Design of MEMSBionic Vector Hydrophone Based on NBR Encapsulation*

LIU Mengran1，2，JIAN Zeming1，2，ZHANGGuojun1，2*，ZHANGWendong1，2

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory Of Science and Technology on Electronic Test and Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China)

This paper introduces thematerial nitrile butadiene rubber(NBR)with good performance in sound transmission and anti－corrosion in making the sound－transparent cap，and puts forward an optimal design of the encapsulation shell of the MEMS bionic vector hydrophone，resolving the problem that current encapsulation structure causes is to lose the sensitivity，making the hydrophone less sensitive than the bare chip.With the new encapsulation structure，the resonance frequency of the hydrophone has been dropped below 50 Hz，which ensures the frequency spectrum(50 Hz～4 kHz)the hydrophone interested in free from the interference of the encapsulation resonance，broadening theworking frequency band.The sensitivity of the optimal encapsulation has been improved to(－170±2)dB，almost the same with the bare chip，and themaximum diameter of the hydrophone has been reduced from 36mm to 28mm，miniaturizing the hydrophone further.

MEMS bionic hydrophone;NBR cap encapsulation;frequency;sensitivity;miniaturization

隨著陸地資源的不斷消耗，海洋中，尤其是深海中蘊藏著巨大的資源，是人類賴以生存的資源寶庫，將給人類提供包括能源、礦藏以及生物等在內的豐富資源［1］。面對水下安全日益嚴峻的形勢，矢量水聽器作為聲納探測的重要組成部分，迫切需要采用新技術、新方法進行改進，以滿足工程應用的需求［2］。而矢量水聽器性能很大程度上取決于封裝。纖毛式MEMS仿生矢量水聽器現(xiàn)有封裝為聚氨酯透聲帽，雖然聚氨酯透聲帽自身透聲性能良好，但是聚氨酯透聲帽固有機械特性耦合作用于MEMS芯片上，導致水聽器頻率響應起伏較大，并在透聲帽的共振頻率處出現(xiàn)峰值;且在自由場中，聚氨酯透聲帽隨聲波擺動的偏斜量與液體質點位移不相符導致水聲衰減引起水聽器靈敏度下降。因此本文提出一種新型封裝結構，即丁腈橡膠封裝結構。該封裝結構顯著提高了水聽器的靈敏度，并且其諧振頻率在50 Hz以下，不會對水聽器的工作頻率產(chǎn)生干擾，并使水聽器的封裝進一步小型化，為水聽器進一步的發(fā)展和工程應用奠定了基礎。

1 工作原理［3－5］

MEMS仿生矢量水聽器以硅片為材料，由采用標準壓阻式硅微機械工藝加工成的四梁臂硅微結構及固定于四梁中心的剛硬柱狀體組成，結構模型如圖1所示。四梁臂上通過擴散工藝加工有八個阻值相等的應變壓敏電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8，其中R1、R2、R3、R4連接成一個惠斯通電橋，R5、R6、R7、R8連接成另一個惠斯通電橋，微結構上的壓敏電阻的分布連接示意圖如圖2(a)所示和構成的惠斯通電橋如圖2(b)所示。當有任一振動信號作用于傳感器時，使懸臂梁發(fā)生變形，從而使惠斯通電橋的輸出發(fā)生變化，根據(jù)惠斯通電橋的輸出變化獲得聲場信息。

圖1 芯片結構模型圖

圖2 電阻連接示意圖

2 MEMS仿生水聽器的理論分析與優(yōu)化設計

2.1 透聲理論

對封裝結構的透聲性能的分析，則通過建立3層介質理論模型進行預測。假定聲波在介質中是按平面波傳播的［6］，建立如圖3所示模型。

圖3 透聲帽3層介質理論模型

依據(jù)上述模型，可得聲波從水介質Ⅰ到油介質Ⅲ的透聲系數(shù)［7－9］:

其中，Z1，Z2，Z3分別為水，透聲帽，硅油的特性阻抗，k2為聲波在透聲帽中傳播的波數(shù)，L為透聲帽層的厚度。由于在校準測量中，駐波桶內也是硅油，也就是說圖3中介質Ⅰ中的水變?yōu)橛停虼松鲜娇珊喕癁?

