具有增强灵敏度和刚度的应力集中型压电声压传感器，适用于高声压级（High SPL）应用场景

《Journal of Microelectromechanical Systems》：Stress Concentrated Piezoelectric Acoustic Pressure Sensors With Enhanced Sensitivity and Stiffness for High SPL Applications

压电声压传感器采用六角凹面结构设计，通过应力集中提升灵敏度达22.5μV/Pa，对比传统圆形设计性能更优。采用PZT材料实现高介电常数与压电系数，结构刚度增强使声过载点提升至170dB SPL，频响270kHz且失真度仅2.4%。

　　

摘要：

本文介绍了一种专为高声压级（SPL）应用设计的压电声压传感器，该传感器兼具高灵敏度和高刚性。该传感器采用凹形六边形结构来放大局部应力，从而在输出电荷密度方面优于传统的圆形设计。楔形电极的优化以及串联连接方式有效利用了有限区域内的应力集中效应，同时最大化了输出电压。由于锆钛酸铅（PZT）具有较高的压电系数和介电常数，因此被选为压电材料；这种材料能够提供足够的电容来支持串联电极配置，而对于基于氮化铝（AlN）的传感器而言，由于器件电容有限，可能会导致严重的寄生效应。增强的结构刚性使得该传感器具有较高的声学过载点（AOP）和宽广的带宽，并且频率响应平坦。实验结果表明，这种凹形六边形传感器在1 kHz时的灵敏度为22.5 μV/Pa，特征频率为270 kHz；在170 dB SPL时的总谐波失真（THD）仅为2.4%。相比之下，圆形传感器在1 kHz时的灵敏度为14.5 μV/Pa，特征频率为146 kHz；在170 dB SPL时的THD为5.3%。这些结果表明，凹形六边形传感器成功集成了高灵敏度、高刚性和低谐波失真等优点，验证了应力集中策略在高声压环境下开发先进声压传感器的有效性。