MEMS仿生矢量水聽器封裝結(jié)構(gòu)的隔振研究

楊江濤，馬喜宏*，鄔　琦

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051; 2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051; 3.中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，太原030051)

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MEMS仿生矢量水聽器封裝結(jié)構(gòu)的隔振研究

楊江濤1，2，馬喜宏1，2*，鄔琦3

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051; 2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051; 3.中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，太原030051)

摘要:利用隔振原理，設(shè)計(jì)了矢量水聲傳感器系統(tǒng)中一種新型隔振封裝結(jié)構(gòu)模型，即加入橡膠減振器的新型封裝結(jié)構(gòu)。采用ANSYS軟件對(duì)封裝模型進(jìn)行模態(tài)分析，研究模型結(jié)構(gòu)和幾何尺寸對(duì)其隔振性能的影響，確定最優(yōu)隔振封裝結(jié)構(gòu);對(duì)模型的幾何尺寸及橡膠隔震材料力學(xué)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化模型的隔振性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試和評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的新型橡膠減振結(jié)構(gòu)具有一定的減振效果，隔離了一定程度的核心器件以外的外界振動(dòng)干擾，提高了原有封裝結(jié)構(gòu)矢量水聽器的探測靈敏度。再次驗(yàn)證了硅微MEMS仿生矢量水聲傳感器不但體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單，而且具有低頻靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:MEMS仿生矢量水聽器;有限元分析;減振器;封裝

海洋蘊(yùn)藏著豐富的生物和礦藏資源，海洋資源的探測和開發(fā)，日益受到世界各國的重視，人們開始越來越重視水下通信系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［1］。近年來，由于軍事和海洋開發(fā)的要求，電磁波在水中傳播時(shí)衰減嚴(yán)重，而聲波是人類迄今為止已知的唯一能在水中遠(yuǎn)距離傳播的能量形式，所以在海洋中，檢測、通信、定位和導(dǎo)航主要利用聲波［2－3］。隨著水聲技術(shù)的不斷發(fā)展，技術(shù)需求越來越多，在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測、識(shí)別、低頻檢測等方面顯得日益重要，同時(shí)，隨著目標(biāo)信號(hào)的減弱，高靈敏度檢測問題也變得非常迫切［4］。目前對(duì)矢量水聲傳感器來說急需解決的幾個(gè)問題是:(1)高靈敏度問題; (2)甚低頻檢測問題; (3)矢量水聲傳感器的小型化問題; (4)抗噪聲干擾問題等［5－6］。

為了進(jìn)一步提高封裝后的矢量水聽器的靈敏度，本文研究了基于MEMS的仿生矢量水聽器的聲學(xué)封裝，重點(diǎn)研究它的基于隔振性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真，同時(shí)完成仿生矢量水聲傳感器封裝工藝流程設(shè)計(jì)。

1　水聽器隔振結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真

1.1水聽器封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文主要針對(duì)減少水聽器核心器件以外的外界振動(dòng)引起的干擾，從而提高其檢測靈敏度，因此設(shè)計(jì)了一種新型減振器結(jié)構(gòu)模型并利用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行仿真。由于聚氨酯彈性體與水的聲阻抗特性匹配好，且聲衰減常數(shù)低，同時(shí)聚氨酯材料具有良好的粘接性能，低透水性及低吸水性，較好的耐油性以及良好的電絕緣性和耐霉菌性，故選擇聚氨酯彈性體作為封裝材料。

由于要封裝的硅微矢量水聽器的芯片的導(dǎo)電體是裸露的，而海水是導(dǎo)體，所以透聲帽內(nèi)介質(zhì)不能是海水，必須是一種絕緣介質(zhì)，同時(shí)為了保證剛硬柱體即仿生纖毛與水質(zhì)點(diǎn)同振，所以選擇與水密度接近而又絕緣的硅油，它和水無論是密度、波速還是特性阻抗都非常接近［7－8］。

纖毛式MEMS矢量水聽器芯片的尺寸(表1)、樣式圖和壓阻排布方式圖如圖1所示。透聲帽結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1　水聽器芯片的幾何尺寸參數(shù)

圖1　水聽器芯片圖

圖2　透聲帽簡圖

水聽器封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。水聽器的工作過程為，當(dāng)水聽器仿生纖毛受到水中聲波作用時(shí)，仿生纖毛會(huì)通過與之相連的中心連接體帶動(dòng)高精度敏感梁運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生形變，梁的形變會(huì)直接導(dǎo)致梁上壓敏電阻阻值的變化，進(jìn)而帶來惠斯通電橋輸出電壓的變化，通過對(duì)電壓信號(hào)的處理獲得聲場矢量信息［9］。

