基于HTCC電路的MEMS復(fù)合同振型水聽器設(shè)計

張 松，董自強(qiáng)，胡天宇，苗 峻，李 旭，朱 林，唐立赫，張曉桐，王大宇

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

同振型水聽器是一種應(yīng)用廣泛的矢量水聽器，能夠同時拾取聲場的標(biāo)量信息和質(zhì)點(diǎn)振速信息，提高對水下目標(biāo)的定位能力。傳統(tǒng)同振型水聽器一般采用正交安裝加速度計的方法來實(shí)現(xiàn)，一致性較差。將MEMS技術(shù)與傳統(tǒng)水聽器技術(shù)結(jié)合，研制出的MEMS矢量水聽器具有體積小、成本低和一致性好等特點(diǎn)，已成為近年來水聲領(lǐng)域的新熱點(diǎn)之一[1-4]。

隨著水下目標(biāo)輻射噪聲的不斷降低，對MEMS矢量水聽器感知水下微弱聲信號的能力提出新挑戰(zhàn)[3-4]。目標(biāo)信號中往往摻雜耦合進(jìn)入的干擾，初始信噪比較低。將調(diào)理電路內(nèi)嵌到水聽器內(nèi)部，可有效降低電路噪聲，提高信噪比。但由于MEMS水聽器內(nèi)部空間較小，限制了傳統(tǒng)電路的內(nèi)嵌使用。

針對以上問題，本文以MEMS矢量水聽器芯片為基礎(chǔ)，結(jié)合壓電陶瓷環(huán)，基于高溫共燒陶瓷(HTCC)技術(shù)實(shí)現(xiàn)水聽器調(diào)理電路的集成與內(nèi)嵌，提高了水聽器的定位能力和信噪比，并通過駐波管測試初步驗(yàn)證了該矢量水聽器的優(yōu)越性能，為進(jìn)一步工程應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

1 MEMS復(fù)合同振型水聽器

MEMS復(fù)合同振型矢量水聽器由MEMS二維四梁水聽器芯片和壓電陶瓷環(huán)組合而成，包含X、Y和P三路信號輸出，對聲場質(zhì)點(diǎn)的矢量信息和標(biāo)量信息進(jìn)行同步檢測，實(shí)現(xiàn)水聲目標(biāo)信號的探測和定位。其中，X，Y兩路為矢量振速輸出通道，P路為標(biāo)量聲壓輸出通道。該水聽器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MEMS矢量水聽器結(jié)構(gòu)

1.1 MEMS振速芯片設(shè)計

MEMS同振式矢量水聽器的振速通道以SOI硅片為基礎(chǔ)，采用標(biāo)準(zhǔn)MEMS微加工工藝制作而成，結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，主要包括十字梁、固定在十字梁中心的剛性柱體和壓敏電阻構(gòu)成的惠斯通電橋。

圖2 MEMS矢量水聽器振速芯片示意

壓敏電阻位于十字梁根部，通過擴(kuò)散工藝加工而成，8個壓敏電阻阻值相同，其中R1～R4連接成一個惠斯通電橋，R5～R8連接成另一個惠斯通電橋[5-8]。由分析可知，十字梁根部附近的應(yīng)力變化與其端部的應(yīng)力變化趨勢相反，即其中一個是拉應(yīng)力時，另一個必為壓應(yīng)力。根據(jù)惠斯通電橋的原理可知，此時X方向和Y方向的電阻可以分別連成2個全橋結(jié)構(gòu)。當(dāng)有聲信號傳遞給水聽器時，水聽器會隨著聲場質(zhì)點(diǎn)振動產(chǎn)生運(yùn)動，驅(qū)動十字梁上柱體發(fā)生擺動，敏感柱體的擺動在十字梁結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生應(yīng)力變化，梁上的壓敏電阻阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過信號提取電路的電壓輸出反應(yīng)壓敏電阻的阻值變化，實(shí)現(xiàn)聲信號的矢量探測。

惠斯通電橋電壓輸出表示為：

當(dāng)注入電阻阻值一致時，即R1=R2=R3=R4=R，ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR，ΔR<

MEMS傳感器微結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布與敏感柱的高度及敏感梁的長度、寬度和厚度密切相關(guān)，而與輸入信號的特性無關(guān)。為了研究微結(jié)構(gòu)的諧振頻率特性，分析矢量水聽器的頻響范圍，確定其敏感寬帶，需要對其進(jìn)行動態(tài)分析。

振速芯片諧振頻率表示為：

(1)

式中，Hv為敏感柱高度；m1為敏感柱和敏感梁結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量；E為楊氏模量；K為敏感柱和敏感梁結(jié)構(gòu)的等效剛度；w1為梁寬；t為梁厚；l為敏感梁梁長。由式(1)可以看出，傳感器仿生微結(jié)構(gòu)的諧振頻率與剛性柱體的高度成反比，與1/4敏感梁的長度成反比，與敏感梁的寬度和厚度均成正比。

振速芯片的靈敏度依賴于梁上應(yīng)力的變化，即應(yīng)力變化越大，靈敏度越高，但通過計算可得梁上應(yīng)力與諧振頻率在結(jié)構(gòu)參數(shù)上存在矛盾，而實(shí)際希望的設(shè)計效果是既有一個高的靈敏度，又有一個寬的工作頻帶，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要綜合考慮各種因素來獲得一個最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

