基于Parylene 封裝的寬頻帶MEMS 矢量水聽(tīng)器*

王任鑫，劉 源，張國(guó)軍，劉 俊，薛晨陽(yáng)，張文棟

(1.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中北大學(xué)，山西 太原030051;2.電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中北大學(xué)，山西 太原030051)

0 引 言

海洋環(huán)境信息的準(zhǔn)確獲取是科學(xué)制定海洋發(fā)展戰(zhàn)略的重要保障。獲取海洋環(huán)境信息主要依靠各種聲納系統(tǒng)，而水聽(tīng)器作為聲納的核心器件，其性能直接影響聲納的探測(cè)距離與定位精度。國(guó)內(nèi)外研究小組提出了多種基于仿生纖毛的傳感器，如壓阻式三維力傳感器［1］、光電式觸覺(jué)傳感器［2］，由于不涉及水下應(yīng)用，所以，對(duì)封裝要求相對(duì)簡(jiǎn)單，采用聚氨酯封裝傳導(dǎo)壓力;還有高靈敏氣流傳感器［3］、寬頻帶氣流傳感器［4］，可以直接和被測(cè)媒介接觸。An T C 提出一種基于多壁碳納米管—聚吡咯涂敷的不銹鋼網(wǎng)格，由于其超疏水性(接觸角可達(dá)163°)，可以作為水下傳感器的防水絕緣材料［5］。但是，這種封裝方式會(huì)形成一個(gè)水—空氣界面，使得聲波透射系數(shù)極低，即使封裝能耐得住水壓，也不適用于水聽(tīng)器。Asadnia M 等人提出一種水下柔性壓電傳感器，利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和壓電陶瓷(PZT)薄膜形成敏感空腔，下層采用液晶聚合物，上層采用聚二甲基硅氧烷(poly-dimethylsiloxane，PDMS)封裝方式［6］;Yaul F M 同樣利用PDMS 空腔和彈性應(yīng)力計(jì)制備了一種水下柔性壓力傳感器，外層為PDMS 封裝［7］。然而，由于PDMS 抗?jié)B透性能不佳，不適合長(zhǎng)期水下工作，且PDMS 只能采用旋涂方式，不適合封裝有大臺(tái)階的器件。

南京理工大學(xué)Wang Hua 提出一種水下手指式力傳感器，采用一個(gè)小圓柱體作為力感知外層，應(yīng)力膜置于絕緣油中，通過(guò)圓柱體將壓力傳導(dǎo)至應(yīng)力膜［8］;文獻(xiàn)［9］中提出的MEMS 仿生矢量水聽(tīng)器封裝結(jié)構(gòu)，即將聲—電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)封裝在聚氨酯透聲帽內(nèi)，并在透聲帽中灌滿(mǎn)硅油。這種封裝方式基本解決了聲信號(hào)從水中傳遞到纖毛的難題，但也存在聲波能量損失較大的缺點(diǎn)，因?yàn)槁曇粜盘?hào)從水中傳遞給纖毛要經(jīng)過(guò)水—透聲帽—硅油3 層介質(zhì)。雖然在原則上盡量保證透聲帽、硅油與水的特性阻抗匹配，但由于透聲帽本身存在一個(gè)共振峰，位于5 Hz ～1 kHz 目標(biāo)頻帶范圍內(nèi)，導(dǎo)致水聽(tīng)器頻響失真，影響水聽(tīng)器的工作頻帶。

綜上所述，對(duì)于仿生纖毛式MEMS 矢量水聽(tīng)器，目前尚無(wú)理想適用的封裝方式，亟需研究和改進(jìn)。另一方面，Parylene 薄膜在傳感器封裝中有應(yīng)用潛力，然而，針對(duì)振動(dòng)式微傳感器的Parylene 薄膜封裝應(yīng)用研究很少，需深入探究。針對(duì)水下應(yīng)用的振動(dòng)式敏感結(jié)構(gòu)的絕緣封裝，本文提出一種新的高疏水Parylene 薄膜無(wú)透聲帽封裝矢量水聽(tīng)器，即利用Parylene 薄膜的淀積高保形性、低滲透性和高絕緣性，實(shí)現(xiàn)無(wú)透聲帽封裝，解決透聲帽帶來(lái)的聲信號(hào)衰減和共振峰引入問(wèn)題，提高水聽(tīng)器靈敏度和工作頻率。

1 水聽(tīng)器原理

現(xiàn)有國(guó)內(nèi)研制的壓阻式仿生MEMS 矢量水聽(tīng)器，具有較高的靈敏度、良好的低頻效應(yīng)和良好的“8”字余弦指向性［10］，芯片如圖1(a)，芯片結(jié)構(gòu)包括兩部分:高精度四梁—中心連接體微結(jié)構(gòu)和剛硬塑料柱體。將剛硬塑料柱體和力敏電阻器分別模仿成魚(yú)類(lèi)側(cè)線(xiàn)器官的可動(dòng)纖毛與感覺(jué)細(xì)胞。其中，剛硬塑料柱體固定于四梁—中心連接體的中央，力敏單元分別設(shè)置于四梁的邊緣處。在水下聲音信號(hào)的作用下，剛硬塑料柱體將隨其周?chē)乃橘|(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)。柱體將會(huì)將振動(dòng)信號(hào)傳遞給敏感結(jié)構(gòu)，使梁產(chǎn)生應(yīng)力變化，彈性梁上敏感結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能由力敏電阻器的阻值變化來(lái)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)水下平面內(nèi)聲信號(hào)的矢量探測(cè)。

