纖毛—硅柱結構MEMS二維矢量水聽器設計與制備方法*

苗晉威, 楊沙沙, 齊秉楠, 喬慶宇, 劉國昌, 王任鑫

(中北大學 省部共建動態技術測試國家重點實驗室,山西 太原 030051)

0 引 言

近年來，隨著各國對海洋重視程度不斷提高，海洋探測作為海洋開發探索的必備手段也愈發顯得關鍵。將水聲技術與微機電系統(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術完美融合，日趨成了水聲領域研究重點[1,2]。MEMS矢量水聽器通常被安裝在浮標、魚雷、潛標、無人潛航器(unmanned underwater vehicle,UUV)等水下浮動載體上，但由于水下環境復雜，平臺運動、海浪、洋流的沖擊會使平臺振動從而對水聽器造成干擾。目前水聽器抑制振動噪聲的研究已經持續多年。2012年，哈爾濱工程大學張俊等人研究了懸掛減振裝置對矢量水聽器性能的影響，證明了減振裝置的必要性[3]。2016年，中北大學王續博等人設計并制造了一種差分型矢量水聽器，將兩根纖毛對稱的置于中心質量塊的上下兩端，使得水聽器有著更低的信噪比[4]。2017年，哈爾濱工程大學趙天吉等人提出了基于橡膠減振的單級和雙級減振系統來用作于水下質點振速拾振器，實現了減振系統對振動信號的抑制效果以及對拾振器性能的改善[5]。同年，謝攀等人設計了一種新型中心位置固定安裝懸掛系統的矢量水聽器，可將這種水聽器適用于小尺寸平臺[6]。2021年，中北大學楊溪等人提出了新型差分式MEMS矢量水聽器，將纖毛貫穿芯片中心并使上下纖毛相等，這種差分式結構能夠有效減少振動信號帶來的影響[7]。這些對水聽器的改進都說明了抑制振動信號對水聲探測效果提升非常關鍵。

為了實現進一步提高水聽器抑制振動效果、一體化集成度以及便捷搭載方式，本文基于MEMS技術提出一種纖毛—硅柱結構的MEMS矢量水聽器。與普通矢量水聽器相比，具有體積小、無須懸掛搭載、抑制振動噪聲效果好等優點。同時，本文提出一種可批量制作工藝，將硅柱利用深硅刻蝕工藝加工，能夠減少對準精度誤差并且提高水聽器一致性。對該結構的抑制振動效果進行了有限元仿真，結果表明纖毛—硅柱結構能夠抑制振動噪聲。

1 矢量水聽器工作原理

MEMS矢量水聽器是基于壓阻效應的傳感器，纖毛—硅柱結構二維矢量水聽器是在傳統水聽器的基礎上增加了一個平衡塊，由十字梁、中心質量塊、下方平衡塊、纖毛、壓敏電阻器和電氣連接組成，整體結構如圖1所示。

圖1 整體結構

四梁上有壓敏電阻器和金屬引線組成的兩組惠斯通電橋，如圖2所示。水聽器接收到水聲信號時，纖毛會發生擺動從而帶動十字梁形變，十字梁上的壓敏電阻阻值隨即發生變化，利用惠斯通電橋把電阻值的變化轉換為電壓的變化，最終實現信號的輸出[8]。

圖2 壓敏電阻排布及惠斯通電橋

通常梁上應力變化最大點是壓敏電阻器放置點。壓敏電阻值的變化和梁上應力變化的關系如下

ΔR/R=π1σ1+π2σ2

(1)

式中 ΔR和R分別為壓敏電阻的電阻值和電阻值變化量。σ1和σ2分別為壓敏電阻受到的橫向應力和縱向應力，π1和π2分別為σ1和σ2所對應的壓阻系數。

當水聲信號被水聽器接收，梁被纖毛帶動發生形變，電阻值改變后惠斯通電橋的X單路輸出為

(2)

