纳机电矢量水听器耐压结构设计*

赵鹏，张国军*，刘源，申辉，刘林仙，张文栋，(.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原03005;.中北大学电子测试技术重点实验室，太原03005)

纳机电矢量水听器耐压结构设计*

赵鹏1，张国军1*，刘源2，申辉2，刘林仙2，张文栋1，2
(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;2.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051)

纳机电矢量水听器具有低频性能好，灵敏度高等性能优点，在深海探测领域具有巨大的应用潜力，为满足超深水工作的要求提出了绝缘托盘式新型封装结构，解决了纳机电矢量水听器的耐高静水压技术难题。首先，进行聚氨酯透声帽外围封装承压分析，理论论证聚氨酯基体树脂材料的极限耐静水压强度为42.3 MPa。然后，对MEMS芯片输出电压进行理论计算以及对其进行模态仿真，得出在高达20 MPa的静水压作用下，传感器的输出灵敏度基本无变化，而且工作频带有所拓宽。测试结果表明:改进封装的纳机电矢量水听器在高压20 MPa时，可以实时获得敲击信号;加压前后，该水听器在20 Hz～1 000 Hz工作频带内水听器的灵敏度和指向性基本一致。

矢量水听器;纳机电;耐压

近年来，人们对海洋能源与海洋资源的需求不断增加，进行深海探测有极大的科研意义和现实意义。进行深海探测一方面可以推动地球科学研究的发展，另一方面，是深海大洋资源、环境研究与军事应用的迫切需求。世界各国对海洋，尤其是对深海探测开发的重视已经上升到前所未有的高度。对深海资源进行研究和勘查，需要使用各种传感器和测绘、取样、采集等设备，其中水声换能器是必不可少的［1-2］。

由张文栋、薛晨阳等人研制的纳机电矢量水听器具有低频性能好，灵敏度高，良好的“8”字型指向性等优点［3-5］，在深海水声探测领域具有广泛的应用潜力，但是，由于现有水听器封装结构的不完善，纳机电矢量水听器尚不能承受高静水压力，可承受最高压力为3 MPa［6］，还远远达不到超深水探测的要求。为此，本文基于文献［7］所述的NEMS矢量水听器的工作原理，针对纳机电矢量水听器敏感头部位密封不好难以抵抗高静水压的缺陷，提出绝缘托盘密封结构，以期突破纳机电矢量水听器的耐静水压的关键技术，使其能在20 MPa的高压下进行深水探测。

1 耐压封装设计

1.1 封装改进

深水换能器在相应高静水压的环境下若要正常工作，其封装结构需满足耐压要求，即封装结构不变形、不漏水;透声帽内的硅油不渗出。文献［8］中的纳机电矢量水听器，其封装形式如图1(a)所示，主要由透声帽和后续处理电路管壳组成。前期水压试验得，具有以上封装形式的纳机电矢量水听器易损坏部位并不在管壳底端与水密电缆连接处，而是发生在管壳的长细脖子处，即MEMS芯片与后续处理电路连接的地方，在外界高静水压作用下，透声帽内硅油从该连接处被挤进装有后续处理电路的管壳内，造成透声帽内外压强不平衡，以致透声帽被压缩变形造成水听器毁坏。

图1 两种封装结构

为解决此密封性不好的问题，需将MEMS芯片完全密封于透声帽内，避免透声帽内硅油被挤出造成水听器毁坏，基于此，采用绝缘托盘式密封结构对敏感单元封装。考虑到水听器工作特点，采用玻璃钢制作成绝缘托盘，托盘上打有信号螺孔，并通过镀镍螺钉传递电信号。由于此结构使敏感单元完全密封，聚氨酯透声帽内硅油不会被挤出，随着外界压力升高内部硅油可产生相应的内压，透声帽内外达到压力平衡，从而使水听器封装结构能够承受高静水压。绝缘托盘式封装结构如图1(b)所示。