圖1 MEMS 矢量水聽(tīng)器Fig 1 MEMS vector hydrophone

本文提出一種新的Parylene 薄膜無(wú)透聲帽封裝的矢量水聽(tīng)器，利用Parylene 薄膜的淀積，實(shí)現(xiàn)無(wú)透聲帽封裝，改善水聽(tīng)器工作頻率性能，如圖2 所示。Parylene 無(wú)透聲帽的封裝可以實(shí)現(xiàn)水聽(tīng)器敏感結(jié)構(gòu)直接在水中的影響，避免水聽(tīng)器透聲帽的共振峰引入，從而改善頻響性能。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證Parylene 封裝能夠提高頻帶，將進(jìn)行以下測(cè)試:振動(dòng)臺(tái)測(cè)共振峰，接收衰減曲線(xiàn)測(cè)共振峰，以及矢量水聽(tīng)器校準(zhǔn)裝置測(cè)頻率響應(yīng)曲線(xiàn)。

圖2 透聲帽封裝與Parylene 薄膜封裝對(duì)比示意圖Fig 2 Comparison diagram of sound-transparent cap and parylene thin film encapsulations

2.1 振動(dòng)臺(tái)測(cè)試

基于壓阻效應(yīng)的MEMS 矢量水聽(tīng)器本質(zhì)上是檢測(cè)聲場(chǎng)的振動(dòng)信號(hào)，并且基于慣性器件的原理。利用振動(dòng)臺(tái)可以測(cè)試MEMS 矢量水聽(tīng)器進(jìn)行頻率響應(yīng)曲線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中采用丹麥的B＆K 公司生產(chǎn)的8305 標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)，測(cè)試中將水聽(tīng)器的最大輸出方向垂直于振動(dòng)臺(tái)，如圖3 所示。測(cè)試曲線(xiàn)如圖4 所示。

圖3 振動(dòng)臺(tái)測(cè)試示意圖Fig 3 Diagram of vibration platform test

圖4 頻率響應(yīng)曲線(xiàn)Fig 4 Frequency response curve

從圖中可以看出:聚氨酯透聲帽的共振峰為790 Hz，而改進(jìn)后的Parylene 的共振峰為1 400 Hz。測(cè)試中由于透聲帽的共振峰測(cè)試時(shí)，透聲帽的外部為空氣，根據(jù)流固耦合原理，其峰值比實(shí)際應(yīng)用中大一些。實(shí)驗(yàn)中Parylene 無(wú)透聲帽的水聽(tīng)器的頻帶得到了拓寬。

2.2 阻尼法測(cè)試共振峰

為了進(jìn)一步驗(yàn)證水聽(tīng)器頻帶的拓寬，可以通過(guò)分析水聽(tīng)器衰減信號(hào)得到敏感結(jié)構(gòu)的共振峰。當(dāng)聲源發(fā)送一個(gè)正弦波，水聽(tīng)器接收到的衰減信號(hào)如圖5 所示。

阻尼曲線(xiàn)可以得到衰減信號(hào)的周期T=700 μs，從而求出敏感結(jié)構(gòu)的共振頻率:f=1/T=1 428.57 Hz。從而進(jìn)一步驗(yàn)證了Parylene 薄膜封裝的MEMS 矢量水聽(tīng)器的共振峰提高到了約1 400 Hz。

圖5 阻尼曲線(xiàn)Fig 5 Damping curve

2.3 矢量水聽(tīng)器校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證Parylene 薄膜封裝MEMS 水聽(tīng)器的性能，采用矢量水聽(tīng)器校準(zhǔn)裝置來(lái)測(cè)試MEMS 矢量水聽(tīng)器。靈敏度校準(zhǔn)測(cè)試采用比較法校準(zhǔn)，如圖6，即將測(cè)得信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的輸出進(jìn)行比較，得到被測(cè)MEMS 矢量水聽(tīng)器的聲壓靈敏度。桶中為駐波聲場(chǎng)，被測(cè)水聽(tīng)器的靈敏度S為

其中，UM與US分別為待校準(zhǔn)水聽(tīng)器和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的開(kāi)路電壓有效值，d 與d0為待校準(zhǔn)水聽(tīng)器與標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器到液面距離，k 為波數(shù)。

圖6 靈敏度校準(zhǔn)測(cè)試示意圖Fig 6 Diagram of sensitivity calibrating test

靈敏度測(cè)試曲線(xiàn)如圖7 所示，水聽(tīng)器的頻帶上限低于共振峰的2/3 頻程，從頻率響應(yīng)曲線(xiàn)上可以得出:聚氨酯封裝水聽(tīng)器工作頻帶上限約為300 Hz，而Parylene 封裝水聽(tīng)器工作頻帶上限超過(guò)了1000 Hz。結(jié)論和以上的實(shí)驗(yàn)一致。

圖7 靈敏度曲線(xiàn)Fig 7 Sensitivity curve

3 結(jié) 論

水聽(tīng)器的透聲帽對(duì)封裝水聽(tīng)器的性能影響很大，透聲帽共振峰嚴(yán)重影響水聽(tīng)器信號(hào)的接收。因此，本文提出了Parylene 薄膜封裝MEMS 矢量水聽(tīng)器，實(shí)現(xiàn)無(wú)透聲帽封裝，消除了透聲帽對(duì)水聲信號(hào)接收的影響，實(shí)驗(yàn)證實(shí):Parylene 薄膜封裝水聽(tīng)器的靈敏度與工作頻率得到了有效提高，其共振峰提高到了1400 Hz，頻帶可達(dá)1000 Hz。

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