纖毛式矢量水聽器新型封裝結構的研究*

許 姣，張國軍* ，石歸雄，王曉瑤，劉細寶，張文棟，

(1．中北大學儀器科學與動態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)

聲波信息包括有聲壓、振速、加速度、位移等，既有標量場又有矢量場信息。為了能夠在低頻、小尺度陣形下獲得一定的空間增益，且能給出水下目標精確的方位信息，矢量水聽器是一種最佳的選擇[1－4]。因此矢量水聽器的研究工作受到國內外研究者的極大重視。矢量水聽器是聲納探測的重要組成部分，其性能好壞與敏感轉換微結構、微弱信號提取電路、以及為適應水下工作對敏感轉換微結構采用的封裝結構有關[5－7]。

“纖毛式MEMS矢量水聽器”的封裝采用了透聲橡膠帽與蓖麻油結合來實現聲音信號的傳遞[8]。這種封裝方式基本解決了聲信號從水中傳遞到纖毛的難題，但也存在聲波能量損失較大的缺點。本文提出一種新型封裝結構，即采用與透聲帽相同材料的聚氨酯代替蓖麻油進行灌封，且聚氨酯僅淹沒到纖毛的一半，在聲源向纖毛的聲波傳遞過程中僅經過了水和透聲橡膠帽兩層介質，減少了一次聲波反射，提高了聲波能量的傳遞效率。期望采用此新型封裝結構提高矢量水聽器的靈敏度。

本文首先建立水聽器封裝結構的聲學理論模型，在此基礎上采用ANSYS進行仿真。最后，制作出此封裝結構的水聽器樣機，進行靈敏度及指向性測試。

1 新型封裝結構的設計

根據水聲學以及半導體材料的壓阻效應，設計出基于MEMS的矢量水聽器微結構[9－10]，該結構包括兩部分:高精度四梁－中心連接體微結構和纖毛柱體。其中，纖毛柱體固定于四梁－中心連接體的中央，壓阻敏感單元分別設置于四梁的邊緣處。矢量水聽器結構如圖1所示。

圖1 纖毛+四梁微結構芯片

仿生微結構加工好以后，必須對其進行封裝，以防止浸入水中時敏感電阻與水接觸造成短路。“纖毛式MEMS矢量水聽器”的封裝采用了透聲橡膠帽與蓖麻油結合來實現聲音信號的傳遞。

這種封裝方式基本解決了聲信號從水中傳遞到纖毛的難題，但也存在聲波能量損失較大的缺點。因為聲音信號從水中到傳遞給纖毛要經過水－橡膠帽－蓖麻油三層介質兩次反射。雖然在原則上盡量保證橡膠帽和蓖麻油與水的特性阻抗匹配，但終究是聲音經過的介質層數越多，信號的能量衰減越大，從而影響水聽器接收信號的效率，進而影響到矢量水聽器的靈敏度。

本文提出了一種新型封裝方法，即采用與透聲帽相同材料的聚氨酯代替蓖麻油進行灌封，由原先的三層介質變為兩層介質，減少一次反射。同時在灌封過程中，讓聚氨酯淹沒到纖毛的一半，而不能淹沒四梁微結構，以減小四梁微結構在形變過程中所受到的阻尼。其封裝示意圖如圖2所示。

圖2 “透聲橡膠帽－聚氨酯”封裝方式

2 理論模型

根據“透聲橡膠帽－蓖麻油”封裝方式，可以將水，聚氨酯、油看作三層介質，即聚氨酯帽的透聲問題轉化為聲波在三層介質透射問題。理論模型如下。

圖3 透聲橡膠帽三層介質理論模型

根據波動方程式和尤拉方程可以寫出各層介質中的聲壓p和振速u的表達式:

在介質Ⅰ中(在以下各式中略去時間因子ejωt)

在介質Ⅱ中

在介質Ⅲ中

以上各量均以角頻率ω作簡諧振動。

如圖3所示，在x=0界面處的邊界條件

在x=L界面處的邊界條件

依據上述模型，可得該聲波從水介質到油介質的透聲系數[11]