圖3　水聽器封裝結(jié)構(gòu)簡圖

1.2減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)隔振理論和芯片尺寸及封裝尺寸，得到的減振器三維結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。將其工程尺寸設(shè)計(jì)為圖5所示。

圖4　減振器三維結(jié)構(gòu)圖

圖5　減振器工程尺寸圖

1.3減振器模型的仿真

本仿真采用Pro/E軟件建立減震器傳模型，然后導(dǎo)入ANSYS12.0用Workbench工具箱進(jìn)行仿真，進(jìn)行模態(tài)分析［10］。

模態(tài)分析可以使設(shè)計(jì)避開共振或使結(jié)構(gòu)在某一指定的頻率處振動(dòng)(如揚(yáng)聲器)，使工程人員能夠意識(shí)到對(duì)于不同的動(dòng)力載荷，結(jié)構(gòu)是如何進(jìn)行響應(yīng)的，對(duì)于其他動(dòng)力學(xué)分析有助于求解控制參數(shù)的確定(時(shí)間步長等)。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)振動(dòng)特性決定了其對(duì)于任何動(dòng)力載荷的響應(yīng)，所以在進(jìn)行其他任何動(dòng)力學(xué)分析之前，最好先進(jìn)行模態(tài)分析。仿真結(jié)果如圖6～圖8所示。其中圖6是ANSYS的結(jié)構(gòu)模型和有限元網(wǎng)格劃分模型，圖7為模型在X方向的變形大小，圖8為減振器的總體變形。

圖6　結(jié)構(gòu)模型和網(wǎng)格劃分模型

圖7　X方向變形大小

圖8　減振器變形仿真圖

模態(tài)分析主要有以下4個(gè)步驟:建立模型、加載求解、擴(kuò)展模態(tài)、觀察結(jié)果。在模態(tài)分析中，建模過程在Pro/E軟件中完成，模型完成后直接導(dǎo)入ANSYS軟件，然后進(jìn)行下一步的分析。本分析采用ANSYS中的Workbench提取模態(tài)方法對(duì)減振器進(jìn)行模態(tài)分析。

通過仿真結(jié)果的振型圖7，可以看出:減振器在X方向變形很小，說明了減振器的減振效果良好，從而保證了水聽器的正常工作。

2　纖毛式MEMS矢量水聽器的封裝工藝和測試

纖毛式MEMS矢量水聽器的封裝工藝主要包括聚氨酯橡膠帽的灌封、減振器的制作與連接、封裝外殼的設(shè)計(jì)與制作、電纜的密封、以及整體仿生封裝技術(shù)［11－12］。本文就上述內(nèi)容的關(guān)鍵封裝技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并制作出纖毛式MEMS矢量水聽器的封裝模型樣機(jī)。之后，對(duì)制作出的纖毛式MEMS矢量水聽器樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行分析并得出結(jié)論。

2.1聚氨酯橡膠帽的加工工藝

針對(duì)纖毛式MEMS矢量水聽器芯片的特點(diǎn)，對(duì)聚氨酯帽的制作，本文采用的灌注工藝如下:

(1)根據(jù)透聲帽的參數(shù)，利用透聲帽的加工模具結(jié)構(gòu)加工透聲帽。圖9為加工好的機(jī)械加工出的模具實(shí)物圖。

圖9　透聲帽模具實(shí)物圖

(2)按照圖9所示，加工好模具并對(duì)模具進(jìn)行清潔處理，將配好的脫膜劑(硅脂30%，甲苯70%)均勻地涂在模具相接觸的內(nèi)表面上，與傳感器的封裝殼及安裝部件處不涂脫模劑，以防后續(xù)組裝時(shí)產(chǎn)生隔層，粘接不牢。將模具安裝好，放入高溫烘箱中加熱至900℃，保溫1 h。

(3)將配制聚氨酯材料的兩種組分按需要量稱好，裝入燒杯中，用玻璃棒攪拌均勻后放到抽真空裝置中抽真空約1.5 h左右，直至膠液中無氣泡或僅有少數(shù)氣泡為止，真空度要大于750 mmHg，此時(shí)便可以進(jìn)行灌注了。

(4)灌封用的模具要事先用丙酮清洗干凈。將所有可能漏膠的地方處理好，方可灌注。灌注時(shí)，將聚氨酯從模具上部開的注膠孔倒入，速度要慢，避免形成氣泡，讓其慢慢地從另一側(cè)反升上來，這樣可以避免將空氣封閉在模具死角中。

