單片集成四元陣列式MEMS 矢量水聽器的研究*

簡澤明，陳 尚，張國軍，劉夢然，許 嬌，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，山西 太原030051;2.中北大學 電子測試技術重點實驗室，山西 太原030051;3.中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京100076)

0 引 言

目前，很多國家都意識到在未來戰爭中是否能取得制海權的控制至關重要。在海戰中，聲吶是海上作戰個體(各種艦、艇)的五官，所有的水下戰場偵察都要以聲吶為媒體，缺之不可［1～7］。水聲換能器作為聲吶系統的重要組成部分，其可靠性十分重要。

為了提高水聽器的可靠性，本文采用由多個水聽器敏感微結構構成的陣列，并采用MEMS 技術實現單芯片傳感陣列一次集成。采用該技術成本低且加工制作方便，尤其適合批量化生產。單片集成陣列化不但可以大幅度降低水聽器的制造成本，而且可以使得水聽器的一致性更好，滿足小型化設計要求。

1 結構設計

圖1 敏感單元微結構陣列Fig 1 Microstructure array of sensitive unit

在單個結構水聽器［8～10］的基礎之上，本文設計了2×2單片集成四元陣列式MEMS 矢量水聽器，以保證其中一個水聽器敏感微結構失效損壞或工作不正常時，水聽器仍能正常工作。水聽器敏感微結構如圖1 所示。其中，敏感微結構的幾何尺寸為12 μm×120 μm×1 200 μm(梁厚×梁寬×梁長)。4個單元懸臂梁上X，Y 兩路的惠斯通電橋均設計為并聯形式。其中，16 只電阻器連接成一個X 軸的惠斯通電橋，另16 只電阻器連接成一個Y 軸的惠斯通電橋。梁上的電阻器布局示意圖如圖2 所示。圖3 為四單元X 懸臂梁上電阻器連接成的惠斯通電橋，VoutAx為X 方向輸出電壓。當有沿X 正方向的聲波信號時，X 懸臂梁上的16 只電阻器的阻值由于懸臂梁的變形就會產生不同的變化。這樣X 懸臂梁上電阻的變化就被檢測出來。陣列敏感微結構X，Y 軸對稱，當Y 方向聲信號作用時，同理可以檢測Y 方向信號。

圖2 陣列敏感微結構電阻器布置與連線示意圖Fig 2 Diagram of resistance distribution and connection on array sensitive microstructure

圖3 X 懸臂梁上惠斯通電橋連接示意圖Fig 3 Wheatstone bridge connection diagram on X cantilever beam

從理論上分析，通過設計此惠斯通電橋的連接方式，可以保證當陣列敏感微結構其中某一單元失效或損壞時，陣列敏感微結構仍有輸出，且輸出值不變，即不影響敏感微結構的整體性能，從而提高了MEMS 矢量水聽器的可靠性。

2 敏感微結構仿真分析

采用ANSYS 對陣列結構進行仿真分析，仿真主要包括靜力分析、模態分析、諧響應分析［11］。

2.1 靜力分析

在陣列敏感微結構模型的邊框與背面施加全約束，沿仿生柱體Y 方向施加1 Pa 載荷，觀察其位移和應力輸出。位移云圖如4 所示，可以看出仿生柱體位移最大，位移為0.071 3 μm，在梁的根部和邊框位移較小，基本接近于零。以Y 懸臂梁上表面中心為路徑，通過路徑分析，獲得Y 懸臂梁上表面x，y，z 方向上各點的應力曲線，如圖5 所示。由應力曲線圖可知，Y 懸臂梁上y 方向最大應力為44 600 Pa，遠小于硅的屈服強度7 000 MPa［12］。

圖4 位移云圖Fig 4 Displacement diagram

圖5 Y 懸臂梁上x，y，z 方向應力曲線Fig 5 Stress curve on Y cantilever beam in x，y，z direction

同時，從圖5 可知梁上的應力基本上是線性分布且梁兩端上的應力最大，但是在梁的根部有跳動。因此，在布置電阻器時應該避開區域，梁上的力敏電阻器應布置在距根部兩端80 μm 的中心位置處［13～15］。

2.2 模態分析

進行模態分析可以使結構設計避免共振或以特定頻率進行振動，關系到器件可以使用的頻率范圍。模態分析的結果如表1 所示。陣列敏感微結構第一階模態的振型如圖6所示。

圖6 1 階模態Fig 6 First order modal

單片集成陣列敏感微結構的仿生柱體長度一致，所以，從理論上說，陣列敏感微結構四個單元仿生柱體的共振頻率應該相同、振型一致。然而，仿真存在的誤差性導致各單元的共振頻率相差1 Hz 左右。從表2 可以看出:前8 階頻率為四單元陣列敏感微結構工作模態的頻率，工作模態以外的其他模態均為干擾運動。前8 階頻率和9～10 階的工作頻率差距很大，因此，可以有效地降低交叉耦合。