式中Vin為輸入電壓，Voutx為輸出電壓。ΔR1～ΔR4分別為惠斯通電橋上壓敏電阻值的變化量。為了方便分析，設定梁上所有壓敏電阻阻值相同，梁上電阻受到的應力基本相同，梁上四個電阻值變化量相等，所以上式可簡化為

(3)

式中R0為壓敏電阻的阻值。與X路相同，Y路信號也是通過這個原理將水聲信號輸出。

2 纖毛—硅柱二維矢量水聽器結構設計

聲波信號作用于水聽器時，只有纖毛接收到了聲波信號。而振動信號作用于水聽器時，纖毛和平衡塊都可以接收到振動信號并且兩者對梁產生的形變能夠相互抵消，從而達到抑制振動噪聲的效果。

當水聽器受到振動信號時，為了簡化分析，將纖毛、中心質量塊上部分、中心質量塊下部分、平衡塊和梁分別用字母A,B,C,D,E表示，如圖3所示。由于B和C被梁的中間平面均等分為對稱的兩塊，因此,B和C對E的彎矩大小相同方向相反可以完全抵消掉。下面僅需計算在振動沖擊下A和D對E的彎矩。

圖3 水聽器結構劃分示意

振動信號fx作用在纖毛上對梁的彎矩Ma以及平衡塊上對梁的彎矩Mb為

(4)

(5)

可得出

Mc=Ma+Mb

(6)

其中，纖毛的高度、密度和半徑分別用H，ρa和R表示，平衡塊的厚度、密度和半徑分別用h，ρb和r表示。從式(6)可以看出，設計合理的結構尺寸參數，能夠讓水聽器受到振動噪聲干擾時進行彎矩抵消，使得該結構實現抑制振動噪聲效果。

3 仿真分析

由于光敏樹脂密度與水相似，在測試中可以更好地探測水下聲源，因此，本文選擇光敏樹脂作為水下探測的纖毛，其他結構選擇硅材料。通過COMSOL軟件對本文所設計的纖毛—硅柱結構參數進行仿真，包括靜態分析，水中模態分析以及諧響應分析。為了簡化模型，用固定約束來取代外邊框，并結合實際工藝難度與設備條件，具體設計水聽器結構參數：梁長L為1 200 μm,梁寬b為300 μm,梁厚t為15 μm,纖毛半徑R為200 μm,纖毛高度H為5 500 μm,平衡塊半徑r為1 150 μm,平衡塊厚度h為688 μm。材料參數如表1所示。

表1 所選用的材料特性

3.1 靜態分析

對纖毛—硅柱結構的水聽器進行靜態仿真，在纖毛上施加1 Pa壓力載荷，仿真結果如圖4，得出纖毛—硅柱結構梁上表面最大應力ρ1為8.92×104Pa。普通纖毛二維矢量水聽器靈敏度S0為-197 dB，梁上最大應力ρ2為2.08×104Pa。通過比較標定法公式S1=S0+20lg(ρ1/ρ2)[9]，計算得出纖毛—硅柱矢量水聽器靈敏度為-184.35 dB。

圖4 纖毛—硅柱水聽器應力分布情況

對纖毛—硅柱結構水聽器整體施加100gn載荷，得到靜力學仿真的位移圖與應力云圖，如圖5所示。從圖中可以看出，此時水聽器表面最大應力為1.65×106Pa，且出現在梁的兩端根部。硅的比例極限σp為1.7 GPa，許用應力公式為σ=σp/n，依據結構的可靠性、工作環境等因素考量，設定安全系數n=5，計算得出最大許用應力為340×106Pa[10]。水聽器在100gn振動載荷下的表面最大應力遠小于硅的最大許用應力，說明水聽器可以在100gn振動載荷內正常工作。

圖5 100 gn振動下靜態力學分析

3.2 模態分析

為了定性分析纖毛—硅柱結構水聽器在工程應用中的可靠性，采取動力學分析方法—模態分析來確定其固有頻率、模態振型等水聽器結構本身的動態特性，從而避免水聽器在使用過程中因共振造成結構損壞失效等問題[11]。利用COMSOL軟件對水聽器進行模擬水下環境的模態分析，如圖6所示。水聽器的工作頻帶就是一階模態時的特征頻率，為1 010.9 Hz。