(5)灌注膠液后，要及時(shí)將膠液中的氣泡用細(xì)針挑出，大量的小氣泡可以用熱風(fēng)機(jī)吹出，注意溫度不可太高，以免表面硬結(jié)，灌注0.5 h以后，膠的流動(dòng)性變差，此時(shí)不可再用此法清除氣泡。

(6)灌注后加熱至70℃保溫4 h，之后升溫至90℃保溫2 h。加熱的溫度、時(shí)間與膠固化后的硬度有關(guān)。

(7)加熱6 h后，斷電，自然降溫到室溫，取出脫模。

2.2減振器的加工工藝

減振器的加工模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體步驟如下:

(1)加工好模具并對(duì)模具進(jìn)行清潔處理，將配好的脫膜劑(硅脂30%，甲苯70%)均勻地涂在模具相互接觸的內(nèi)表面上。將模具安裝好，放入高溫烘箱中加熱至900℃，保溫1 h。

(2)將甲組分與乙組分按照1∶10的比例配置適量，用玻璃棒攪拌均勻后放到抽真空裝置中抽真空約1.5 h左右，直至膠液中無氣泡或僅有少數(shù)氣泡為止，真空度要大于750 mmHg，此時(shí)即可進(jìn)行灌注。

(3)然后進(jìn)行一層一層進(jìn)行灌注，要及時(shí)將膠液中的氣泡用細(xì)針挑出。

(4)灌注好后，將模具放在電爐上加熱待電爐絲完全變紅后加熱3 min，然后關(guān)掉電源保溫，待電爐自然冷卻至室溫后將模具取下。

(5)取下模具后，利用刀片和酒精進(jìn)行脫模。脫模時(shí)要小心，避免傷及減振器側(cè)柱。加工出的減振器如圖10所示。

圖10　減振器實(shí)物圖

2.3傳感器封裝外殼的設(shè)計(jì)與制作

傳感器的封裝外殼選擇不銹鋼材料，該材料不但具有良好的耐腐蝕特性，而且不易沾染水下污垢，適合水底下的長期測試。

本文設(shè)計(jì)的封裝外殼各部分三維圖和對(duì)應(yīng)工程尺寸圖如圖11～圖13所示。

封裝外殼的上底座結(jié)構(gòu)如下:

圖11　上底座三維圖和工程尺寸圖

封裝外殼的下底座結(jié)構(gòu)如下:

圖12　下底座三維圖和工程尺寸圖

封裝外殼的內(nèi)支座結(jié)構(gòu)如下:

圖13　內(nèi)支座三維圖和工程尺寸圖

根據(jù)上述尺寸加工出金屬封裝外殼的各部分零件，其裝配圖如圖14所示。

圖14　纖毛式MEMS矢量水聽器封裝外殼零件裝配簡圖

不加減振器的原有封裝外殼如圖15所示，加工出一組按照原有結(jié)構(gòu)的水聽器作為對(duì)照組，與本文所設(shè)計(jì)的新型封裝結(jié)構(gòu)一同進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將結(jié)果進(jìn)行比較，從而探討新結(jié)構(gòu)的實(shí)用性及本文設(shè)計(jì)的減振器結(jié)構(gòu)的可行性和功能性。

圖15　原有封裝外殼

封裝后的傳感器模型樣機(jī)實(shí)物圖如圖16所示，其中1號(hào)為有本文所設(shè)計(jì)制作的減振器結(jié)構(gòu)的水聽器樣機(jī)，2號(hào)為不加減振器的原有水聽器結(jié)構(gòu)。

圖16　封裝完成的水聽器樣機(jī)

2.4纖毛式MEMS矢量水聽器的測試

將MEMS矢量水聽器與信號(hào)源、示波器、駐波桶等設(shè)備連接好電路，如圖17所示。將水聽器固定在駐波桶裝置上，調(diào)節(jié)在水深150 mm下進(jìn)行水聽器性能測試。信號(hào)源發(fā)出的一定頻率的聲音信號(hào)通過功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)聲源發(fā)聲，使得水池容器中被測仿生矢量水聲傳感器接收到聲音信號(hào)，該兩路聲音信號(hào)通過放大濾波再放大之后輸出。通過示波器記錄仿生水聲傳感器輸出端的電壓。測試過程中注意要使發(fā)射器的聲軸方向?qū)?zhǔn)水聲傳感器。

