仿生水聽(tīng)器設(shè)計(jì)、制造與測(cè)試

石歸雄，張國(guó)軍，劉細(xì)寶，王曉瑤，許 姣

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)

仿生水聽(tīng)器設(shè)計(jì)、制造與測(cè)試

石歸雄，張國(guó)軍，劉細(xì)寶，王曉瑤，許 姣

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)

根據(jù)仿生魚(yú)類側(cè)線細(xì)胞纖毛原理，設(shè)計(jì)、制造并測(cè)試了一種新型雙纖毛壓阻水聽(tīng)器，用于檢測(cè)水下聲信號(hào)。與傳統(tǒng)的壓電水聽(tīng)器相比，這種水聽(tīng)器具有體積小和矢量性的優(yōu)點(diǎn)。利用聚氨酯仿生細(xì)胞壁作為透聲帽，利用硅油模擬細(xì)胞液和壓阻微梁模擬感覺(jué)纖毛三層拾振結(jié)構(gòu)，從而提高纖毛式水聽(tīng)器的可靠性。封裝以后的纖毛式水聽(tīng)器采用振動(dòng)臺(tái)和矢量水聽(tīng)器校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得諧振頻率為2.03 kHz,靈敏度可達(dá)-180 dB，具有余弦“8”字指向性。

MEMS；矢量水聽(tīng)器；纖毛；測(cè)試

MEMS技術(shù)集成了微電子技術(shù)和精密機(jī)械加工技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)。在一個(gè)襯底上同時(shí)集成傳感器,信號(hào)處理電路,執(zhí)行器,構(gòu)成微小的系統(tǒng)。相對(duì)于宏觀的機(jī)電傳感器，MEMS技術(shù)具備3個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，即高靈敏度、低噪聲和微體積。同時(shí)MEMS器件基于集成電路制造工藝采用批量生產(chǎn)，有效地降低了傳感器的制作成本。MEMS技術(shù)的發(fā)展把信息系統(tǒng)的微型化，多功能化，智能化和可靠性水平提高到新的高度。MEMS作為近20 a發(fā)展起來(lái)全新的領(lǐng)域，在各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展前景，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家都將MEMS做為未來(lái)科技發(fā)展的重點(diǎn)方向[1]。

采用壓阻原理利用MEMS技術(shù)制作矢量水聽(tīng)器可以使傳感器尺寸微型化，探測(cè)靈敏度達(dá)到－185 dB,同時(shí)利用壓阻效應(yīng)可以測(cè)量低頻信號(hào)到零頻的帶寬范圍，這為海洋聲學(xué)和聲納系統(tǒng)的發(fā)展提供了一種新原理、新方法。由于MEMS加工工藝技術(shù)與半導(dǎo)體平面工藝兼容,因此可以在硅片上同時(shí)制作敏感檢測(cè)部分與信號(hào)處理電路部分,實(shí)現(xiàn)單片集成，甚至系統(tǒng)集成。同時(shí)，由于制作過(guò)程中工藝都是通用工藝，因此加工制作方便，尤其適合批量制作，這不但可以大幅度降低水聽(tīng)器的制造成本，而且可以使得水聽(tīng)器的一致性更好，正好滿足陣列集成時(shí)要求單個(gè)水聽(tīng)器一致性好的要求[2]。

1 設(shè)計(jì)

根據(jù)魚(yú)類側(cè)線細(xì)胞探測(cè)水中聲波振動(dòng)原理,本文提出一種新型微纖毛式水聽(tīng)器，利用聚氨酯模擬魚(yú)類側(cè)線細(xì)胞的細(xì)胞壁作為透聲和保護(hù)的作用、硅油模擬細(xì)胞液作為傳聲介質(zhì)，微梁模擬可動(dòng)纖毛來(lái)拾取聲波振動(dòng)信號(hào)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。纖毛式水聲傳感器的檢測(cè)部分就是制作在微梁上壓阻,在聲波作用下通過(guò)微梁的變形，導(dǎo)致壓敏電阻阻值發(fā)生變化，這樣就可以通過(guò)電橋電路將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，達(dá)到檢測(cè)水聲信號(hào)的功能。

圖1 魚(yú)類側(cè)線細(xì)胞與纖毛式水聽(tīng)器

聲學(xué)理論研究表明[1],聲學(xué)剛性柱體在水中聲波作用下運(yùn)動(dòng)時(shí),其振速幅值V與聲場(chǎng)中剛性柱體處介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度幅值V0之間的關(guān)系為：

式中：ρ0是介質(zhì)密度；ρˉ是剛硬纖毛的平均密度。

在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，我們用兩根末端連接在一起的平行仿生纖毛式懸臂梁代替單根纖毛，如圖2所示，與單纖毛結(jié)構(gòu)相比,采用這種結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）靈敏度提高1倍；（2）抗過(guò)載沖擊性能好；（3）橫向靈敏度小，正對(duì)聲源時(shí)輸出最大，具有指向性；（4）使纖毛柱體的密度與傳聲介質(zhì)的密度一致，達(dá)到最佳的拾振效果。

