MEMS仿生矢量水听器封装结构的隔振研究

杨江涛，马喜宏*，邬　琦

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051; 3.中北大学计算机与控制工程学院，太原030051)



MEMS仿生矢量水听器封装结构的隔振研究

杨江涛1，2，马喜宏1，2*，邬琦3

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051; 3.中北大学计算机与控制工程学院，太原030051)

摘要:利用隔振原理，设计了矢量水声传感器系统中一种新型隔振封装结构模型，即加入橡胶减振器的新型封装结构。采用ANSYS软件对封装模型进行模态分析，研究模型结构和几何尺寸对其隔振性能的影响，确定最优隔振封装结构;对模型的几何尺寸及橡胶隔震材料力学参数进行优化，并对优化模型的隔振性能进行实验测试和评估。实验结果表明:所设计的新型橡胶减振结构具有一定的减振效果，隔离了一定程度的核心器件以外的外界振动干扰，提高了原有封装结构矢量水听器的探测灵敏度。再次验证了硅微MEMS仿生矢量水声传感器不但体积小、质量轻、结构简单，而且具有低频灵敏度高等优点。

关键词:MEMS仿生矢量水听器;有限元分析;减振器;封装

海洋蕴藏着丰富的生物和矿藏资源，海洋资源的探测和开发，日益受到世界各国的重视，人们开始越来越重视水下通信系统的研究与应用［1］。近年来，由于军事和海洋开发的要求，电磁波在水中传播时衰减严重，而声波是人类迄今为止已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式，所以在海洋中，检测、通信、定位和导航主要利用声波［2－3］。随着水声技术的不断发展，技术需求越来越多，在实现远程检测、识别、低频检测等方面显得日益重要，同时，随着目标信号的减弱，高灵敏度检测问题也变得非常迫切［4］。目前对矢量水声传感器来说急需解决的几个问题是:(1)高灵敏度问题; (2)甚低频检测问题; (3)矢量水声传感器的小型化问题; (4)抗噪声干扰问题等［5－6］。

为了进一步提高封装后的矢量水听器的灵敏度，本文研究了基于MEMS的仿生矢量水听器的声学封装，重点研究它的基于隔振性能的结构设计和仿真，同时完成仿生矢量水声传感器封装工艺流程设计。

1　水听器隔振结构的设计与仿真

1.1水听器封装结构的设计

本文主要针对减少水听器核心器件以外的外界振动引起的干扰，从而提高其检测灵敏度，因此设计了一种新型减振器结构模型并利用ANSYS软件对其进行仿真。由于聚氨酯弹性体与水的声阻抗特性匹配好，且声衰减常数低，同时聚氨酯材料具有良好的粘接性能，低透水性及低吸水性，较好的耐油性以及良好的电绝缘性和耐霉菌性，故选择聚氨酯弹性体作为封装材料。

由于要封装的硅微矢量水听器的芯片的导电体是裸露的，而海水是导体，所以透声帽内介质不能是海水，必须是一种绝缘介质，同时为了保证刚硬柱体即仿生纤毛与水质点同振，所以选择与水密度接近而又绝缘的硅油，它和水无论是密度、波速还是特性阻抗都非常接近［7－8］。

纤毛式MEMS矢量水听器芯片的尺寸(表1)、样式图和压阻排布方式图如图1所示。透声帽结构如图2所示。

表1　水听器芯片的几何尺寸参数

图1　水听器芯片图

图2　透声帽简图

水听器封装结构如图3所示。水听器的工作过程为，当水听器仿生纤毛受到水中声波作用时，仿生纤毛会通过与之相连的中心连接体带动高精度敏感梁运动并产生形变，梁的形变会直接导致梁上压敏电阻阻值的变化，进而带来惠斯通电桥输出电压的变化，通过对电压信号的处理获得声场矢量信息［9］。

图3　水听器封装结构简图

1.2减振器的结构设计

根据隔振理论和芯片尺寸及封装尺寸，得到的减振器三维结构图如图4所示。将其工程尺寸设计为图5所示。

图4　减振器三维结构图

图5　减振器工程尺寸图

1.3减振器模型的仿真

本仿真采用Pro/E软件建立减震器传模型，然后导入ANSYS12.0用Workbench工具箱进行仿真，进行模态分析［10］。

模态分析可以使设计避开共振或使结构在某一指定的频率处振动(如扬声器)，使工程人员能够意识到对于不同的动力载荷，结构是如何进行响应的，对于其他动力学分析有助于求解控制参数的确定(时间步长等)。因为结构振动特性决定了其对于任何动力载荷的响应，所以在进行其他任何动力学分析之前，最好先进行模态分析。仿真结果如图6～图8所示。其中图6是ANSYS的结构模型和有限元网格划分模型，图7为模型在X方向的变形大小，图8为减振器的总体变形。