1.2 聚氨酯承压理论分析

纳机电矢量水听器的核心是拾取水声信号的MEMS微结构，而利用聚氨酯材料制作的柱壳状透声帽起到保护该MEMS微结构以及透声的作用，因此，对聚氨酯透声帽进行耐压分析十分必要。研究透声帽耐压结构首先从聚氨酯材料入手，聚氨酯是一种典型的超弹性材料，具有不可压缩性，根据文献［9］对其本构关系的研究，拟合出不同密度下硬质聚氨酯泡沫材料的静态应力应变曲线，如图2所示，其中，曲线是准静态条件下的应力应变曲线，应变率为ξ'=1.7× 10-3s-1，四条曲线的密度分别为ρ1=0.092 g/cm3，ρ2=0.202 g/cm3，ρ3=0.472 g/cm3，ρ4=1.2 g/cm3。

图2 静态应力应变曲线

由拟合曲线可以看出，随着密度的提高，静态应力应变曲线的屈服平台越来越窄，屈服应力越来越高。而聚氨酯基体树脂材料的密度ρ4最高，为1.2 g/cm3，可以看作是聚氨酯泡沫材料的特殊形式，它的应力应变曲线几乎没有显示出屈服平台，我们可以认为屈服应力非常高。而根据文献［10］中的研究表明:在准静态静水压加载条件下，泡沫材料的屈服强度比单向压缩时略大、压实应变略小。也就是说，图2中的应力应变曲线的屈服平台还应有所提高。由以上分析可以得出，聚氨酯材料可以承受非常高的静水压力，满足水听器封装结构耐压性能的要求。

此外，为确定泡沫材料在纯静水压力作用下的屈服应力计算公式，如式(1)所示，Gibson和Ashby对泡沫材料的塑料力学性能进行研究，并指出静水压力加载泡沫材料时也会产生塑性破坏。

式中，σm是平均应力;σys是基体材料屈服应力;ρ*和ρs分别是泡沫和基体材料密度［11］。根据式(1)，代入聚氨酯基体材料的各参数值，ρ*=ρs=1.2 g/cm3，σys=127 MPa，得到聚氨酯基体树脂材料的静水压屈服强度为42.3 MPa。

为进一步确定纳机电矢量水听器的极限耐压强度，考虑其各主要结构材料的临界压强见表1所示。

表1 临界压强表

2 微结构理论分析与仿真

耐高静水压换能器除了要满足封装结构的耐压要求，即不变形、不漏水，还得在相应高压环境下能够正常工作，这就需要对纳机电矢量水听器的敏感单元MEMS微结构进行理论与仿真分析。

2.1 芯片电桥输出

纳机电矢量水听器的敏感微结构如图3所示，包括四梁微结构和刚硬柱体两部分。在四梁的应力最大部位放置有压敏电阻，并排布成惠斯通电桥。敏感微结构在静水压力作用下，处于平衡状态，当敏感微结构的刚硬柱体受到X方向不平衡扰动Fx时，柱体将会倾斜，从而将不平衡扰动载荷传递给悬臂梁。相应地，植入悬臂梁的压敏电阻阻值发生变化，当外加直流激励时，电桥的变化就会被检测出来。

图3 敏感微结构的封装图

仿生微结构上压敏电阻的排布图如图4所示，压敏电阻电桥连接示意图如图5所示，Ax电桥测量X轴的矢量输出。

图4 仿生微结构上压敏电阻的排布图

图5 压敏电阻电桥连接示意图

压敏电阻阻值设计时，R1=R2=R3=R4=R，在静水压P作用下，电阻的阻值变化均为ΔRP，当受到不平衡载荷Fx扰动时，各电阻的阻值变化为ΔR'1=-ΔR'2=ΔR'3=-ΔR'4=ΔRF。在无应力作用下，Ax电桥的输出电压表示为如式(2):