其中，Z1，Z2，Z3分別為海水，聚氨酯，油的特性阻抗，k2為聲波在聚氨酯透聲帽中傳播的波數，L為聚氨酯透聲帽的厚度。

一般對于100 kHz以下的水聽器，常采用低衰減、低滲水聚氨酯橡膠作為透聲材料。聚氨酯是由聚醚，異氰酸酯，擴鏈劑三種成份組成。當聚醚與異氰酸酯，擴鏈劑按體積比1∶0．9∶0．1 配比時，聚氨酯的特性阻抗為 1．58 ×106N·s/m3接近于水[12]，即Z1≈Z2。當采用新型“透聲橡膠帽－聚氨酯”封裝方式，即Ⅱ與Ⅲ的介質相同，都為聚氨酯材料，則特性阻抗Z2=Z3，則式(14)即為。

3 有限元模擬

采用ANSYS對上述封裝結構進行仿真。設定有限元的單元類型為SOLID45，此模型建立所需要的材料屬性如表1所示，建立的模型如圖4所示。

表1 材料屬性

圖4 矢量水聽器敏感單元封裝結構模型

3．1 靜力分析

在固定芯片的支座上加約束，同時沿聚氨酯帽子X軸正方向加1 Pa載荷，通過定義路徑，得到微結構X正半軸梁上的應力曲線，如圖5所示。

圖5 X正半軸梁上應力曲線

從圖5可以看出，梁上的應力分布基本是線性的，且兩端的根部應力最大，不過在梁的根部有跳動，所以電阻應該避開這個區域進行排布。為此梁上的壓敏電阻布置在距根部兩端80 μm的中心位置處。

3．2 諧響應分析

諧響應分析是用于確定線性結構在承受隨時間按正弦規律變化的載荷時的穩定響應的一種技術。

圖6為諧響應分析結果，橫坐標為頻率，縱坐標為X軸方向上的位移。由圖6可看出諧振頻率在150 Hz。

圖6 諧響應分析結果

4 傳感器的靈敏度與測試

4．1 傳感器靈敏度理論計算

本傳感器采用恒壓源供電電橋的輸出電壓為[13]:

其中，U0為供電電壓，ΔRT表示溫度變化ΔT=T－T0時，電阻的變化。通過傳感器外接補償電路可以對溫度進行補償，因此，溫度的影響可以忽略，即ΔRT≈0。式(15)表明，電橋的輸出電壓與被測量成正比，而且與電橋輸入電壓的大小有關。

又知，電阻的相對變化ΔR/R與應力的關系如下式所示:

對于 P 型壓敏電阻[14－15]:

因此，式(17)可以表示為:

由圖5知，在1 Pa作用下，水聽器X梁軸向最大應力σl=72 195．3 Pa;傳感器供電電壓 U0=5 V，代入式(19)，可得傳感器輸出靈敏度為0．259 mV/Pa(－191．7 dB)。

4．2 測試結果

采用矢量水聽器校準裝置對此封裝結構的矢量水聽器進行了測試。校準裝置采用比較法校準的原理，即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聲壓靈敏度。水聽器敏感單元封裝實物圖如圖7所示。

圖7 水聽器封裝實物圖

圖8是被測矢量水聽器的接收靈敏度曲線。由圖8可知，該水聽器一階共振頻率在150 Hz左右，與諧響應分析一致，其靈敏度最大達到－187．1dB;在150 Hz～2 kHz，其靈敏度曲線較平坦，靈敏度為－188．9 dB ±1．1 dB。

圖8 頻響曲線

經測試，該水聽器樣機在工作頻段具有良好的“8”字型指向性。圖9為矢量水聽器在315 Hz時單軸方向(X方向)的指向性能圖。其凹點深度為40．5 dB，最大值不均勻性為0．7 dB。

圖9 傳感器X軸方向的指向性圖(315 Hz)

由測試結果可知:該封裝結構的矢量水聽器聲壓靈敏度達到－188．9 dB，比蓖麻油封裝結構的靈敏度(－197．7 dB)提高了 8．8 dB(0 dB=1 V/μPa);工作頻段為50 Hz～2 kHz，且具有“8”字型指向性的特征。

5 結論

本文提出的新型封裝結構能提高聲波能量的傳遞效率。對此新型封裝結構進行ANSYS仿真，得出傳感器的靈敏度為 0．259 mV/Pa(－191．1 dB)，共振頻率為150 Hz。經測試:該封裝結構的矢量水聽器的聲壓靈敏度達到－188．9 dB，與仿真的結果基本相同，比蓖麻油封裝結構的靈敏度(－197．7 dB)提高了8．8 dB;工作頻段為50 Hz～2 kHz，具有典型的“8”字型指向性的特征。該新型封裝結構的提出為高性能矢量水聽器的研究開拓了新的方向，將其應用于水聲探測領域還需要進一步的研究。

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