張 松，董自強，胡天宇，苗 峻，李 旭，朱 林，唐立赫，張曉桐，王大宇

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

同振型水聽器是一種應用廣泛的矢量水聽器，能夠同時拾取聲場的標量信息和質(zhì)點振速信息，提高對水下目標的定位能力。傳統(tǒng)同振型水聽器一般采用正交安裝加速度計的方法來實現(xiàn)，一致性較差。將MEMS技術與傳統(tǒng)水聽器技術結合，研制出的MEMS矢量水聽器具有體積小、成本低和一致性好等特點，已成為近年來水聲領域的新熱點之一[1-4]。

隨著水下目標輻射噪聲的不斷降低，對MEMS矢量水聽器感知水下微弱聲信號的能力提出新挑戰(zhàn)[3-4]。目標信號中往往摻雜耦合進入的干擾，初始信噪比較低。將調(diào)理電路內(nèi)嵌到水聽器內(nèi)部，可有效降低電路噪聲，提高信噪比。但由于MEMS水聽器內(nèi)部空間較小，限制了傳統(tǒng)電路的內(nèi)嵌使用。

針對以上問題，本文以MEMS矢量水聽器芯片為基礎，結合壓電陶瓷環(huán)，基于高溫共燒陶瓷(HTCC)技術實現(xiàn)水聽器調(diào)理電路的集成與內(nèi)嵌，提高了水聽器的定位能力和信噪比，并通過駐波管測試初步驗證了該矢量水聽器的優(yōu)越性能，為進一步工程應用打下了基礎。

1 MEMS復合同振型水聽器

MEMS復合同振型矢量水聽器由MEMS二維四梁水聽器芯片和壓電陶瓷環(huán)組合而成，包含X、Y和P三路信號輸出，對聲場質(zhì)點的矢量信息和標量信息進行同步檢測，實現(xiàn)水聲目標信號的探測和定位。其中，X，Y兩路為矢量振速輸出通道，P路為標量聲壓輸出通道。該水聽器結構如圖1所示。

圖1 MEMS矢量水聽器結構

1.1 MEMS振速芯片設計

MEMS同振式矢量水聽器的振速通道以SOI硅片為基礎，采用標準MEMS微加工工藝制作而成，結構模型如圖2所示，主要包括十字梁、固定在十字梁中心的剛性柱體和壓敏電阻構成的惠斯通電橋。

圖2 MEMS矢量水聽器振速芯片示意

壓敏電阻位于十字梁根部，通過擴散工藝加工而成，8個壓敏電阻阻值相同，其中R1～R4連接成一個惠斯通電橋，R5～R8連接成另一個惠斯通電橋[5-8]。由分析可知，十字梁根部附近的應力變化與其端部的應力變化趨勢相反，即其中一個是拉應力時，另一個必為壓應力。根據(jù)惠斯通電橋的原理可知，此時X方向和Y方向的電阻可以分別連成2個全橋結構。當有聲信號傳遞給水聽器時，水聽器會隨著聲場質(zhì)點振動產(chǎn)生運動，驅(qū)動十字梁上柱體發(fā)生擺動，敏感柱體的擺動在十字梁結構上產(chǎn)生應力變化，梁上的壓敏電阻阻值發(fā)生相應變化，通過信號提取電路的電壓輸出反應壓敏電阻的阻值變化，實現(xiàn)聲信號的矢量探測。

惠斯通電橋電壓輸出表示為：

當注入電阻阻值一致時，即R1=R2=R3=R4=R，ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR，ΔR<

MEMS傳感器微結構的應力分布與敏感柱的高度及敏感梁的長度、寬度和厚度密切相關，而與輸入信號的特性無關。為了研究微結構的諧振頻率特性，分析矢量水聽器的頻響范圍，確定其敏感寬帶，需要對其進行動態(tài)分析。

振速芯片諧振頻率表示為：

(1)

式中，Hv為敏感柱高度；m1為敏感柱和敏感梁結構的總質(zhì)量；E為楊氏模量；K為敏感柱和敏感梁結構的等效剛度；w1為梁寬；t為梁厚；l為敏感梁梁長。由式(1)可以看出，傳感器仿生微結構的諧振頻率與剛性柱體的高度成反比，與1/4敏感梁的長度成反比，與敏感梁的寬度和厚度均成正比。