由式(2)可知:如果透聲橡膠的厚度L遠小于波長時，k2L→0，T≈1?，F(xiàn)采用厚度為0.05 mm丁腈橡膠帽封裝水聽器，遠小于聲音在水中傳播時的波長。因此，此時T≈1，即聲音穿過丁腈橡膠帽的幾乎沒有衰減，水聽器的靈敏度應與未封裝裸芯片的靈敏度一致。

2.2 封裝結構的優(yōu)化設計

圖4(a)為聚氨酯橡膠帽的封裝結構示意圖。由于0.05 mm厚的丁腈橡膠帽，難以獨立支撐成型，直接封裝極易損壞芯片微結構，加大制作過程的困難，因此我們在內部加入一個瓣狀支撐，既可以保護水聽器敏感結構，使水聽器封裝的成型更加美觀，又抑制了自由場中透聲帽隨聲波擺動的偏斜量與液體質點位移不相符導致水聲衰減引起水聽器靈敏度下降。加入內支撐體的封裝結構如圖4(b)所示［10］。

圖4 透聲帽封裝優(yōu)化示意圖

由于聚氨酯帽的厚度為2 mm，而丁腈橡膠帽的厚度僅為0.05 mm，原聚氨酯橡膠帽封裝的金屬管殼不適用于丁腈橡膠帽封裝，因此，還需對水聽器的封裝外殼進行優(yōu)化。此時，只需對金屬管殼的圓盤的結構進行優(yōu)化，如圖5所示。圓盤尺寸，即水聽器最大徑，由36 mm縮小至28 mm，使水聽器的封裝進一步小型化。

圖5 金屬管殼的結構優(yōu)化示意圖

2.3 仿真分析

由于封裝結構的固有頻率對水聽器的工作帶寬有很大影響，為拓展水聽器頻響，必須使封裝結構的固有頻率大于水聽器的工作頻率上限或者小于水聽器工作頻率下限。聚氨酯帽的諧振頻率為874 Hz，為拓寬水聽器的工作頻率，如果提高透聲帽的共振頻率，須增加帽子的厚度，帽子的厚度的增加又會使透聲效果減弱。因此，我們考慮將透聲帽封裝的共振頻率降低到50 Hz以下，損失50 Hz以下的工作頻率，使水聽器所感興趣的頻段不會受到封裝諧振的干擾。故這里利用ANSYS有限元軟件輔助分析，通過仿真獲得丁腈橡膠帽封裝結構和聚氨酯帽封裝結構的固有頻率。ANSYS模態(tài)分析結果如表1所示。圖6為芯片、聚氨酯帽封裝和丁腈橡膠帽封裝仿真模型的一階模態(tài)圖。

表1 ANSYS模態(tài)分析結果

圖6 ANSYS仿真一階模態(tài)示意圖

用ANSYS軟件建立了下半部分為空心圓柱上半部分為空心半球殼體透聲帽、透聲帽內部支撐體、透聲帽內硅油與透聲帽外硅油的有限元三維模型，導入聲學仿真軟件Virtual.lab;在透聲帽內的硅油和透聲帽外的硅油里分別定義A、B兩個場點;定義聲源強度為1 Pa;提取透聲帽內外場點的聲壓值(仿真頻率范圍50 Hz～4 000 Hz)，仿真結果如圖7所示。由圖7可看出，在50 Hz～4 000 Hz，丁腈橡膠帽封裝內B場點的聲壓曲線沒有諧振峰，曲線較平坦。分析其原因，當聲源頻率為50 Hz～4 000 Hz時，水聽器接收的聲源頻率大于丁腈橡膠帽封裝的共振頻率，丁腈橡膠帽封裝和內腔液體沒有發(fā)生諧振，所以曲線較平坦。因此，在水聽器感興趣的頻率范圍(50 Hz～4 000 Hz)，丁腈橡膠透聲帽封裝內場點聲壓值基本不變。

