Design of MEMSBionic Vector Hydrophone Based on NBR Encapsulation*

Design of MEMSBionic Vector Hydrophone Based on NBR Encapsulation*

LIU Mengran1，2，JIAN Zeming1，2，ZHANGGuojun1，2*，ZHANGWendong1，2

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

This paper introduces thematerial nitrile butadiene rubber(NBR)with good performance in sound transmission and anti－corrosion in making the sound－transparent cap，and puts forward an optimal design of the encapsulation shell of the MEMS bionic vector hydrophone，resolving the problem that current encapsulation structure causes is to lose the sensitivity，making the hydrophone less sensitive than the bare chip.With the new encapsulation structure，the resonance frequency of the hydrophone has been dropped below 50 Hz，which ensures the frequency spectrum(50 Hz～4 kHz)the hydrophone interested in free from the interference of the encapsulation resonance，broadening theworking frequency band.The sensitivity of the optimal encapsulation has been improved to(－170±2)dB，almost the same with the bare chip，and themaximum diameter of the hydrophone has been reduced from 36mm to 28mm，miniaturizing the hydrophone further.

MEMS bionic hydrophone;NBR cap encapsulation;frequency;sensitivity;miniaturization

随着陆地资源的不断消耗，海洋中，尤其是深海中蕴藏着巨大的资源，是人类赖以生存的资源宝库，将给人类提供包括能源、矿藏以及生物等在内的丰富资源［1］。面对水下安全日益严峻的形势，矢量水听器作为声纳探测的重要组成部分，迫切需要采用新技术、新方法进行改进，以满足工程应用的需求［2］。而矢量水听器性能很大程度上取决于封装。纤毛式MEMS仿生矢量水听器现有封装为聚氨酯透声帽，虽然聚氨酯透声帽自身透声性能良好，但是聚氨酯透声帽固有机械特性耦合作用于MEMS芯片上，导致水听器频率响应起伏较大，并在透声帽的共振频率处出现峰值;且在自由场中，聚氨酯透声帽随声波摆动的偏斜量与液体质点位移不相符导致水声衰减引起水听器灵敏度下降。因此本文提出一种新型封装结构，即丁腈橡胶封装结构。该封装结构显著提高了水听器的灵敏度，并且其谐振频率在50 Hz以下，不会对水听器的工作频率产生干扰，并使水听器的封装进一步小型化，为水听器进一步的发展和工程应用奠定了基础。

1 工作原理［3－5］

MEMS仿生矢量水听器以硅片为材料，由采用标准压阻式硅微机械工艺加工成的四梁臂硅微结构及固定于四梁中心的刚硬柱状体组成，结构模型如图1所示。四梁臂上通过扩散工艺加工有八个阻值相等的应变压敏电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8，其中R1、R2、R3、R4连接成一个惠斯通电桥，R5、R6、R7、R8连接成另一个惠斯通电桥，微结构上的压敏电阻的分布连接示意图如图2(a)所示和构成的惠斯通电桥如图2(b)所示。当有任一振动信号作用于传感器时，使悬臂梁发生变形，从而使惠斯通电桥的输出发生变化，根据惠斯通电桥的输出变化获得声场信息。

图1 芯片结构模型图

图2 电阻连接示意图

2 MEMS仿生水听器的理论分析与优化设计

2.1 透声理论

对封装结构的透声性能的分析，则通过建立3层介质理论模型进行预测。假定声波在介质中是按平面波传播的［6］，建立如图3所示模型。

图3 透声帽3层介质理论模型

依据上述模型，可得声波从水介质Ⅰ到油介质Ⅲ的透声系数［7－9］:

其中，Z1，Z2，Z3分别为水，透声帽，硅油的特性阻抗，k2为声波在透声帽中传播的波数，L为透声帽层的厚度。由于在校准测量中，驻波桶内也是硅油，也就是说图3中介质Ⅰ中的水变为油，因此上式可简化为:

由式(2)可知:如果透声橡胶的厚度L远小于波长时，k2L→0，T≈1。现采用厚度为0.05 mm丁腈橡胶帽封装水听器，远小于声音在水中传播时的波长。因此，此时T≈1，即声音穿过丁腈橡胶帽的几乎没有衰减，水听器的灵敏度应与未封装裸芯片的灵敏度一致。

