用于甚低頻水聲信號(hào)檢測(cè)的電化學(xué)敏感單元設(shè)計(jì)

摘" 要：針對(duì)深海環(huán)境下對(duì)72 Hz以下甚低頻水聲信號(hào)的感知和探測(cè)需求，該文研制一種基于電化學(xué)換能原理和MEMS技術(shù)的電化學(xué)敏感單元。該電化學(xué)敏感單元包括MEMS敏感電極、有機(jī)玻璃制作的電化學(xué)反應(yīng)腔、膠膜和電解質(zhì)溶液等。采用MEMS技術(shù)和Pt-Pt倒裝鍵合技術(shù)在單晶硅襯底上完成MEMS敏感電極的加工和制作，采用螺紋緊固的方法完成電化學(xué)敏感單元的裝配。最后，將電化學(xué)敏感單元通過聲學(xué)灌封制備得到電化學(xué)矢量水聲傳感器樣機(jī)，并隨電化學(xué)矢量傳感器樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，這種電化學(xué)敏感單元可用于對(duì)72 Hz以下甚低頻水聲信號(hào)的檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)；MEMS；甚低頻；矢量水聲傳感器；信號(hào)

中圖分類號(hào)：TP212" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）33-0119-04

Abstract： In order to meet the needs of sensing and detecting very low frequency underwater acoustic signals below 72 Hz in the deep sea environment， an electrochemical sensing unit based on the principle of electrochemical transducer and MEMS technology is developed in this paper. The electrochemical sensing unit includes MEMS sensing electrodes， electrochemical reaction chambers made of plexiglass， glue films， electrolyte solutions， etc. MEMS technology and Pt-Pt flip-chip bonding technology are used to complete the processing and fabrication of MEMS sensitive electrodes on monocrystalline silicon substrates， and the assembly of electrochemical sensitive units is completed by thread fastening. Finally， the electrochemical sensing unit was prepared by acoustically encapsulating to obtain an electrochemical vector underwater acoustic sensor prototype， and was tested with the electrochemical vector sensor prototype. The test results show that the electrochemical sensing unit can be used to detect very low frequency underwater acoustic signals below 72 Hz.

Keywords： electrochemistry; MEMS; very low frequency; vector underwater acoustic sensor; signal

矢量水聲傳感器一般由聲壓水聲傳感器與直接或間接測(cè)量振速的傳感器復(fù)合而成，能夠同時(shí)共點(diǎn)測(cè)量水下聲標(biāo)量和矢量（聲壓梯度、質(zhì)點(diǎn)振速、加速度、位移或聲強(qiáng)等）信息[1]。其有能夠抑制各向同性噪聲，可以更全面地獲得水下聲場(chǎng)信息，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)多目標(biāo)的探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[2]。隨著海洋探測(cè)領(lǐng)域的需求不斷增加，其對(duì)水聲傳感器工作性能的要求也在不斷提高，尤其是在深海環(huán)境下對(duì)72 Hz以下甚低頻水聲信號(hào)的感知和探測(cè)[3]。為了提高矢量水聲傳感器在甚低頻水聲信號(hào)的檢測(cè)性能，國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)對(duì)多種新型換能材料與換能機(jī)理進(jìn)行了研究[4]。

本文基于電化學(xué)換能機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種可用于電化學(xué)矢量水聲傳感器的電化學(xué)敏感單元。基于該電化學(xué)敏感單元制備的電化學(xué)矢量水聲傳感器可用于檢測(cè)甚低頻（1～72 Hz）的水聲信號(hào)，為同振型矢量水聲傳感器，具有低頻響、高靈敏、抗沖擊能力較強(qiáng)等特點(diǎn)[5]，對(duì)提升我國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)或其他水聲探測(cè)系統(tǒng)能力而言具有實(shí)際意義。

1" 工作原理

電化學(xué)矢量水聲傳感器是利用電化學(xué)換能機(jī)理將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)電化學(xué)矢量水聲傳感器在外部水聲信號(hào)的作用下改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其內(nèi)部的電解質(zhì)溶液在外部信號(hào)的作用下與敏感電極之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而引起敏感電極附近的電解質(zhì)溶液離子濃度梯度產(chǎn)生變化，進(jìn)而改變了敏感電極附近原本處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)的電化學(xué)反應(yīng)速率，導(dǎo)致2個(gè)陰極電極的輸出電流不再為零，即利用電化學(xué)反應(yīng)將接受到的水聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)[6]。與傳統(tǒng)機(jī)電換能機(jī)理，如壓電換能機(jī)理相比，電化學(xué)換能機(jī)理將制作步驟復(fù)雜的機(jī)械部件替換為特定濃度的電解質(zhì)溶液，具有較高的信噪比與較強(qiáng)的抗沖擊能力，而且電化學(xué)傳感器在低頻下有著相對(duì)較高的靈敏度，因此被廣泛應(yīng)用于72 Hz以下甚低頻信號(hào)領(lǐng)域的檢測(cè)[7]。

