王曉蘭, 鄒志弢

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

在許多工程應(yīng)用中，都需要對設(shè)備進行噪聲監(jiān)測，同時要求對噪聲有較高的測量精度。尤其對工作頻率范圍內(nèi)的噪聲信號測量有較高的要求。一般的,噪聲信號測量可以采用壓阻式噪聲傳感器、壓電式噪聲傳感器、電容式噪聲傳感器、駐極體式噪聲傳感器等。壓電式噪聲傳感器缺點是體積大，無靜態(tài)輸出，要求有很高的電輸出阻抗，需用低電容值的低噪聲電纜；電容式噪聲傳感器在工作頻率上能夠滿足指標(biāo)要求，但不易達到測量范圍；駐極體式噪聲傳感器測量范圍無法滿足使用要求。本文介紹的壓阻式噪聲傳感器具有優(yōu)點：體積小、靈敏度高、精度高，在高聲壓級135～200 dB動態(tài)范圍內(nèi)的線性度小于1 %，頻率響應(yīng)為20～100 000 Hz，傳感器的輸出為標(biāo)準電壓信號，可組成被動式聲測量陣列，用于噪聲信號的測量[1]。已批量用于交通運輸、醫(yī)療器械、機器人系統(tǒng)、國防事業(yè)、家用電器等相關(guān)行業(yè)和領(lǐng)域。同時也大量應(yīng)用于航空、航天、國防等領(lǐng)域的噪聲測量與控制系統(tǒng)中。

本文為了達到耐高溫、高頻、高聲壓、小型化的特點，著重對感聲膜結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作技術(shù)，聲腔結(jié)構(gòu)動態(tài)匹配技術(shù)進行了研究。

1 傳感器總體方案設(shè)計

采用注氧隔離技術(shù)制成的絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)基片(SIMOX)，利用單晶硅的壓阻效應(yīng)原理，在SOI片上制作出4個力敏電阻器，組成惠斯通電橋，芯片背面利用各向異性腐蝕技術(shù)制作出彈性膜片，形成敏感膜片[2]。由于敏感膜片用于測量噪聲信號，需直接與被測介質(zhì)接觸，不能采用其他的隔離封裝，因此，為避免膜片圖形接觸被測介質(zhì)，造成污染，同時為滿足耐高溫及動態(tài)指標(biāo)的要求，采用膜片背面感聲形式,即采用膜片正面通過靜電鍵合工藝與經(jīng)微加工的玻璃基座封(具有聲腔結(jié)構(gòu))封接在一起；將玻璃基座與可伐支撐結(jié)構(gòu)通過玻璃燒結(jié)的方法連接在一起，金絲與芯片的電極鍵合在一起，形成傳感器探頭；探頭通過焊接、引線轉(zhuǎn)接與金屬管殼和電纜連接，封裝成傳感器。

2 傳感器工作原理

SOI高聲壓噪聲傳感器技術(shù)采用壓阻式原理，當(dāng)聲信號作用在感聲膜片時，膜片發(fā)生形變，引起感聲膜中電阻值變化，通過信號檢測電路將信號線性地檢出，實現(xiàn)將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號[3]

2.1 感聲膜結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于感聲膜結(jié)構(gòu)，頻率特性主要取決于其固有頻率。本文采用梁膜結(jié)構(gòu)，即利用硅膜的剛度系數(shù)與其膜厚的三次方成正比的原理，設(shè)計結(jié)構(gòu)特點是力敏電阻應(yīng)變計制作在應(yīng)力集中的厚梁區(qū)，膜區(qū)的厚度不受力敏電阻應(yīng)變計的限制，該結(jié)構(gòu)具有良好的頻響特性，且對噪聲動態(tài)范圍設(shè)計可控[4]。感聲膜外形尺寸如圖1。其中,H為梁區(qū)厚度；h為膜區(qū)厚度；A為敏感膜邊長；B為固支端邊長；L1為放置電阻條梁區(qū)寬度；L2為L型膜區(qū)長度；L3為L型膜區(qū)寬度。三維結(jié)構(gòu)如圖2。