表1 模態分析結果Tab 1 Modal analysis results

2.3 諧響應分析

在陣列敏感微結構設計時，可通過諧響應分析預知敏感微結構的固有頻率，克服因共振和其他的受迫振動給陣列敏感微結構帶來的有害結果。圖7 和圖8 為陣列式MEMS 矢量水聽器敏感微結構的諧響應分析結果，由圖8和圖9 中仿真結果可以看出:仿生柱體的諧振頻率在1 200 Hz，對應的最大縱向應力為900×104Pa，最大位移為0.95 μm。

圖7 應力隨頻率變化曲線Fig 7 Curve of stress change with frequency

圖8 位移隨頻率變化曲線Fig 8 Curve of displacement change with frequency

3 敏感微結構加工工藝設計

3.1 版圖的設計

本文中陣列硅微敏感單元的版圖一共分為9 層，分別為壓阻版P－、歐姆接觸版P+、合金硅化物版、背腔腐蝕版、刻蝕介質膜版、引線孔版、金屬線互聯版、仿生柱體定位孔版、正面刻穿版。每層版上都定義了對準標記，以便于各層版的對準。陣列硅微敏感單元版圖的整體結構如圖9 所示。

3.2 工藝流程的設計

圖9 陣列硅微敏感單元版圖的整體結構Fig 9 Overall structure of layout array Si micro sensitive unit

陣列硅微敏感單元是在電子科技集團公司第五十五研究所微米納米研發部完成加工，結合該研發部的加工條件，對工藝流程進行了初步的設計，主要采用SOI 材料微加工技術完成懸空結構的加工。主要工藝流程如圖10。

圖10 工藝流程圖Fig 10 Process flow chart

4 測 試

為驗證陣列式MEMS 矢量水聽器的可行性，對聲學封裝后的陣列式MEMS 矢量水聽器進行水聲校準測試。圖11所示為陣列式MEMS 矢量水聽器的實物圖。

圖11 陣列式MEMS 矢量水聽器的實物圖Fig 11 Physical map of array MEMS vector hydrophone

4.1 靈敏度校準測試

陣列式MEMS 矢量水聽器靈敏度的校準測試采用比較校準法，校準裝置圖如圖12 所示。在測試過程中，將待測水聽器和標準水聽器處于水下同一深度。

待校準的水聽器靈敏度Mx為［16］

其中，M0為標準水聽器的自由場電壓靈敏度;ex，e0分別為待校準水聽器和標準水聽的開路輸出電壓;d 為待校準水聽器(或標準水聽器)的放置深度。

圖12 校準裝置示意圖Fig 12 Diagram of calibration device

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的聲波傳播方向平行。在四種情況下的X 方向頻響曲線如圖13 所示。從圖13 中可以看出:該陣列式MEMS 矢量水聽器在頻帶范圍20～1 000 Hz 內，靈敏度達到－179 dB(0 dB=1V/μPa);頻響曲線良好，波動不超過±3 dB;并且當損壞其中某一個或兩個或三個芯片單元后，微結構的頻響曲線與損壞之前的頻響曲線基本一致。

圖13 陣列式MEMS 矢量水聽器X 路的頻響曲線Fig 13 X-direction frequency response curve of array MEMS vector hydrophone

4.2 指向性測試

在駐波桶環境中對水聽器進行指向性測試。將陣列式MEMS 矢量水聽器安裝在機械回轉桿上，當發射聲場的頻率為某一恒定值保持不變時，通過回旋裝置轉動陣列式MEMS 矢量水聽器，記錄矢量水聽器在各個方向上的輸出電壓值。

歸一化所記錄的數據

其中，eθ，emax分別為矢量水聽器在任意方向、最大方向時接收到的輸出電壓值。將歸一化的數據繪制成極坐標圖，即為矢量水聽器在某一頻率下的指向性圖。

圖14 為陣列式MEMS 矢量水聽器X 方向在500 Hz 和上述在四種情況下時的指向性圖。測試結果表明:該水聽器指向性曲線較平滑，凹點深度值－25 dB，并且當損壞其中某一個或兩個或三個芯片單元后，微結構的指向性與損壞之前的指向性基本一致。

圖14 X 方向指向性圖(頻率500 Hz)Fig 14 Directionality in X direction

5 結 論

本文對單片集成陣列式MEMS 矢量水聽器進行了研究。該陣列式MEMS 矢量水聽器敏感微結構四個單元的惠斯通電橋采用并聯連接，測試結果表明:當陣列敏感微結構其中某一個或兩個或三個單元工作失效時，微結構的頻響曲線和指向性與損壞之前的頻響曲線和指向性基本一致，即不影響敏感微結構的整體性能。因此，此陣列敏感微結構可使MEMS 矢量水聽器的可靠性得到提高，并且陣列式矢量水聽器的靈敏度達到－179 dB(0 dB=1V/μPa)。該水聽器的指向性曲線較平滑，具有良好的“8”字余弦指向性。因此，該陣列式矢量水聽器對于提高水聽器可靠性的研究有非常重要的意義，為MEMS 矢量水聽器的工程化應用奠定了基礎。

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