若静水压P和不平衡载荷Fx线性叠加到微结构上，则压敏电阻的阻值变化也进行线性叠加，此时，Ax电桥的输出电压表示为如式(3)所示。

经简化，式(3)能够近似表示为:

对于P型压敏电阻:［12-13］

式(5)中，σl为悬臂梁轴向应力。在静水压P =20 MPa作用下，微结构各向受力相同，处于各向均匀应力状态，σl=20 MPa。若无静水压而只有不平衡载荷作用时，电桥的输出电压与被测量ΔRF/R成正比，当考虑到高静水压P作用时，输出电压Vout为原来的1/(1+ΔRP/R)倍，约为0.986，即

以上可知，在高达20 MPa的静水压作用下，传感器的输出灵敏度基本无变化。

2.2 模态分析

采用有限元分析软件Ansys12.1对微结构进行有预应力的模态分析，设定有限元的单元类型为SOLID187，微梁的结构参数为1 000μm×120μm× 40μm(长×宽×厚)，刚硬柱体的高度为5 000μm，半径为150μm。比较有20 MPa预应力和无预应力模态分析，微结构的前四阶模态频率如表2所示，有预应力模态分析的一阶振形如图6所示。仿真结果显示，在高静水压环境下，微结构的共振频率较无水压情况下有所提高，为2 535 Hz。水听器的灵敏度频响曲线在微结构的共振频率处会发生突变，一般水听器的工作频率上限为共振频率的一半。分析表明高静水压对纳机电矢量水听器的工作频带基本无影响甚至有所拓宽，这显示了纳机电矢量水听器具有深水探测的可行性。

表2 模态频率

图6 有预应力模态分析的一阶振形

3 测试

为验证经优化设计后的水听器性能，制作出绝缘托盘式耐压封装的水听器样机，如图7所示。对耐压封装的水听器进行加压实验，加压前后分别对该水听器进行校准测试，验证其在20 Hz～1 000 Hz工作频带内灵敏度和指向性是否一致。

图7 绝缘托盘式纳机电矢量水听器样机

由于条件受限，不能在高静水压下进行灵敏度校准测试，所以本次实验只是在加压环境下进行敲击测试，观察水听器是否能实时感知敲击信号。图8为耐压20 MPa测试现场。将性能完好的纳机电矢量水听器置入压力罐内，通过特种转换件将水听器的电源线和信号线引出，如图8所示。当压力罐加压到20 MPa时，敲击耐高静水压测试系统，测量水听器是否有振动信号输出。实验结果得，纳机电矢量水听器在高压20 MPa时，可以获得敲击信号，如图9所示。

图8 耐压测试现场

图9 敲击信号

经过20 MPa耐高静水压实验，水听器无漏水和变形。为比较加压对水听器性能的影响，在加压前后均需测试水听器在工作频带内的灵敏度和指向性。水听器校准测试采用驻波场比较法在驻波桶内进行，测试灵敏度频响曲线时水听器X轴方向与驻波桶内的声波传播方向平行［14］，此时水听器所处方向是X路输出灵敏度最大的方向。同理，可以测得水听器在Y路为最大方向时的灵敏度频响曲线，本文不再赘述。指向性实验仍在驻波桶内进行，沿水平轴对被校水听器每隔5°旋转一次，记录旋转角度和水听器的输出电压用以绘制指向性图。驻波桶校准系统如图10所示，水听器安装方式如图11所示。水压试验前后该水听器水声性能基本保持一致，图12给出了水听器在200 Hz时X方向的指向性图，图13给出了加压前后该水听器在20 Hz～1 000 Hz工作频带内X方向的灵敏度频响曲线。

图10 矢量水听器测试校准系统

图11 纳机电矢量水听器安装方式

图12 水听器X轴的指向性图(200 Hz)对比

图13 频响曲线对比(放大10 dB)