本文設(shè)計(jì)的電化學(xué)矢量水聲傳感器敏感單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。從圖中可以看出，電解質(zhì)溶液通過有機(jī)玻璃制作的流道和膠膜被密封在敏感單元內(nèi)部，作為電化學(xué)矢量水聲傳感器的慣性元件。電化學(xué)敏感單元內(nèi)部的MEMS敏感電極通過機(jī)械壓緊的方式固定在有機(jī)玻璃制作的流道中間位置，采用MEMS工藝進(jìn)行制備，為三明治網(wǎng)狀堆疊結(jié)構(gòu)，其上制作有多個(gè)貫通MEMS敏感電極的微流道。

電化學(xué)水聲傳感器敏感單元工作原理如圖2所示。電解質(zhì)溶液為I2和KI的混合溶液，在2個(gè)陽極之間施加一個(gè)0.7 V大小的恒定電壓，2個(gè)陰極作為測(cè)量電極。在MEMS敏感電極的陽極附近此時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)生成I離子，在MEMS敏感電極的陰極附近發(fā)生還原反應(yīng)生成I-離子

3I-→I+2e 。

I+2e→3I- 。

當(dāng)電化學(xué)矢量水聲傳感器處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，敏感單元內(nèi)部的電解質(zhì)溶液在MEMS敏感電極表面附近的離子濃度梯度處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，2個(gè)陰極表面離子濃度差為零，此時(shí)電化學(xué)矢量水聲傳感器輸出信號(hào)為零[8-10]。當(dāng)水聲信號(hào)傳遞至電化學(xué)矢量水聲傳感器所在位置時(shí)，水聲傳感器在水聲信號(hào)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，并且將這股振動(dòng)信號(hào)傳遞至傳感器內(nèi)部的敏感單元。此時(shí)，電化學(xué)敏感單元流道內(nèi)的電解液在慣性和膠膜彈力的作用下產(chǎn)生位移，使其流過制作在MEMS敏感電極上的微流道，從而破壞原本的動(dòng)態(tài)平衡，引起MEMS敏感電極附近離子濃度的變化，使陰極電極表面附近的I離子的濃度梯度發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生電流信號(hào)[11-12]。將電流信號(hào)經(jīng)由引線傳遞到后端的信號(hào)調(diào)理電路，通過電路完成對(duì)信號(hào)的放大和處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電化學(xué)敏感單元內(nèi)部電解質(zhì)溶液運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判斷，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)甚低頻水聲信號(hào)的測(cè)量。

2" MEMS敏感電極設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電化學(xué)矢量水聲傳感器的MEMS敏感電極如圖3和圖4所示，為“網(wǎng)狀電極板-固支框-網(wǎng)狀電極板”的三明治網(wǎng)狀堆疊結(jié)構(gòu)。每個(gè)電極板的正反兩面各制備有一層網(wǎng)狀敏感電極，共計(jì)4層，且4層網(wǎng)狀敏感電極按照陽極-陰極-陰極-陽極的方式進(jìn)行排列，網(wǎng)狀敏感電極之間通過硅及SiO2進(jìn)行電極間的絕緣和電極形態(tài)支撐。

MEMS敏感電極的網(wǎng)狀電極板上制備有多個(gè)通孔，為圓形陣列結(jié)構(gòu)；固支框上開有一個(gè)大的圓形通孔，其面積需可以覆蓋網(wǎng)狀電極板上通孔圓槽陣列。三者均采用MEMS工藝進(jìn)行制備，并按照“網(wǎng)狀電極板-固支框-網(wǎng)狀電極板”的排列方式，通過Pt-Pt倒裝鍵合工藝形成一個(gè)整體，從而在MEMS敏感電極上形成可供電解質(zhì)溶液流過的微流道。當(dāng)電化學(xué)矢量水聲傳感器處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電解質(zhì)溶液從這些微流道中流過，與固定在敏感單元流道中的4層網(wǎng)狀電極產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而在2個(gè)陰極處產(chǎn)生電流信號(hào)。

本文設(shè)計(jì)的電化學(xué)矢量水聲傳感器的MEMS敏感電極采用MEMS工藝進(jìn)行制備，其制備工藝流程如圖5所示。

以下對(duì)工藝流程做簡(jiǎn)單說明。

1）基片清洗。選用直徑100 mm的雙拋單晶硅片作為固支框和網(wǎng)狀電極板的襯底和支撐層，將單晶硅片先后置于0號(hào)清洗液（濃硫酸與水的混合溶液）和1號(hào)清洗液（鹽酸、雙氧水、水的混合溶液）中進(jìn)行清洗。