图6　结构模型和网格划分模型

图7　X方向变形大小

图8　减振器变形仿真图

模态分析主要有以下4个步骤:建立模型、加载求解、扩展模态、观察结果。在模态分析中，建模过程在Pro/E软件中完成，模型完成后直接导入ANSYS软件，然后进行下一步的分析。本分析采用ANSYS中的Workbench提取模态方法对减振器进行模态分析。

通过仿真结果的振型图7，可以看出:减振器在X方向变形很小，说明了减振器的减振效果良好，从而保证了水听器的正常工作。

2　纤毛式MEMS矢量水听器的封装工艺和测试

纤毛式MEMS矢量水听器的封装工艺主要包括聚氨酯橡胶帽的灌封、减振器的制作与连接、封装外壳的设计与制作、电缆的密封、以及整体仿生封装技术［11－12］。本文就上述内容的关键封装技术进行设计，并制作出纤毛式MEMS矢量水听器的封装模型样机。之后，对制作出的纤毛式MEMS矢量水听器样机进行实验测试，对测试结果进行分析并得出结论。

2.1聚氨酯橡胶帽的加工工艺

针对纤毛式MEMS矢量水听器芯片的特点，对聚氨酯帽的制作，本文采用的灌注工艺如下:

(1)根据透声帽的参数，利用透声帽的加工模具结构加工透声帽。图9为加工好的机械加工出的模具实物图。

图9　透声帽模具实物图

(2)按照图9所示，加工好模具并对模具进行清洁处理，将配好的脱膜剂(硅脂30%，甲苯70%)均匀地涂在模具相接触的内表面上，与传感器的封装壳及安装部件处不涂脱模剂，以防后续组装时产生隔层，粘接不牢。将模具安装好，放入高温烘箱中加热至900℃，保温1 h。

(3)将配制聚氨酯材料的两种组分按需要量称好，装入烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀后放到抽真空装置中抽真空约1.5 h左右，直至胶液中无气泡或仅有少数气泡为止，真空度要大于750 mmHg，此时便可以进行灌注了。

(4)灌封用的模具要事先用丙酮清洗干净。将所有可能漏胶的地方处理好，方可灌注。灌注时，将聚氨酯从模具上部开的注胶孔倒入，速度要慢，避免形成气泡，让其慢慢地从另一侧反升上来，这样可以避免将空气封闭在模具死角中。

(5)灌注胶液后，要及时将胶液中的气泡用细针挑出，大量的小气泡可以用热风机吹出，注意温度不可太高，以免表面硬结，灌注0.5 h以后，胶的流动性变差，此时不可再用此法清除气泡。

(6)灌注后加热至70℃保温4 h，之后升温至90℃保温2 h。加热的温度、时间与胶固化后的硬度有关。

(7)加热6 h后，断电，自然降温到室温，取出脱模。

2.2减振器的加工工艺

减振器的加工模具结构设计的具体步骤如下:

(1)加工好模具并对模具进行清洁处理，将配好的脱膜剂(硅脂30%，甲苯70%)均匀地涂在模具相互接触的内表面上。将模具安装好，放入高温烘箱中加热至900℃，保温1 h。

(2)将甲组分与乙组分按照1∶10的比例配置适量，用玻璃棒搅拌均匀后放到抽真空装置中抽真空约1.5 h左右，直至胶液中无气泡或仅有少数气泡为止，真空度要大于750 mmHg，此时即可进行灌注。

(3)然后进行一层一层进行灌注，要及时将胶液中的气泡用细针挑出。

(4)灌注好后，将模具放在电炉上加热待电炉丝完全变红后加热3 min，然后关掉电源保温，待电炉自然冷却至室温后将模具取下。

(5)取下模具后，利用刀片和酒精进行脱模。脱模时要小心，避免伤及减振器侧柱。加工出的减振器如图10所示。

图10　减振器实物图

2.3传感器封装外壳的设计与制作

传感器的封装外壳选择不锈钢材料，该材料不但具有良好的耐腐蚀特性，而且不易沾染水下污垢，适合水底下的长期测试。

本文设计的封装外壳各部分三维图和对应工程尺寸图如图11～图13所示。

封装外壳的上底座结构如下:

图11　上底座三维图和工程尺寸图

封装外壳的下底座结构如下:

图12　下底座三维图和工程尺寸图

封装外壳的内支座结构如下:

图13　内支座三维图和工程尺寸图

根据上述尺寸加工出金属封装外壳的各部分零件，其装配图如图14所示。

图14　纤毛式MEMS矢量水听器封装外壳零件装配简图

不加减振器的原有封装外壳如图15所示，加工出一组按照原有结构的水听器作为对照组，与本文所设计的新型封装结构一同进行实验，并将结果进行比较，从而探讨新结构的实用性及本文设计的减振器结构的可行性和功能性。

图15　原有封装外壳

封装后的传感器模型样机实物图如图16所示，其中1号为有本文所设计制作的减振器结构的水听器样机，2号为不加减振器的原有水听器结构。

图16　封装完成的水听器样机

2.4纤毛式MEMS矢量水听器的测试

将MEMS矢量水听器与信号源、示波器、驻波桶等设备连接好电路，如图17所示。将水听器固定在驻波桶装置上，调节在水深150 mm下进行水听器性能测试。信号源发出的一定频率的声音信号通过功率放大器放大后驱动声源发声，使得水池容器中被测仿生矢量水声传感器接收到声音信号，该两路声音信号通过放大滤波再放大之后输出。通过示波器记录仿生水声传感器输出端的电压。测试过程中注意要使发射器的声轴方向对准水声传感器。

图17　性能验证实验中仪器设备的连接框图

测试结果如图18所示。

图18　两组矢量水听器测试结果

分析图18的两组矢量水听器测试结果可以得出，1号水听器，即加入橡胶减振器的水听器结构，x通道波形最大，y通道波形最小，x通道与y通道波形相差大，而18(b)图中不加减振器的结构，x通道与y通道波形差异不明显，说明加入减振器的水听器对y路干扰信号进行了隔离处理，这就说明橡胶减振器确实起到了减振作用。这一实验结果与前文的仿真结果一致，证明了本文所设计的橡胶减振结构具有一定的减振效果，隔离了一定程度的核心器件以外的外界振动干扰，提高了原有封装结构矢量水听器的探测灵敏度。通过本文一系列工作，再次验证了硅微MEMS仿生矢量水声传感器不但体积小、质量轻、结构简单，而且具有低频灵敏度高等优点。

3　结论

本文针对纤毛式MEMS矢量水听器芯片的封装及自行设计的减振器结构的隔振性进行了研究。依据仿生学原理、声波在介质中的传播规律及声学封装材料特点，建立了封装模型并利用有限元软件ANSYS12.0进行力学仿真，通过仿真对比期望得到具有低衰减，低渗水的封装方式。实验结果表明，本文所设计的新型橡胶减振结构具有一定的减振效果，隔离了一定程度的核心器件以外的外界振动干扰，提高了原有封装结构矢量水听器的探测灵敏度。通过本文一系列工作，再次验证了硅微MEMS仿生矢量水声传感器不但体积小、质量轻、结构简单，而且具有低频灵敏度高等优点。

参考文献:

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杨江涛(1988－)，男，汉族，山西运城人，硕士研究生，研究方向为惯性测试技术及控制;

马喜宏(1964－)，女，汉族，山西大同人，优异级高级工程师，硕士生导师，研究方向为微系统集成技术;

邬　琦(1989－)，女，汉族，山西大同人，硕士研究生，研究方向为计算机仿真与图形图像处理，wuqi6567@163.com。

Power Spectral Entropy Based Spectrum Sensing in Cognitive Radio*

GAO Yan1，2，HU Guobing1，3*，ZHANG Zhaofeng1，JIN Ming1，TANG Yan1
(1.School of Electronic Information，Nanjing College of Information Technology，Nanjing 210023，China; 2.School of Engineering，University of Warwick，Coventry，CV4 7AL，United Kingdom; 3.College of Computer and Information Science，HoHai University，Nanjing 210098，China)

Abstract:A spectrum sensing method based on power spectral entropy is proposed at low signal-to-noise ratio (SNR) in Cognitive Radio(CR).By analysis of differences of power spectral entropy between presence and absence of the signals of primary users(PU)，power spectral entropy is employed as a test statistic，and the threshold is determined to sense the available spectrum for primary users.Simulation results show that the proposed method can be used for spectrum sensing of common modulation signals at low signal-to-noise ratio and without a priori knowledge for the signals.In addition，compared with spectrum sensing method based on fractal box dimension，the proposed method has 8 dB detection performance improvement.

Key words:cognitive radio; spectrum sensing; power spectral entropy; noise uncertainty; Discrete Fourier Transform (DFT)

中图分类号:TB565.1

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015) 03－ 0499－07

收稿日期:2014－07－21修改日期:2014－08－24

doi:EEACC:7210X10.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.007