圖6 靜態力學分析

3.3 諧響應分析

諧響應分析可以體現結構在周期性載荷下的穩態響應。把諧波擾動施加到水聽器結構上，可以獲得一條頻率與響應值的曲線。由此可以確定所設計的結構會不會受到共振及其他受迫振動的影響[12]。對纖毛—硅柱結構水聽器和普通水聽器輸入方向、大小相同的振動信號，得到了關于最大應力與頻率關系的曲線如圖7所示。從圖中可以看出，在20～1 000 Hz內纖毛—硅柱結構水聽器的最大應力明顯小于普通水聽器結構，由此可說明該結構可以有效抑制振動信號。

圖7 諧響應仿真結果

4 制備工藝

結合尺寸參數以及對水聽器仿真分析，本文提出一種加工纖毛—硅柱結構MEMS二維矢量水聽器的加工工藝流程，具體工藝如圖8所示。

圖8 工藝加工流程圖

如圖8(a)，選擇4in(1in=2.54 cm)、頂層硅340 nm,埋氧層3 μm,底層硅700 μm的SOI晶圓。對其進行標準清洗工藝。如圖8(b)，通過等離子體增強化學氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)生長氧化硅來做阻擋層，阻止濃硼擴散時對非圖形區域的摻雜。如圖8(c)，光刻圖形化歐姆接觸區，用深反應離子刻蝕(deep reactive ion etching,DRIE)機刻蝕圖形區氧化硅，用BOE溶液(緩沖氧化物刻蝕液)腐蝕歐姆接觸孔內殘留以及硅表面自然生成的氧化硅，將光刻膠去除并清洗。如圖8(d)，二次標準清洗工藝后，用氧化擴散爐對晶圓進行重摻雜(濃硼擴散)。如圖8(e)，使用BOE溶液(緩沖氧化物刻蝕液)去除濃硼擴散的阻擋層氧化硅以及擴散造成的硼硅玻璃。如圖8(f)，光刻圖形化方塊電阻區，用反應離子刻蝕機刻蝕出方塊電阻形狀直到埋氧層，去膠并清洗。如圖8(g)，通過磁控濺射的方法濺射金屬鋁，光刻圖形化金屬引線。用磷酸溶液完成對多余金屬的腐蝕，此時光刻膠作為金屬引線的保護層。金屬引線腐蝕完成之后，將光刻膠去除。再用真空爐管退火爐進行退火處理，使得金屬與半導體形成歐姆接觸，實現壓敏電阻的導通。如圖8(h)，光刻圖形化正面十字梁，利用反應離子刻蝕(RIE)完全刻穿埋氧化層，接著用深硅刻蝕機(DRIE)刻蝕部分底層硅。如圖8(i)，這一步光刻在晶圓的背面，需要與正面圖形進行雙面對準。光刻圖形化背腔貫穿區，用DRIE機刻蝕硅，完成背面與正面的貫穿，釋放十字梁以及平衡塊。

5 結 論

本文提出一種纖毛—硅柱結構MEMS矢量水聽器，通過實現纖毛和硅柱的力矩平衡來達到抑制振動噪聲的效果，并針對硅柱與水聽器的一體化集成設計了基于MEMS的批量制造工藝。通過COMSOL有限元軟件仿真纖毛—硅柱結構矢量水聽器靈敏度為-184.35 dB，水聽器可以在0～100gn振動載荷下正常工作。利用理論公式分析加上諧響應仿真驗證了纖毛—硅柱結構可以在20～1 000 Hz內有效抑制振動噪聲，并驗證了這種抑制振動能力。與普通矢量水聽器相比，設計的纖毛—硅柱矢量水聽器具有靈敏度高、抗振動信號干擾能力強的優點。