圖2 敏感結(jié)構(gòu)和電阻變化示意圖

根據(jù)圖2所示,壓阻微梁的根部連接在外圍固定框架上,在每根微梁的根部通過(guò)擴(kuò)散工藝形成聲波檢測(cè)用的壓敏電阻,在框架上制作了同樣形狀、同樣大小的參考電阻,聲波檢測(cè)單元是由微梁上壓阻和參考電阻組成，檢測(cè)電阻一起構(gòu)成惠斯通電橋。當(dāng)有聲波作用在硅片平面內(nèi)時(shí)，由圖我們可以得出傳感器的輸出為：

精確控制壓敏電阻制作的離子注入，在平面聲波作用下，兩根梁變化是一致的，可以得到：R1=R2=R3=R4=R，ΔR2=ΔR3=ΔR。這樣化簡(jiǎn)（2）式得到輸出為：

因?yàn)棣＜＜R,進(jìn)一步化簡(jiǎn)上式得到：

微梁受到聲波振動(dòng)作用時(shí),長(zhǎng)的纖毛式懸臂梁將會(huì)產(chǎn)生彎曲。由于纖毛式懸臂梁的寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其厚度,微梁末端的變形位移可以認(rèn)為繞微梁根部擺動(dòng)。優(yōu)化微梁之間的距離,可以使橫向變形位移互相抵消，從而使得微梁僅受軸向的拉伸或壓縮變形.這樣,利用兩個(gè)梁根部壓阻變化,通過(guò)電橋的輸出電壓就能檢測(cè)出外部聲波。纖毛式微梁的尺寸很小，僅為 3 500 μm×100 μm×20 μm，由于纖毛的長(zhǎng)度很大，所以很小的位移就可以在微梁根部產(chǎn)生很大的應(yīng)力，因此這種結(jié)構(gòu)的微纖毛式水聽(tīng)器具有很高的靈敏度。

根據(jù)材料力學(xué)和彈性力學(xué)可知，當(dāng)有水平聲波作用于微結(jié)構(gòu)的纖毛體時(shí)，其等效作用聲壓Pt將會(huì)在微梁產(chǎn)生力矩M。可得梁上表面正應(yīng)力和微梁的諧振頻率分別為：

式中：M=Pt(l-x)2/2為梁上任意x處的彎矩；I=Wt3/12為截面相對(duì)于中性軸的慣性矩；v為縱向聲速；W為梁寬；t為微梁厚；l為梁長(zhǎng)。由（5）和（6）可以得出通過(guò)增加梁長(zhǎng)和減薄梁厚都能提高梁根部的最大應(yīng)力，從而提高水聽(tīng)器的靈敏度；但是這也會(huì)降低傳感器的一階固有頻率，使用的頻帶減小，所以必須綜合考慮兩者之間的關(guān)系，使結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)化。

圖4所示為利用ANSYS微梁在敏感方向上承受1 Pa載荷時(shí)的微梁中心軸各點(diǎn)的縱向和橫向應(yīng)力分布圖，圖3和圖4表明理論和仿真是一致的。從圖4中可以看出,微梁內(nèi)的應(yīng)力主要集中在軸向上,橫向方向的應(yīng)力都幾乎為零。由于惠斯通電橋?yàn)榘霕蚪Y(jié)構(gòu),在壓敏電阻的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要盡可能地利用縱向效應(yīng)并抑制橫向效應(yīng)，因而要求縱向應(yīng)力盡量大，橫向應(yīng)力盡量小。水聽(tīng)器靈敏度可以近似地表示為：

式中：πl(wèi)為p型硅的縱向壓阻系數(shù),πt為p型硅的橫向壓阻系數(shù)；σl為微梁內(nèi)的軸向應(yīng)力；σt為微梁內(nèi)的橫向應(yīng)力；Vin為電橋的輸入電壓,根據(jù)實(shí)際使用條件,我們?nèi)?V；根據(jù)式（4）可以計(jì)算出傳感器的靈敏度為161 μV/Pa。

