掌握压电MEMS芯片前沿技术背景、关键技术以及与水声工程应用技术内在支撑关系，为专业领域新型人才培养模式探索提供了经验。

关键词：
MEMS芯片前沿技术
教学实践
教学模式
水声专业
目标题目组
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党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央以“致天下之治者在人才”的深邃洞见和“聚天下英才而用之”的博大胸怀，对加快建设人才强国提出新要求、作出了新部署。培养造就一大批德才兼备的高素质人才，是国家和民族长远发展大计。同时，将人才培养目标和任务与新一轮技术革命的发展趋势相匹配、与产业结构升级调整需求相匹配，加速推进高等教育改革，以人才培养推动科技创新，以科技创新带动人才培养，更好推进科技成果转化，加快产业化规模化应用[1]。

水声专业学生培养很重要的一个方面是对创新能力的培养，这种能力除了包括对理论基础的掌握与运用能力、更包括对技术前沿的关注和敏感觉察能力，还有重要的实践动手能力以及团队合作能力，具备这些基本能力的学生在未来就业、工作中往往能更快的进入状态，发挥更大的作用。目前在校大学生大部分时间专注于理论基础和专业课程的学习，缺少对前沿技术的关注和敏锐性，在信息泛滥的现状面前难免抓不到核心和重点，往往还停留在了解技术的初步浅层次上；虽然有实验课安排，但实验课更着重基本操作和典型共性技术内容的基本认知，学生很难深度参与、深刻理解科研过程的原则和规律。

针对这种实际情况，团队结合本科毕业设计开展了教学实践改革探索，基于在研的前沿技术项目剥离出一些模块化专题技术内容，通过建立目标团队，设立目标题目组模式进行毕设题目分组策划，每个题目组同学围绕一个共同的团队目标努力，每个同学针对目标里的某个子模块内容开展设计，在每个同学分别完成各自设计任务后，将子模块组合起来共同达成一个团队目标。这种目标题目组以及与研究所实践合作联合培养教学实践模式，为学生增强感性认识和具体实践提供舞台。

1、MEMS芯片前沿技术与水声工程专业特点分析

MEMS是将微电子技术与微机械加工技术融合到一起完成特定系统功能的半导体高科技芯片器件，加工尺度范围一般在微米范围内，具有体积小、重量轻的微型化特点以及一致性好、可集成化和可批量生产的特点[2～4]。根据中金企信国际咨询的数据，预计到2027年，MEMS市场的规模将达到222.53亿美元，全球MEMS产能、产能利用率及发展趋势呈现出积极向上的态势。21世纪初，在摩尔定律面临挑战与突破的历史背景下，半导体芯片技术开始从原来的尺度缩减导向向材料扩展方向转变，在这种转变过程中，氮化铝材料由于具有很多优异的材料特性，同时与MEMS工艺兼容而受到关注[4]。氮化铝材料具有压电性，在动态传感芯片技术领域获得发展空间，开始被应用于MEMS敏感芯片制造，并获得巨大成功，实现了很多利用原有半导体芯片技术无法完成的功能和特性，例如ZPL芯片等，使压电MEMS传感器技术获得飞速发展[4,5]。

在水声工程领域，主要利用在水下可远距离传播的声波信息实现对目标的探测、识别与定位。在探测能力需求不断提高的背景下，对水下传感器技术一直存在提高灵敏度、降低本底噪声和具有低频响应能力等多方面的实际需求。MEMS传感器具有高性能集成、微型化、可批量制造等独特技术优势，如何将MEMS传感器技术应用于水声工程一直是传感器领域技术创新的重要探索内容[2,3,6]。徐景辉团队首次实现了应用氮化铝压电材料制作的MEMS超低频水听器[6],哈尔滨工程大学与中国电科49所从2019年开始基于压电MEMS水声传感技术开展深度合作，通过实验室基金课题，开展将MEMS传感器技术与水声应用结合研究，至2021年取得了良好的初步验证成果[2,3]。