圖17　性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中儀器設(shè)備的連接框圖

測試結(jié)果如圖18所示。

圖18　兩組矢量水聽器測試結(jié)果

分析圖18的兩組矢量水聽器測試結(jié)果可以得出，1號(hào)水聽器，即加入橡膠減振器的水聽器結(jié)構(gòu)，x通道波形最大，y通道波形最小，x通道與y通道波形相差大，而18(b)圖中不加減振器的結(jié)構(gòu)，x通道與y通道波形差異不明顯，說明加入減振器的水聽器對(duì)y路干擾信號(hào)進(jìn)行了隔離處理，這就說明橡膠減振器確實(shí)起到了減振作用。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前文的仿真結(jié)果一致，證明了本文所設(shè)計(jì)的橡膠減振結(jié)構(gòu)具有一定的減振效果，隔離了一定程度的核心器件以外的外界振動(dòng)干擾，提高了原有封裝結(jié)構(gòu)矢量水聽器的探測靈敏度。通過本文一系列工作，再次驗(yàn)證了硅微MEMS仿生矢量水聲傳感器不但體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單，而且具有低頻靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

3　結(jié)論

本文針對(duì)纖毛式MEMS矢量水聽器芯片的封裝及自行設(shè)計(jì)的減振器結(jié)構(gòu)的隔振性進(jìn)行了研究。依據(jù)仿生學(xué)原理、聲波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律及聲學(xué)封裝材料特點(diǎn)，建立了封裝模型并利用有限元軟件ANSYS12.0進(jìn)行力學(xué)仿真，通過仿真對(duì)比期望得到具有低衰減，低滲水的封裝方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的新型橡膠減振結(jié)構(gòu)具有一定的減振效果，隔離了一定程度的核心器件以外的外界振動(dòng)干擾，提高了原有封裝結(jié)構(gòu)矢量水聽器的探測靈敏度。通過本文一系列工作，再次驗(yàn)證了硅微MEMS仿生矢量水聲傳感器不但體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單，而且具有低頻靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn):

［1］李振，張國軍，薛晨陽，等.MEMS仿生矢量水聽器封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26(1) :25－30.

［2］Izadi N，de Boer M J，Berenschot J W，et al.Fabrication of Dense Flow Sensor Arrays on Flexible Membranes［C］/ /The 15th International Conference on Solid State Sensors，Actuators，and Microsystems.Denver，USA，2009:1075－1078.

［3］Chen N，Chen J，Engel J，et al.Development and Characterization of High Sensitivity Bioinspired Artificial Haircell Sensor［C］/ /The 12th International Conference on Solid State Sensors，Actuators，and Microsystems.Hilton Head Island，USA，2006:218－221.

［4］謝斌，薛晨陽，張文棟，等.硅微仿生矢量水聲傳感器研制［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19(5) :2300－2303.

［5］陳尚，薛晨陽，張斌珍，等.硅微矢量水聲傳感器的封裝及測試方法研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29(5) :493－498.

［6］陳桂英，張國軍，劉林仙.基于MEMS仿生矢量水聽器的水聲定向研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(6) :15－17.

［7］薛晨陽，陳尚，張文棟，等.基于量子阱薄膜的納機(jī)電矢量水聽器設(shè)計(jì)［J］.功能材料與器件學(xué)報(bào)，2008，14(1) :84－88.

［8］張國軍，陳尚，薛晨陽，等.纖毛式MEMS矢量水聲傳感器的仿生組裝［J］.納米技術(shù)與精密工程，2009，7(3) :221－227.

［9］陳尚，薛晨陽，張斌珍，等.一種新型的MEMS單矢量水聽器研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2008，29(6) :673－677.

［10］劉林仙，張國軍，張文棟.MEMS仿生矢量水聽器優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.納米技術(shù)及精密工程，2013，11(2) :159－163.

［11］Krijnen G J M，Dijkstra M，van Baar J J，et al.MEMS Based Hair Flowsensors as Model Systems for Acoustic Perception Studies［J］.Nanotechnology，2006，17(4) :84－89.

［12］Xue Chenyang，Chen Shang，Zhang Wendong，et al.Design，F(xiàn)abrication，and Preliminary Characterization of a Novel MEMS Bionic Vector Hydrophone［J］.Microelectronics Journal，2007，38:1021－1026.

楊江濤(1988－)，男，漢族，山西運(yùn)城人，碩士研究生，研究方向?yàn)閼T性測試技術(shù)及控制;

馬喜宏(1964－)，女，漢族，山西大同人，優(yōu)異級(jí)高級(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲⑾到y(tǒng)集成技術(shù);

鄔　琦(1989－)，女，漢族，山西大同人，碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真與圖形圖像處理，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)

中圖分類號(hào):TB565.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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