3 水聽器的測試

圖7 A和B點仿真結果圖

本設計是在不影響矢量水聽器“8”字形矢量指向性的前提下設計的。水聲傳感器的接收指向性表示遠場傳來的平面波入射到水聲傳感器接收面上的平均聲壓隨入射方向變化的曲線。為此，我們對改進封裝后的水聽器樣機進行靈敏度和指向性測試。在駐波桶中，分別對未封裝的裸片(如圖8(a))、聚氨酯帽封裝(如圖8(b))和丁腈橡膠封裝(如圖8(c))進行靈敏度和指向性測試.為保證結果的準確性，我們制作了3支水聽器，并對同一支芯片不同封裝進行測試。

圖8 3種測試封裝示意圖

3.1 靈敏度的測試

靈敏度校準測試采用比較法校準的原理，即將被測MEMS矢量水聽器和CS－3A標準水聽器的輸出進行比較，得到被測MEMS矢量水聽器的聲壓靈敏度。由于管中為駐波聲場，管中任意一點聲壓滿足1/p∝sin(kd)的關系(其中k為波數(shù)，d為水－空氣界面處與考察點之間距離)，因此，被測水聽器的靈敏度Mx為［11－13］:

其中，Ux為被測水聽器的開路電壓有效值，Mx為被測水聽器的接收靈敏度，d和d0分別為標準水聽器和被測水聽器與水－空氣界面處之間距離，此時d=d0，P0可以通過測量標準水聽器的開路電壓得到。

將水聽器固定在機械回轉桿中，將水聽器最大輸出方向對準聲波入射方向，同時固定標準水聽器至相同液面(如圖9所示)，并發(fā)射1/3倍頻程信號進行測量。圖10為駐波筒測試現(xiàn)場圖。丁腈橡膠封裝與裸片、聚氨酯帽封裝水聽器頻響對比曲線如圖11所示。測試結果表明:丁腈橡膠帽封裝水聽器接收靈敏度與芯片的裸測靈敏度幾乎一致，頻響范圍為50 Hz～4 000 Hz，頻響曲線平坦，在頻率響應范圍內靈敏度起伏2 dB。較聚氨酯帽封裝，靈敏度有很大的提高，頻響曲線也更加平坦，水聽器的工作頻率得到了進一步的拓寬。

圖9 測試安裝示意圖

圖10 為駐波筒測試現(xiàn)場圖

圖11 丁腈橡膠帽封裝與裸片、聚氨酯帽封裝水聽器頻響曲線對比圖

3.2 指向性測試

指向性的測量同樣采用圖10所示的駐波測量裝置。由于管中聲場是垂直分布的，只需沿水平軸對被校矢量水聽器進行旋轉，記錄旋轉角度θ和矢量水聽器的開路電壓eθ，同時記錄最大方向水聽器的輸出電壓值emax，歸一化的指向性函數(shù)表達式:

圖12 水聽器指向性示意圖

根據(jù)式(4)，對所測數(shù)據(jù)進行歸一化處理，得到水聽器的指向性圖。圖12為測試頻率是100 Hz和1 250 Hz時，水聽器指向性圖。測試結果表明:具有良好的“8”字型指向性，凹點深度達到了38 dB，且指向性曲線平滑。

4 結束語

本文針對現(xiàn)有MEMS矢量水聽器的封裝結構會對靈敏度造成一定程度的損失，從透聲帽材料方面進行了改進。選用丁腈橡膠材料，并加入內支撐體，在不影響矢量水聽器指向性的情況下，提高了水聽器的頻率，使靈敏度提高到幾乎與未封裝的裸片的靈敏度一致，達到(－170±2)dB;拓寬了水聽器頻帶，并使水聽器的封裝進一步小型化，具有良好應用前景。

［1］楊松濤.深水矢量水聽器的研制［D］.哈爾濱:哈爾濱工程學，2010.