2.2 封装结构的优化设计

图4(a)为聚氨酯橡胶帽的封装结构示意图。由于0.05 mm厚的丁腈橡胶帽，难以独立支撑成型，直接封装极易损坏芯片微结构，加大制作过程的困难，因此我们在内部加入一个瓣状支撑，既可以保护水听器敏感结构，使水听器封装的成型更加美观，又抑制了自由场中透声帽随声波摆动的偏斜量与液体质点位移不相符导致水声衰减引起水听器灵敏度下降。加入内支撑体的封装结构如图4(b)所示［10］。

图4 透声帽封装优化示意图

由于聚氨酯帽的厚度为2 mm，而丁腈橡胶帽的厚度仅为0.05 mm，原聚氨酯橡胶帽封装的金属管壳不适用于丁腈橡胶帽封装，因此，还需对水听器的封装外壳进行优化。此时，只需对金属管壳的圆盘的结构进行优化，如图5所示。圆盘尺寸，即水听器最大径，由36 mm缩小至28 mm，使水听器的封装进一步小型化。

图5 金属管壳的结构优化示意图

2.3 仿真分析

由于封装结构的固有频率对水听器的工作带宽有很大影响，为拓展水听器频响，必须使封装结构的固有频率大于水听器的工作频率上限或者小于水听器工作频率下限。聚氨酯帽的谐振频率为874 Hz，为拓宽水听器的工作频率，如果提高透声帽的共振频率，须增加帽子的厚度，帽子的厚度的增加又会使透声效果减弱。因此，我们考虑将透声帽封装的共振频率降低到50 Hz以下，损失50 Hz以下的工作频率，使水听器所感兴趣的频段不会受到封装谐振的干扰。故这里利用ANSYS有限元软件辅助分析，通过仿真获得丁腈橡胶帽封装结构和聚氨酯帽封装结构的固有频率。ANSYS模态分析结果如表1所示。图6为芯片、聚氨酯帽封装和丁腈橡胶帽封装仿真模型的一阶模态图。

表1 ANSYS模态分析结果

图6 ANSYS仿真一阶模态示意图

用ANSYS软件建立了下半部分为空心圆柱上半部分为空心半球壳体透声帽、透声帽内部支撑体、透声帽内硅油与透声帽外硅油的有限元三维模型，导入声学仿真软件Virtual.lab;在透声帽内的硅油和透声帽外的硅油里分别定义A、B两个场点;定义声源强度为1 Pa;提取透声帽内外场点的声压值(仿真频率范围50 Hz～4 000 Hz)，仿真结果如图7所示。由图7可看出，在50 Hz～4 000 Hz，丁腈橡胶帽封装内B场点的声压曲线没有谐振峰，曲线较平坦。分析其原因，当声源频率为50 Hz～4 000 Hz时，水听器接收的声源频率大于丁腈橡胶帽封装的共振频率，丁腈橡胶帽封装和内腔液体没有发生谐振，所以曲线较平坦。因此，在水听器感兴趣的频率范围(50 Hz～4 000 Hz)，丁腈橡胶透声帽封装内场点声压值基本不变。

3 水听器的测试

图7 A和B点仿真结果图

本设计是在不影响矢量水听器“8”字形矢量指向性的前提下设计的。水声传感器的接收指向性表示远场传来的平面波入射到水声传感器接收面上的平均声压随入射方向变化的曲线。为此，我们对改进封装后的水听器样机进行灵敏度和指向性测试。在驻波桶中，分别对未封装的裸片(如图8(a))、聚氨酯帽封装(如图8(b))和丁腈橡胶封装(如图8(c))进行灵敏度和指向性测试.为保证结果的准确性，我们制作了3支水听器，并对同一支芯片不同封装进行测试。