基片清洗的主要目的是去除硅片上殘留的自然氧化層、顆粒、塵埃及沾污等，確保敏感電極的后續(xù)制備工藝不會(huì)因此受到負(fù)面影響。

2）絕緣層制備。本文設(shè)計(jì)的絕緣層，先將清洗過的單晶硅晶圓放入高溫氧化爐中進(jìn)行SiO2層的制備，再將完成SiO2層制備的基片置于LPCVD中進(jìn)行Si3O4層的制備。其中，SiO2層厚度為300 nm，Si3O4層厚度為100 nm。工藝完成后，使用橢偏儀測(cè)量Si3O4層和SiO2層的厚度，確保在基片的兩面制備的絕緣層厚度均滿足設(shè)計(jì)要求。

3）金屬層制備。采用電子束蒸發(fā)工藝，先后在帶有絕緣層的基片的兩面均制備一層厚度為50 nm的Cr和厚度為150 nm的Pt的復(fù)合金屬層。之所以選用Cr/Pt兩種金屬制作復(fù)合電極，是因?yàn)镻t與Si3O4的兼容性不佳，直接在Si3O4上蒸鍍Pt會(huì)導(dǎo)致金屬起層、金屬脫落等現(xiàn)象出現(xiàn)，影響工藝的穩(wěn)定性。

4）金屬層圖形化。首先使用AZ6130光刻膠和EVG光刻機(jī)對(duì)帶有絕緣層和金屬層的基片進(jìn)行光刻。經(jīng)過勻膠、前烘、曝光、顯影和堅(jiān)膜等多步工序，在基片上制備光刻膠掩膜圖形；接著采用金屬RIE干法刻蝕工藝對(duì)沒有光刻膠掩膜圖形保護(hù)的區(qū)域進(jìn)行刻蝕，通過四探針電阻測(cè)試儀判斷待刻蝕區(qū)域的金屬層是否去除干凈。刻蝕完成后，使用正膠剝離液去除基片表面的殘余光刻膠，然后對(duì)基片的另一面重復(fù)此步工藝，從而完成網(wǎng)狀電極板上網(wǎng)狀敏感電極的圖形化，以及固支框上待鍵合金屬層的圖形化。

5）通孔制備。首先采用RIE干法刻蝕工藝和濕法腐蝕工藝對(duì)完成金屬層圖形化的基片進(jìn)行鈍化層的刻蝕，即先采用RIE干法刻蝕去除大部分的鈍化層，僅保留約50 nm的氧化硅，再使用濕法腐蝕工藝（腐蝕液主要成分為氫氟酸）去除殘余的氧化硅層。利用去離子水在單晶硅和氧化硅表面張力不同，以及濕法刻蝕腐蝕液對(duì)單晶硅腐蝕速率極低的原理，實(shí)現(xiàn)在不損傷單晶硅表面的前提下去除曝光圖形內(nèi)的絕緣層。

完成RIE干法刻蝕工藝后，采用ICP刻蝕工藝（即感應(yīng)離子耦合刻蝕）對(duì)完成基片兩面進(jìn)行單晶硅刻蝕，直至通孔制備完成為止，刻蝕速率約為1 μm/min。刻蝕完成后，使用丙酮和無水乙醇去除基片表面殘余的光刻膠并用去離子水沖洗15 min。

6）倒裝鍵合。先采用混合氣體（95%Ar+5%H2）對(duì)網(wǎng)狀電極板與固支框上鍵合面的金屬Pt進(jìn)行表面等離子體活化，再將其中一塊網(wǎng)狀電極板與固支框先后放入鍵合機(jī)內(nèi)。其中，固支框鍵合面朝上置于鍵合機(jī)下方的鍵合夾具內(nèi)，網(wǎng)狀電極板鍵合面朝下固定在鍵合機(jī)上方的鍵合夾具內(nèi)。利用鍵合機(jī)自帶的顯微鏡鏡頭找到設(shè)置在網(wǎng)狀電極板與固支框上的鍵合對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，通過調(diào)整旋鈕使2個(gè)標(biāo)記在鏡頭下重疊。對(duì)準(zhǔn)完成后，在鍵合機(jī)內(nèi)通入氮?dú)猓斎朐O(shè)定好鍵合參數(shù)（350 ℃，100 MPa，20 min）進(jìn)行Pt-Pt倒裝鍵合。