2、基于目标题目组模式的选题策划与创新方案设计

根据创新型人才对前沿技术敏感性和实际动手能力培养目标，以前沿电子信息技术时代背景下，基于网络的无人小平台能力构建为需求牵引，将项目研究内容提炼成模块化训练内容，设立压电MEMS水听器题目组，组内分设3个子题目。如表1所示，通过3个典型题目就构造成一个压电MEMS水听器技术方向既相互独立有相互关联的一个项目体系概念—目标题目组。题目1和题目2的设计主要针对敏感模式认知采用了分组对比方式，题目1和题目2与题目3的设计主要针对给学生建立传感器完整性概念，采用的是上下游配合方式设立，即各有侧重，又可配合形成可表征的整体功能，整个过程都是对前沿先进技术的一个教学实践过程。

表1 压电MEMS芯片水声传感器题目组培养大纲

此外，组织模式采用总分总流程模式。如图1所示，目标题目组中所有子题目的背景相同，因此第一步所有组内同学一起进行技术背景学习与调研，然后根据各自研究内容不同，分别独立开展各有侧重的水听器敏感芯片设计、信号处理电路设计等研究内容，针对题目1和题目2从敏感模式入手，以水听器敏感芯片设计为牵引，开展水听器理论基础与设计方法的学习与研究工作，在学习研究基础上，开展传感器敏感芯片的设计和信号处理电路的设计；最后将题目3完成的信号处理电路分别与题目1和题目2完成的传感器敏感芯片进行配接联调，与典型结构装配分别实现声压和振动两类典型传感器，然后一起对装配完成的传感器进行性能测试总结，撰写论文。

图1 总分总组织模式流程

3、教学实践过程与能力培养效果映射

3.1 调研环节

首先围绕压电MEMS芯片传感技术方向产生与发展的时代背景，开展讲座讲解MEMS芯片技术内涵、发展特点以及之所以称为国际前沿技术的原因及其发展趋势和最新进展。以世界视角重点介绍典型创新机构DARPA及英飞凌等大公司以及物联网下无人平台能力与需求趋势介绍，使学生学会跟踪技术动态的方法；结合水声工程应用需求进一步讲解MEMS芯片技术及传感器技术内涵与特点。其次，讲解题目设置的目的、研究内容及相互关系。然后组织学生按照各自题目进行资料调研，举证技术发展趋势和技术发展现状以及相关应用的需求和存在的技术问题等。在资料调研过程中，同学们都找到了较为有代表性的文献资料[7～9],通过调研过程加深对前沿技术的了解，深刻体会分析技术发展趋势的方法，学习前沿技术跟踪渠道和整理资料的方法，进一步深刻理解其时代背景和实际需求。

3.2 传感器敏感模式设计相关基本理论学习

学习声压和矢量两类水听器基本工作原理和两种敏感模式设计理论，讲解过程重在将声学理论、力学理论、物理效应、电学知识、机械结构及材料知识点进行串连。学生在短时间内重点掌握了两类水声传感器敏感模式相关设计原理和主要力学设计方法，同时学会了电荷小信号的提取与基本信号处理方法，在这一环节基础上，学生们的敏感芯片设计工作开展顺利，获得了良好效果。

效果1:学生在掌握了传感器敏感芯片设计基本理论与方法并学习仿真方法后，对圆形平膜片和方形平膜片进行力学设计，仿真结果如图2所示，实现的声压敏感芯片实物如图3所示，图4和图5分别为有质量圆膜有限元仿真模型、径向应力云图与分布曲线、方形梁膜径向应力云图与分布曲线，实现的振动敏感芯片实物如图6所示[7,8]。