圖3 微梁中心軸縱向應(yīng)力分布理論值

圖4 微梁內(nèi)縱向和橫向上的應(yīng)力分布仿真圖

2 工藝

本文所提出的微纖毛式水聽(tīng)器采用SOI有源層20 μm，埋氧層 2 μm，襯底層 400 μm,電阻率 3～4 Ω·cm。 工藝流程如圖5所示,沿圖2中微梁的中心軸剖面:(1)氧化,形成SiO2做掩模;（2）RIE刻蝕，刻蝕電阻條窗口；（3）硼離子注入,能量為100 keV,并退火形成壓阻區(qū)域;（4）再氧化,形成SiO2做掩模；（5）RIE刻蝕，刻蝕歐姆接觸孔；（6）正面擴(kuò)濃硼，形成歐姆接觸；（7） 再氧化,形成 SiO2；（8） 淀積氮化硅，PECVD雙面淀積氮化硅1 100 A°；（9）刻蝕引線孔，正面RIE刻蝕電極接觸孔；（10）濺射金并光刻、腐蝕、合金化形成金布線;（11）背面ICP刻蝕,這一步工藝非常關(guān)鍵,微梁厚度就是在這一步形成的,因此刻蝕深度必須精確控制；（12）正面RIE刻蝕，刻穿釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu)；（13）劃片，劃完片后的芯片大小為 5 500 um×5 000 um×400 um；（14）引線封裝。圖 6所示為制作好的芯片的SEM照片。（15）微矢量水聽(tīng)器仿生組裝[1]，制作的矢量水聽(tīng)器如圖7。

圖5 制作工藝圖圖

圖6 微結(jié)構(gòu)的電鏡照片

圖7 制作成的水聽(tīng)器實(shí)物圖

3 測(cè)試

水聽(tīng)器的測(cè)試是一個(gè)相對(duì)較復(fù)雜的過(guò)程，國(guó)內(nèi)外一般采用矢量水聽(tīng)器標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行水聽(tīng)器的校準(zhǔn)，這種方法可以測(cè)試矢量水聽(tīng)器的靈敏度和頻響，本文先采用傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)TV5220及其配套儀器對(duì)水聽(tīng)器的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了標(biāo)定測(cè)試。試驗(yàn)中將丹麥B＆K公司生產(chǎn)的加速度計(jì)8053作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器（靈敏度為60 mV/g）。測(cè)試系統(tǒng)如圖8所示。將水聽(tīng)器固定在振動(dòng)臺(tái)面上，其最大輸出方向與振動(dòng)臺(tái)垂直。由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率一定幅值的信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大后送入振動(dòng)臺(tái)，振動(dòng)臺(tái)上安裝有標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)和待測(cè)微結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)產(chǎn)生反饋信號(hào)控制振動(dòng)臺(tái)以恒定加速度進(jìn)行振動(dòng)。測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)和待測(cè)微水聽(tīng)器的輸出幅值，由于標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的靈敏度已知，因此可以得到待測(cè)件的靈敏度。固定信號(hào)的幅值進(jìn)行掃頻測(cè)量，可以得到微纖毛式水聽(tīng)器頻率響應(yīng)曲線。測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖8 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

圖9 傳感器頻率響應(yīng)曲線

在水聽(tīng)器標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行水聽(tīng)器的靈敏度的校準(zhǔn)，測(cè)試是從200 Hz開(kāi)始的，由于駐波桶的最高測(cè)試頻率不超過(guò)2 000 Hz。測(cè)試結(jié)果表明，該矢量水聽(tīng)器具有指向性特點(diǎn)，如圖10所示，但是也存在凹點(diǎn)不夠深的缺點(diǎn)，這與傳感器的橫向靈敏度沒(méi)有完全抑制有關(guān)。對(duì)于同振式矢量水聽(tīng)器，其聲壓靈敏度頻響曲線的斜率是每倍頻程6 dB，即頻率每升高1倍頻程，靈敏度值提高1倍，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖10 水聽(tīng)器指向圖

圖11 聲壓靈敏度曲線

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)、制作并測(cè)試了一種雙纖毛壓阻式高性能水聽(tīng)器,該水聽(tīng)器具有高靈敏度與定向接收抑制干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn),可以滿足現(xiàn)代船只壁障以及江河湖海水下聲信號(hào)測(cè)量測(cè)試的要求。特別是該結(jié)構(gòu)靈巧簡(jiǎn)單易于批量化制作,具有廣闊的發(fā)展前景。

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Abstract：A silicon machined double-cilia micro-hydrophone is developed for underwater acoustic measurement.These hydrophones have the advantages of miniaturization and directional compared to the conventional piezoelectric acoustic hydrophones.The package of hydrophone imitates the lateral line cell of fish to improve the reliability of the hydrophone,using polyurethane as the cupula for packaging cap and silicone oil as the mucus and the beam as the cilium.The packaged hydrophone is tested by sensor auto calibration vibration system and vector hydrophone calibration system.The sensitivity is measured to be-180 dB and the corresponding resonant frequencies are 2.03 kHz,the hydrophone has a cosine"eight"directivity patterns.

Key words：MEMS;vector hydrophone;cilium;test

Design and Fabrication of a Bionic Hydrophone and Its Test

SHI Gui-xiong,ZHANG Guo-jun,LIU Xi-bao,WANG Xiao-yao,XU Jiao
（Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement,Ministry of Education&North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China）

TN721.1

A

1003-2029（2011）01-0044-04

2010-12-16

國(guó)際科技合作重大項(xiàng)目（2010DFB10480）；國(guó)家自然科學(xué)基金（50535030）

石歸雄(1986-)，男，碩士研究生，主要從事微納器件研究。