为了解决水下远场目标的检测以及安静型潜艇的侦测,低频、高信噪比检测已经成为声纳系统发展的一个重要趋势。水听器作为声纳系统实现接收声信号的核心器件,水听器的性能优劣将直接影响声纳系统的性能。矢量水听器可以同步共点的获取声场中的标量和矢量信息,并且具有良好的低频指向性、抗各项同性噪声等诸多特点,目前已成为备受水声领域关注的研究焦点之一。而将MEMS技术与传统水声技术相结合制作出的MEMS矢量水听器,具有微型化、集成化、低成本、低功耗等诸多优点,尤其是在低频段表现出良好的灵敏度和指向性。但是,MEMS矢量水听器在实际应用过程中仍存在一些问题,如水听器的灵敏度、带宽这两个关键指标此消彼长的问题,水听器的机械稳定性以及在高冲击应用场景下可靠性问题等等。本文基于前人的研究工作,针对MEMS矢量水听器的上述问题开展研究,具体包括:首先,根据MEMS矢量水听器在水下感应声信号转化为电信号的工作原理,利用COMSOL有限元仿真软件,建立了一套声-固(壳)-力-电多物理场耦合的有限元仿真模型。基于此模型分别对MEMS矢量水听器芯片进行了特征频率、应力响应、频响特性等关键性能的仿真研究,同时针对封装结构对外部声场的影响进行了声学仿真研究,并计算了声信号经过封装结构达到水听器内部的声传输和衰减情况。为后续水听器设计和优化奠定了理论基础。接着,为了解决MEMS矢量水听器芯片灵敏度和带宽性能固有矛盾的问题,提出了一种应力集中型水听器芯片结构设计,用来实现保证MEMS矢量水听器带宽性能的前提下,提升器件灵敏度的目的。通过在水听器芯片十字梁根部引入通孔结构设计,形成应力集中区域(SCR),提高器件对应力的拾取能力。利用仿真软件,对比了三种不同的应力集中结构设计方案,选择了在相同负载下应力响应最大的结构设计作为最后的方案。成功制备了应力集中型MEMS矢量水听器样品,并进行了驻波管校准测试,结果表明:应力集中型水听器的灵敏度可以达到-187.9 dB(ref=1 V/μPa,@1000 Hz),相较于传统的MEMS矢量水听器样品,在20 Hz~1000 Hz的频响范围内灵敏度提高了约5 dB。应力集中结构在提高灵敏度的同时,对带宽、指向性指标无明显影响。最后,在优化MEMS矢量水听器芯片结构的基础上,提出一种新型的胶体封装设计方案,以解决MEMS矢量水听器的机械稳定性和在高冲击应用场景中的器件可靠性问题。通过有限元仿真,对比了有无胶体封装的芯片结构在冲击下的应力响应,仿真结果证明胶体封装方式有效地提高了MEMS矢量水听器的机械稳定性和抗冲击性。同时,为了验证胶体封装的应用是否对矢量水听器灵敏度、带宽、指向性等关键性能造成了影响,在驻波管内对胶体封装型MEMS矢量水听器样品进行了校准测试。测试结果表明:胶体封装型MEMS矢量水听器的灵敏度可以达到-164.3 dB(ref=1 V/μPa,@1000Hz),并且在工作频段内水听器的灵敏度几乎没有影响,并且适当地提高了水听器的一阶谐振频率,频响范围由20 Hz~630 Hz拓展到了20 Hz~1000 Hz。