图2 圆形平膜片和方形平膜片力学设计仿真结果

图3 声压敏感芯片实物

图4 质量圆膜有限元仿真模型、径向应力云图、径向应力分布曲线

图5 方形梁膜径向应力云图、径向应力分布曲线

图6 振动敏感芯片实物

效果2:学生深刻理解了对传感器低功耗的背景需求和技术内容，学会对小电荷信号处理电路设计方法。如图7所示，考虑LPV521是一个内置抗电磁干扰且功耗极低的运算放大器，可以有效地屏蔽来自外界的高频干扰，对于水听器整体的性能有着极大的提升。且尺寸很小，可以与水听器相匹配从而减小水听器的整体尺寸[9]。

图7 电路设计与性能测试结果

3.3 传感器制作实践环节

在进行MEMS工艺讲座基础上，组织学生观看MEMS芯片工艺操作视频，加深对MEMS工艺的了解。在敏感芯片装配实际操作过程中通过教师示范加实操指导，学生顺利完成了传感器的装配。如图8所示，分别为学生完成的声压传感器和振动传感器样品。

图8 学生装配制作的传感器样品

3.4 性能测试与设计验证环节

在掌握测试校准基本原则和方法基础上，重点讲解判断传感器是否正常的基本方法。如，在对装配后的声压传感器进行空气声灵敏度响应测试过程中，遇到了没有输出信号的问题，最终发现由于封装结构背腔设计不合理导致声路设计不满足声压响应条件，从而引起上述问题，经分析指导、改进方案结构，使传感器能够很好的敏感被测声压信息及正确输出传感器的响应信号，如图9所示。

图9 声压传感器灵敏度标定系统实物图及响应信号

在对振动传感器进行灵敏度响应测试过程中，遇到了输出信号小导致输出波形不稳定的问题，按照排查方法进行排查，最终确认是由于MEMS试验电极电容小导致灵敏度低，同时由于结构屏蔽不到位导致存在外部干扰所致，找到问题后，由于试验电极不易改动，在结构封装上做了屏蔽改进最终完成了传感器灵敏度响应测试，实物及输出信号波形如图10所示。

图10 振动传感器测试系统的连接实物图及信号波形

4、结论

1)通过专题技术讲座，提出问题，学生针对具体问题进行资料调研，学生加强对前沿传感芯片技术的关注和宏观了解，从而深刻理解题目技术内容与相互关系，通过自身的调研过程从不同角度加深了对核心技术的理解，据此完成了毕业设计论文前沿部分内容的撰写。

2)以讲学结合模式对水听器原理与MEMS敏感芯片设计进行针对性讲解与自学，学生自学涉及到的相关理论，独立完成各技术内容的设计，以小组形式共同完成样品的制作与测试，通过这种分工与协作，学生在对前沿技术有了较深刻的理解同时获得了知识的扩展，增强了实践能力。

3)通过这一过程使学生们具备了典型敏感模式敏感芯片自主设计能力，对学过的知识点进行了串联，理论知识得到提升，掌握了仿真软件的使用，同时增强了团队合作意识，锻炼了表达能力、动手实践能力，达到了较好的效果。

参考文献:

[1]徐明.全面贯彻新时代人才工作新理念新战略新举措[EB/OL].

[2]陈丽洁,雷亚辉,杨月,等.基于氮化铝薄膜的新型MEMS振动传感器[J].传感器与微系统,2020,39(12):22-25.

[3]陈丽洁,雷亚辉,于洋,等.新型氮化铝MEMS声压传感器技术[J].哈尔滨工程大学学报,2021,42(9):1355-1362.

[4]陈丽洁,徐兴烨,雷亚辉,等.新型氮化铝AlN晶体高温压电振动传感器[J].中国电子科学研究院学报,2020,15(12):1212-1218.

[5]彭玉婷,陈丽洁,王龙奇,等.DARPA趋零功耗传感器技术及军事应用前景分析[J].中国电子科学研究院学报,2020,15(11):1123-1127.

[7]张睿哲.氮化铝MEMS平膜模式声传感器设计与实验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2022.