倒裝鍵合完成后，將完成一次鍵合的基片放置于鍵合機(jī)下方的鍵合夾具內(nèi)，將其另一個(gè)待鍵合面朝上，將另一塊網(wǎng)狀電極板鍵合面朝下固定在鍵合機(jī)上方的鍵合夾具內(nèi)，重復(fù)上述工藝。

7）芯片分離。使用劃片機(jī)按照基片上設(shè)置的分離標(biāo)記將完成Pt-Pt倒裝鍵合的基片分離成獨(dú)立的MEMS敏感電極。

8）壓焊。在MEMS敏感電極的電極處壓焊引線，用于引出傳感器在工作狀態(tài)中產(chǎn)生的電流信號(hào)。

9）性能測(cè)試。將MEMS敏感電極通過機(jī)械壓緊的方法固定在有機(jī)玻璃制作的流道中間位置，向流道中注入電解液并用膠膜及螺紋緊固件密封，形成電化學(xué)矢量水聲傳感器敏感單元，隨傳感器整機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試。

3" 電化學(xué)敏感單元樣品性能測(cè)試

電化學(xué)矢量水聲傳感器敏感單元應(yīng)用的電化學(xué)矢量水聲傳感器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

通過機(jī)械壓緊的方法將MEMS敏感電極固定在有機(jī)玻璃制作的流道中間位置，灌入電解液，形成電化學(xué)矢量水聲傳感器敏感單元，如圖7所示。

然后，將電化學(xué)矢量水聲傳感器敏感單元與信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行多模塊組合設(shè)計(jì)，檢測(cè)單元通過合理的定位結(jié)構(gòu)調(diào)整，工藝調(diào)整后組成矢量水聲傳感器半成品。為了滿足矢量傳感器的拾振條件，進(jìn)一步進(jìn)行防水、質(zhì)心、密度、敏感軸向標(biāo)識(shí)和安裝接口等工藝制作。最后聲學(xué)灌封，滿足拾振條件要求。封裝外形如圖8所示。

在低頻振動(dòng)臺(tái)對(duì)電化學(xué)矢量水聲傳感器樣品進(jìn)行測(cè)試。其主要試測(cè)數(shù)據(jù)，見表1。

4" 結(jié)束語

測(cè)試結(jié)果證明了基于MEMS技術(shù)、結(jié)合電化學(xué)換能原理設(shè)計(jì)制造的矢量水聲傳感器敏感單元的可行性，該水聲傳感器敏感單元可以用于水下聲目標(biāo)的甚低頻探測(cè)。結(jié)合MEMS技術(shù)和電化學(xué)換能原理，提高了電化學(xué)矢量水聲傳感器靈敏度和低頻響特性；所采用的加工工藝都是通用工藝，因此加工制作方便，尤其適合大批量制作，從而大幅度提高了電化學(xué)矢量水聲傳感器敏感單元的加工一致性，為今后電化學(xué)矢量水聲傳感器的開發(fā)研制工作做出了重要的技術(shù)積累。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳洪娟.矢量傳感器[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006.

[2] 劉伯勝，黃益旺，陳文劍，等.水聲學(xué)原理（第三版）[M].北京：科學(xué)出版社，2019.

[3] 鄭軼.甚低頻同振式矢量水聽器研制及應(yīng)用[Z].山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，2016.

[4] 楊建設(shè).低頻海洋環(huán)境噪聲時(shí)頻和相位特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2017.

[5] 陳恒.電化學(xué)水聽器的設(shè)計(jì)及開發(fā)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2024.

[6] AGAFONOV V M， EGOROV I V， SHABALINA A S. Operating principles and technicalcharacteristics of a small-sized molecular-electronic seismic sensor with negativefeedback[J]. Seismic instruments，2014，50（1）：1-8.

[7] YANG D， WANG X， SUN J， et al. Design， modeling and simulation of a liquid jetgyroscope based on electrochemical transducers[J]. Micromachines （Basel），2021，12（9）：1008.

[8] 徐慧儀.基于多物理場(chǎng)電化學(xué)振動(dòng)傳感器的仿真[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2017.

[9] 王軍波，龔黎明，陳德勇，等.平面電極型MEMS電化學(xué)地震傳感器[J].光學(xué)精密工程，2015，23（3）：769-775.

[10] 杜博瑩.1 Hz電化學(xué)地震檢波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2021.

[11] LIANG T， WANG J， CHEN D， et al. A MEMS-Based Electrochemical AngularAccelerometer With a Force-Balanced Negative Feedback[J].IEEE sensorsjournal，2021，21（14）：15972-15978.

[12] 王小歡.電化學(xué)旋轉(zhuǎn)地震計(jì)的設(shè)計(jì)及研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2022.