振速芯片的靈敏度依賴于梁上應力的變化，即應力變化越大，靈敏度越高，但通過計算可得梁上應力與諧振頻率在結構參數(shù)上存在矛盾，而實際希望的設計效果是既有一個高的靈敏度，又有一個寬的工作頻帶，因此，在結構設計時需要綜合考慮各種因素來獲得一個最優(yōu)的結構參數(shù)。

其中，芯片結構關鍵參數(shù)為：敏感梁的寬度和厚度；敏感柱的直徑和長度。這4個參數(shù)是影響芯片特性的關鍵因素，影響芯片的靈敏度和諧振頻率。綜合仿真和測試結果，選取梁和柱體的參數(shù)如表1所示。

表1 十字梁和敏感柱體結構優(yōu)化參數(shù) μm

為了在不改變頻帶寬度的情況下，提高靈敏度，對十字梁進行了優(yōu)化，設計了應力集中結構。通過在十字梁結構根部刻蝕3個鏤空的洞，實現(xiàn)傳感器性能的優(yōu)化。在梁的兩端加上一些掏空的洞之后，傳感器的靈敏度有明顯的提高，同時傳感器結構的特征頻率基本沒有發(fā)生改變，因此能夠在保證傳感器帶寬的前提下，有效提高傳感器的靈敏度。如圖3所示，應力集中模型產(chǎn)生的應力更大，導致電阻值變化也更大。

圖3 優(yōu)化傳感器結構—應力集中結構設計

表2對比了在相同大小和方向的壓力下，應力集中結構和普通結構的輸出電阻值變化量，應力集中結構的輸出電阻變化量更大，相比初始結構的變化量提升了一個數(shù)量級，傳感器的靈敏度也得到提升。

表2 普通結構和應力集中結構壓敏阻值變化對比 Ω

1.2 聲壓通道設計

1.3 封裝設計

MEMS同振型水聽器芯片加工完成后，需對其進行聲學封裝以防止浸入水中時壓敏電阻與水接觸造成短路，同時要求封裝材料對聲音的衰減小，封裝完成后的水聽器整體密度接近于水的密度。MEMS矢量水聽器振速芯片完成流片、切割和選片后，首先將其固定在專門的絕緣管殼中，通過金絲壓焊建立與外部的電連接關系。然后使用植柱設備將敏感柱體植入到十字梁中心，為保證芯片性能穩(wěn)定性和振速通道一致性，敏感柱體必須與十字梁嚴格垂直。植柱完成后，將絕緣管殼焊接在內(nèi)嵌的調(diào)理電路上，振速通道位于水聽器的中央部分，外部利用透聲帽進行隔絕封裝。透聲帽采用高頻低衰減低滲水的有機玻璃材料制成，內(nèi)部填充空氣介質(zhì)。振速通道完成封裝后，將感知標量信號的壓電陶瓷環(huán)固定在振速通道上面，壓電陶瓷環(huán)上下使用閉孔泡沫進行填充固定。最后利用透聲材料聚氨酯橡膠對水聽器進行整體灌封。聚氨酯材料具有良好的機械性能，低透水、耐海水腐蝕，同時具備良好的透聲性，既能防止海水的浸入和侵蝕，還有利于聲音信號的傳遞。

聲學理論研究表明，聲學器件的幾何尺寸如果遠小于聲波波長，且KL<<1時(其中，K為波數(shù)，L為器件的最大幾何尺寸)，則柱體在聲波作用下作自由運動時，其振動速度的幅值v與其周圍聲介質(zhì)質(zhì)點振動幅值v0間的關系為：

式中，ρ0為介質(zhì)密度；ρ1為水聽器的平均密度。

計算可知，當ρ1等于或接近ρ0時，其v與聲場中水聽器幾何中心處介質(zhì)質(zhì)點的v0相同或接近[9-12]。MEMS復合同振型矢量水聽器，底座采用輕質(zhì)尼龍材料，外部透聲材料采用聚氨酯材料借助模具灌注而成，灌封材料的密度為1.04 g/cm3，水聽器的平均密度約為1.4 g/cm3，滿足同振式水聽器的設計要求。