图8 3种测试封装示意图

3.1 灵敏度的测试

灵敏度校准测试采用比较法校准的原理，即将被测MEMS矢量水听器和CS－3A标准水听器的输出进行比较，得到被测MEMS矢量水听器的声压灵敏度。由于管中为驻波声场，管中任意一点声压满足1/p∝sin(kd)的关系(其中k为波数，d为水－空气界面处与考察点之间距离)，因此，被测水听器的灵敏度Mx为［11－13］:

其中，Ux为被测水听器的开路电压有效值，Mx为被测水听器的接收灵敏度，d和d0分别为标准水听器和被测水听器与水－空气界面处之间距离，此时d=d0，P0可以通过测量标准水听器的开路电压得到。

将水听器固定在机械回转杆中，将水听器最大输出方向对准声波入射方向，同时固定标准水听器至相同液面(如图9所示)，并发射1/3倍频程信号进行测量。图10为驻波筒测试现场图。丁腈橡胶封装与裸片、聚氨酯帽封装水听器频响对比曲线如图11所示。测试结果表明:丁腈橡胶帽封装水听器接收灵敏度与芯片的裸测灵敏度几乎一致，频响范围为50 Hz～4 000 Hz，频响曲线平坦，在频率响应范围内灵敏度起伏2 dB。较聚氨酯帽封装，灵敏度有很大的提高，频响曲线也更加平坦，水听器的工作频率得到了进一步的拓宽。

图9 测试安装示意图

图10 为驻波筒测试现场图

图11 丁腈橡胶帽封装与裸片、聚氨酯帽封装水听器频响曲线对比图

3.2 指向性测试

指向性的测量同样采用图10所示的驻波测量装置。由于管中声场是垂直分布的，只需沿水平轴对被校矢量水听器进行旋转，记录旋转角度θ和矢量水听器的开路电压eθ，同时记录最大方向水听器的输出电压值emax，归一化的指向性函数表达式:

图12 水听器指向性示意图

根据式(4)，对所测数据进行归一化处理，得到水听器的指向性图。图12为测试频率是100 Hz和1 250 Hz时，水听器指向性图。测试结果表明:具有良好的“8”字型指向性，凹点深度达到了38 dB，且指向性曲线平滑。

4 结束语

本文针对现有MEMS矢量水听器的封装结构会对灵敏度造成一定程度的损失，从透声帽材料方面进行了改进。选用丁腈橡胶材料，并加入内支撑体，在不影响矢量水听器指向性的情况下，提高了水听器的频率，使灵敏度提高到几乎与未封装的裸片的灵敏度一致，达到(－170±2)dB;拓宽了水听器频带，并使水听器的封装进一步小型化，具有良好应用前景。

［1］杨松涛.深水矢量水听器的研制［D］.哈尔滨:哈尔滨工程学，2010.

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刘梦然(1991－)，女，湖北省随州市人，中北大学硕士研究生，主要从事微纳器件研究及传感器相关信号处理，liumengran1991@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及机械专业研究生，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。

基于丁腈橡胶帽封装的MEMS仿生水听器的设计*

刘梦然1，2，简泽明1，2，张国军1，2*，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)

针对现有封装结构会对灵敏度造成一定程度的损失，使现有水听器的灵敏度小于水听器芯片裸测灵敏度的问题，改用了透声性能好、耐腐蚀的丁腈橡胶(NBR)制作的透声帽，并对现有的矢量水听器的封装外壳进行相应的优化设计。该封装结构的水听器的共振频率降低到50 Hz以下，水听器所感兴趣的频段(50 Hz～4 kHz)不会受到封装谐振的干扰，拓宽了水听器的工作频段。该封装的灵敏度提高到几乎与裸片的灵敏度一致，达到(－170±2)dB，并优化金属管壳的圆盘的尺寸，即水听器最大径，由36 mm缩小至28 mm，使水听器的封装进一步小型化。

MEMS仿生水听器;丁腈橡胶帽封装;频率;灵敏度;小型化

TP565.1

A

1004－1699(2014)01－0021－05

2013－10－18修改日期:2013－12－09

C:2575D;2860C

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.01.005

项目来源:国家“863”计划项目(2011AA040404);国家自然科学基金项目(61127008，51205374);山西省青年科技研究基金项目(2012021013－3)