测试结果表明，加压实验前后，纳机电矢量水听器在工作频带内的灵敏度和指向性基本不变。由图12的“8”字指向性图显示，加压前后的凹点深度分别为32.9 dB和31.4 dB，最大值不均匀性分别为0.2 dB和0.6 dB，加压前后相比较，纳机电矢量水听器仍有较好的指向性。由图13可知，加压前后水听器的灵敏度分别是-173 dB和-174 dB(0 dB≜1 V/μPa，500 Hz)。造成加压前后的输出灵敏度不一致的原因是:校准测试时，水听器X轴的方向不能严格与驻波桶内的声波传播方向平行。测试结果表明经封装改进后的纳机电矢量水听器具有良好的工作性能，且能够承受高静水压。

4 结论

本文提出的绝缘托盘式封装结构能够承受高达20 MPa的静水压力，为纳机电矢量水听器在深水环境下工作提供保障。通过对聚氨酯基体树脂材料进行耐压分析，得出透声帽封装的极限耐压强度为42.3 MPa，并对MEMS芯片中电桥的输出电压理论计算以及利用ANSYS有限元软件对微结构进行模态分析，得出在高达20 MPa的静水压作用下，传感器的输出灵敏度基本无变化，而且工作频带有所拓宽。经测试，改进封装的纳机电矢量水听器在高压20 MPa时，可以实时获得敲击信号;加压前后X轴的输出灵敏度分别是-173 dB和-174 dB(0 dB≜1 V/μPa，500 Hz)，在20 Hz～1 000 Hz工作频带内水听器的灵敏度和指向性基本一致。该新型封装结构的提出为深海耐高压矢量水听器的研究开拓了新的方向，纳机电矢量水听器在深海水声探测领域具有较大的应用潜力。

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赵鹏(1990-)，男，硕士研究生，河北邯郸人，主要研究方向为MEMS器件研究，zhaopeng.08@163.com;

张国军(1977-)，男，副教授，2001年7月毕业于华北工学院自动控制系并留校任教，同年9月被派往清华大学微电子系进修微电子专业。2003年，考取中北大学精密仪器与机械专业研究生，2004.7～2006.7在中国科学院声学研究所做有关穿孔板结构非线性声学方面的研究工作，2012年，在西北工业大学攻读博士。

The Design of Pressure-Resisting Structure for NEMS Vector Hydrophone*

ZHAO Peng1，ZHANG Guojun1*，LIU Yuan2，SHEN Hui2，LIU Linxian2，ZHANG Wendong1，2

(1.Key Laboratory of instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China; 2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory North University of China，Taiyuan 030051，China)

The NEMS(Nano-Electromechanical System)vector hydrophone，which has advantages of low frequency，high sensitivity，etc，has huge potential for application in deep ocean detection.A novel encapsulation structure of insulation tray was proposed to meet deepwater work requirements，which solved the problem of high pressure-resisting for NEMS vector hydrophone.First，pressure-resisting analysis of the polyurethane sound-transparent cap was conducted，and the theoreticaldemonstration shows that the ultimate pressure-resisting capacity of polyurethane substrate materialis 42.3 MPa.Then，this paper conducted theoreticalcalculation aboutthe outputvoltage ofthe MEMS chip and completed its mode simulation.The analysis results reveals that the sensitivity of hydrophone is changed rarely，even in the high hydrostatic pressure at20 MPa，and the working frequency band is broaden.Finally，the hydrophone was tested.Results show that the NEMS hydrophone with improved structure can obtain knocking signals in high hydrostatic pressure at 20 MPa;Comparing results before and after the pressure testing，there is almost no change about the sensitivity and directional pattern of NEMS vector hydrophone.

vector hydrophone;NEMS;pressure-resisting

TB565.1

A

1004－1699(2014)05－0610－06

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.05.008

项目来源:国家863项目(2013AA09A412);国家自然科学基金项目(61127008/F040703)

2014-03-04

2014-04-21