1.4 HTCC調(diào)理電路設計

由于MEMS矢量水聽器感知到的水下目標信號十分微弱，一般只有幾毫伏到幾十毫伏。此外，水聽器檢測到的這些微弱信號中，除了有用信號還摻雜著外部環(huán)境耦合的干擾信號。當水聽器的調(diào)理電路用來測量這些微弱信號時，初始信噪比很低，有時甚至無法區(qū)分干擾信號和有用信號。要解決這個問題，一方面需要提高水聽器的靈敏度，提高有用信號強度；另一方面就需要盡可能的減少干擾信號的產(chǎn)生，阻止干擾信號的耦合和進入。這就要求信號調(diào)理電路具有較低的自噪聲和較高的抗干擾能力，不僅要盡量降低電路的本底噪聲，還要濾除輸入信號中的噪聲以及外界耦合進來的噪聲。將調(diào)理電路內(nèi)嵌到水聽器內(nèi)部，可有效降低電路噪聲，提高信噪比。但是由于MEMS水聽器內(nèi)部空間較小，傳統(tǒng)的內(nèi)嵌電路體積較大，限制了MEMS內(nèi)嵌電路的使用。

多芯片組件(Multi-Chip Module，MCM)是在混合集成電路(HIC)基礎上發(fā)展起來的一種微電子組裝技術。MCM在增加組裝密度、縮短互連長度、減少信號延遲、減小體積和提高可靠性等方面，具有明顯的優(yōu)點[13-16]。本文采用HTCC技術進行電路結構設計制造，該結構具有高強度、耐腐蝕、耐高溫、壽命長及導熱性能良好等特點，不僅可以減小電路尺寸，還可以降低本底噪聲，提升電路抗干擾能力。信號調(diào)理電路最終設計4塊尺寸為20 mm×20 mm×2 mm的HTCC陶瓷基板，將4層陶瓷基板封裝集成后如圖4所示。

圖4 MEMS聲矢量傳感器實物圖

將信號調(diào)理電路制備成集成模塊，然后和傳感器一起整體封裝獲得一種帶低噪聲前放的MEMS水聽器，提高了MEMS水聽器的接收靈敏度，增加了對微弱信號的觀測能力，減少了電纜長度與環(huán)境噪聲對水聽器的影響，具有低頻、小體積、高靈敏度及抗干擾能力強的特點[17-18]。

2 測試結果

采用矢量水聽器的校準裝置對矢量水聽器進行測試，校準裝置采用比較法，校準的原理是將被測矢量水聽器與標準水聽器的輸出進行比較得到被測矢量水聽器的靈敏度。由于本設計的水聽器為同振型，這就要求水聽器要以水介質(zhì)質(zhì)點相同的幅度和相位作振蕩運動，因此要用彈性懸掛的方法對水聽器進行測試。圖5為矢量水聽器的頻響曲線和指向性測試結果圖。

圖5 水聽器振速通道與聲壓通道靈敏度響應曲線

靈敏度校準過程中，將待校準水聽器的最大靈敏度輸出方向與駐波桶內(nèi)的聲波傳播方向平行，由圖5(a)可知該水聽器的振速通道靈敏度頻響曲線在頻帶范圍20 Hz～1 kHz內(nèi)基本滿足每倍頻程6 dB增加，在1 kHz處靈敏度達到-170.5 dB(0 dB=1 V/μPa)，工作頻段為10～1 000 Hz，指向性呈現(xiàn)“8 ”字形，對稱性好，且凹點深度為-40 dB@1 kHz。由圖5(b)可知該水聽器的聲壓通道靈敏度在頻帶范圍20 Hz～1 kHz內(nèi)基本呈現(xiàn)直線，在1 kHz處靈敏度為-174.7 dB(0 dB=1 V/μPa)，指向性呈現(xiàn)圓形。如圖6所示，采用HTCC內(nèi)嵌電路后，噪底明顯降低，信噪比提高了15 dB。

圖6 內(nèi)嵌電路與非內(nèi)嵌電路信噪比示意

3 結束語

MEMS矢量水聽器是水下探測領域中出現(xiàn)的新型設備，將矢量芯片與壓電陶瓷環(huán)相結合，能提高水聽器對目標的定位能力。針對接收信號過程中容易受到環(huán)境噪聲的影響，本研究設計了HTCC內(nèi)嵌調(diào)理電路，實際測試結果表明針對10 Hz～1 kHz的微弱信號，內(nèi)嵌調(diào)理電路能夠有效地降低耦合噪聲，提高信噪比，便于后續(xù)進行信號分析和處理。本文對于MEMS矢量水聽器和調(diào)理電路的研究，對于水下探測領域具有一定的借鑒意義。