［2］管宇.一種低頻三維MEMS矢量水聽器的研制［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2010.

［3］葛曉洋，張國軍，杜春暉，等.一種用于管道地面標記的MEMS仿生矢量傳感器［J］.壓電與聲光，2012，34(6):882－885.

［4］張國軍，陳尚，薛晨陽，等.纖毛式MEMS矢量水聲傳感器的仿生組裝［J］.納米技術與精密工程，2009，7(3):224－226.

［5］陳尚.硅微仿生矢量水聲傳感器研究［D］.太原:中北大學，2008.

［6］Xue Chenyang，Chen Shang，Zhang Wendong，et a1.Design，F(xiàn)abrication，and Preliminary Characterization of a Novel MEMS Bionic Vector Hydrophone［J］.Microelectronics Joumal，2007，38:1021－1026.

［7］許姣，張國軍，石歸雄，等.纖毛式矢量水聽器新型封裝結構的研究［J］.傳感技術學報，2011，24(4):519－520.

［8］許肖梅.聲學基礎［D］.北京:科學出版社，2003.

［9］杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學基礎［M］.南京:南京大學出版社，2001:199－216.

［10］李振，張國軍，薛晨陽，等.MEMS仿生矢量水聽器封裝結構的設計與研究［J］.傳感技術學報，2013，26(1):25－30.

［11］費騰.矢量水聽器校準裝置［J］.聲學技術，2005(增刊): 289－291.

［12］范繼祥.矢量水聽器校準裝置研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2007.

［13］鄭士杰，袁文俊.水聲計量測試技術［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，1995:30－36.

劉夢然(1991－)，女，湖北省隨州市人，中北大學碩士研究生，主要從事微納器件研究及傳感器相關信號處理，liumengran1991@163.com;

張國軍(1977－)，男，副教授，2001年7月畢業(yè)于華北工學院自動控制系并留校任教，同年9月被派往清華大學微電子系進修微電子專業(yè)。2003年考取中北大學精密儀器及機械專業(yè)研究生，2004.7～2006.7在中國科學院聲學研究所做有關穿孔板結構非線性聲學方面的研究工作，2012年，在西北工業(yè)大學攻讀博士。

基于丁腈橡膠帽封裝的MEMS仿生水聽器的設計*

劉夢然1，2，簡澤明1，2，張國軍1，2*，張文棟1，2
(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051;2.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051)

針對現(xiàn)有封裝結構會對靈敏度造成一定程度的損失，使現(xiàn)有水聽器的靈敏度小于水聽器芯片裸測靈敏度的問題，改用了透聲性能好、耐腐蝕的丁腈橡膠(NBR)制作的透聲帽，并對現(xiàn)有的矢量水聽器的封裝外殼進行相應的優(yōu)化設計。該封裝結構的水聽器的共振頻率降低到50 Hz以下，水聽器所感興趣的頻段(50 Hz～4 kHz)不會受到封裝諧振的干擾，拓寬了水聽器的工作頻段。該封裝的靈敏度提高到幾乎與裸片的靈敏度一致，達到(－170±2)dB，并優(yōu)化金屬管殼的圓盤的尺寸，即水聽器最大徑，由36 mm縮小至28 mm，使水聽器的封裝進一步小型化。

MEMS仿生水聽器;丁腈橡膠帽封裝;頻率;靈敏度;小型化

TP565.1

A

1004－1699(2014)01－0021－05

2013－10－18修改日期:2013－12－09

C:2575D;2860C

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.01.005

項目來源:國家“863”計劃項目(2011AA040404);國家自然科學基金項目(61127008，51205374);山西省青年科技研究基金項目(2012021013－3)