圖1 感聲膜外形結(jié)構(gòu)示意

圖2 感聲膜敏感結(jié)構(gòu)示意

圖3 感聲膜結(jié)構(gòu)前三階振型

前三階固有頻率分別為68.8，142.9，143 kHz。前三階固有頻率均遠超20 kHz，不影響傳感器的工作頻率。在靜態(tài)分析時，為減小計算量，由于模型具有結(jié)構(gòu)對稱、載荷對稱特點，利用對稱邊界條件對模型的1/4進行分析，施加壓力載荷20 kPa，靜態(tài)應(yīng)力分布結(jié)果如圖4。

圖4 感聲膜結(jié)構(gòu)靜態(tài)分布

應(yīng)變分布曲線如圖5，應(yīng)變?yōu)?70×10-6左右。

圖5 感聲膜沿A-O方向應(yīng)變分布曲線

對感聲膜結(jié)構(gòu)進行理論分析與設(shè)計，確定采用L形梁膜結(jié)構(gòu)，并通過ANSYS軟件進行仿真模擬，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)；完成工藝、版圖設(shè)計，并對其工藝進行研究，確定工藝參數(shù)[6]，制作感聲膜芯片樣品，如圖6。

圖6 L形梁膜結(jié)構(gòu)芯片

2.2 傳感器工藝方案

感聲膜結(jié)構(gòu)的封裝方式增加了工藝制作的難度。本文采用離子注入、雙面對準光刻、硅各向異性濕法及干法刻蝕、鍵合等硅微機械加工技術(shù)制作芯片[7]，通過對高聲壓感聲膜結(jié)構(gòu)離子注入技術(shù)、鈍化層應(yīng)力匹配技術(shù)、高溫電極引出技術(shù)、高溫封裝技術(shù)的研究，實現(xiàn)惡劣環(huán)境下對高聲壓的噪聲信號的檢測。傳感器總體工藝流程如圖7所示。

圖7 傳感器總體工藝流程

傳感器實物如圖8(a)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖8(b)。

圖8 SOI高聲壓噪聲傳感器示意

3 傳感器測試結(jié)果

3.1 傳感器靈敏度測試

將4只樣品(1#,2#,3#,4#)分別利用124 dB，251 Hz的聲校準器校準傳感器單元，測試結(jié)果分別為26.5,25.2,25.8,26 μV/Pa。

3.2 傳感器線性度測試

在壓力場下對1#～4#4只樣品進行線性度測試，調(diào)節(jié)標(biāo)準聲源的聲壓頻率為1 000 Hz，分別取聲壓級為135,155,170,185,200 dB(對應(yīng)的聲壓值分別為112.5,112.5,200,335.7,632.5 Pa)測量4只樣品的輸出，采用濾波軟件對采集的數(shù)據(jù)進行處理計算，1#～4#樣品的線性度測試結(jié)果分別為0.34 %,0.67 %,0.29 %和0.51 %。

3.3 傳感器頻率響應(yīng)測試

采用耦合腔比較法得到被測傳感器單元的頻率響應(yīng)，聲源信號的聲壓級設(shè)置為114 dB，以2 000 Hz為參考點，測量20,500Hz,1 .0,2 .0,3 .0,5 .0,8 .0,10 .0 kHz的輸出電壓值，測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 傳感器頻率響應(yīng)測試結(jié)果

由圖9可以看出，4只樣品在20～10 000Hz頻率通帶內(nèi)均不大于±1 dB。傳感器的頻率響應(yīng)測量結(jié)果良好，具有相當(dāng)平坦的通帶內(nèi)不平度和良好的線性度。

4 結(jié)束語

以壓阻式原理為理論依據(jù)，研究制作了一種高通帶內(nèi)不平度、高線性度、高可靠性的噪聲傳感器。敏感元件設(shè)計階段，通過對比平膜、梁膜、島膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，確定采用梁膜結(jié)構(gòu)，利用ANSYS軟件對敏感元件結(jié)構(gòu)進行了仿真，對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了反復(fù)修正，最終予以確定。按照制定的工藝過程制作而成敏感探頭。將探頭應(yīng)用于工程化的傳感器上，在壓力場下測試得到頻響、非線性測試結(jié)果。測試結(jié)果表明:傳感器具有很高的帶內(nèi)不平度，很高的線性指標(biāo),完全可以替代國外同類產(chǎn)品，解除類似產(chǎn)品的禁運干擾。

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