其中，芯片結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)為：敏感梁的寬度和厚度；敏感柱的直徑和長度。這4個參數(shù)是影響芯片特性的關(guān)鍵因素，影響芯片的靈敏度和諧振頻率。綜合仿真和測試結(jié)果，選取梁和柱體的參數(shù)如表1所示。

表1 十字梁和敏感柱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù) μm

為了在不改變頻帶寬度的情況下，提高靈敏度，對十字梁進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計了應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)。通過在十字梁結(jié)構(gòu)根部刻蝕3個鏤空的洞，實(shí)現(xiàn)傳感器性能的優(yōu)化。在梁的兩端加上一些掏空的洞之后，傳感器的靈敏度有明顯的提高，同時傳感器結(jié)構(gòu)的特征頻率基本沒有發(fā)生改變，因此能夠在保證傳感器帶寬的前提下，有效提高傳感器的靈敏度。如圖3所示，應(yīng)力集中模型產(chǎn)生的應(yīng)力更大，導(dǎo)致電阻值變化也更大。

圖3 優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)—應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)設(shè)計

表2對比了在相同大小和方向的壓力下，應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)和普通結(jié)構(gòu)的輸出電阻值變化量，應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)的輸出電阻變化量更大，相比初始結(jié)構(gòu)的變化量提升了一個數(shù)量級，傳感器的靈敏度也得到提升。

表2 普通結(jié)構(gòu)和應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)壓敏阻值變化對比 Ω

1.2 聲壓通道設(shè)計

1.3 封裝設(shè)計

MEMS同振型水聽器芯片加工完成后，需對其進(jìn)行聲學(xué)封裝以防止浸入水中時壓敏電阻與水接觸造成短路，同時要求封裝材料對聲音的衰減小，封裝完成后的水聽器整體密度接近于水的密度。MEMS矢量水聽器振速芯片完成流片、切割和選片后，首先將其固定在專門的絕緣管殼中，通過金絲壓焊建立與外部的電連接關(guān)系。然后使用植柱設(shè)備將敏感柱體植入到十字梁中心，為保證芯片性能穩(wěn)定性和振速通道一致性，敏感柱體必須與十字梁嚴(yán)格垂直。植柱完成后，將絕緣管殼焊接在內(nèi)嵌的調(diào)理電路上，振速通道位于水聽器的中央部分，外部利用透聲帽進(jìn)行隔絕封裝。透聲帽采用高頻低衰減低滲水的有機(jī)玻璃材料制成，內(nèi)部填充空氣介質(zhì)。振速通道完成封裝后，將感知標(biāo)量信號的壓電陶瓷環(huán)固定在振速通道上面，壓電陶瓷環(huán)上下使用閉孔泡沫進(jìn)行填充固定。最后利用透聲材料聚氨酯橡膠對水聽器進(jìn)行整體灌封。聚氨酯材料具有良好的機(jī)械性能，低透水、耐海水腐蝕，同時具備良好的透聲性，既能防止海水的浸入和侵蝕，還有利于聲音信號的傳遞。

聲學(xué)理論研究表明，聲學(xué)器件的幾何尺寸如果遠(yuǎn)小于聲波波長，且KL<<1時(其中，K為波數(shù)，L為器件的最大幾何尺寸)，則柱體在聲波作用下作自由運(yùn)動時，其振動速度的幅值v與其周圍聲介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動幅值v0間的關(guān)系為：

式中，ρ0為介質(zhì)密度；ρ1為水聽器的平均密度。

計算可知，當(dāng)ρ1等于或接近ρ0時，其v與聲場中水聽器幾何中心處介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的v0相同或接近[9-12]。MEMS復(fù)合同振型矢量水聽器，底座采用輕質(zhì)尼龍材料，外部透聲材料采用聚氨酯材料借助模具灌注而成，灌封材料的密度為1.04 g/cm3，水聽器的平均密度約為1.4 g/cm3，滿足同振式水聽器的設(shè)計要求。

1.4 HTCC調(diào)理電路設(shè)計

由于MEMS矢量水聽器感知到的水下目標(biāo)信號十分微弱，一般只有幾毫伏到幾十毫伏。此外，水聽器檢測到的這些微弱信號中，除了有用信號還摻雜著外部環(huán)境耦合的干擾信號。當(dāng)水聽器的調(diào)理電路用來測量這些微弱信號時，初始信噪比很低，有時甚至無法區(qū)分干擾信號和有用信號。要解決這個問題，一方面需要提高水聽器的靈敏度，提高有用信號強(qiáng)度；另一方面就需要盡可能的減少干擾信號的產(chǎn)生，阻止干擾信號的耦合和進(jìn)入。這就要求信號調(diào)理電路具有較低的自噪聲和較高的抗干擾能力，不僅要盡量降低電路的本底噪聲，還要濾除輸入信號中的噪聲以及外界耦合進(jìn)來的噪聲。將調(diào)理電路內(nèi)嵌到水聽器內(nèi)部，可有效降低電路噪聲，提高信噪比。但是由于MEMS水聽器內(nèi)部空間較小，傳統(tǒng)的內(nèi)嵌電路體積較大，限制了MEMS內(nèi)嵌電路的使用。

多芯片組件(Multi-Chip Module，MCM)是在混合集成電路(HIC)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種微電子組裝技術(shù)。MCM在增加組裝密度、縮短互連長度、減少信號延遲、減小體積和提高可靠性等方面，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)[13-16]。本文采用HTCC技術(shù)進(jìn)行電路結(jié)構(gòu)設(shè)計制造，該結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫、壽命長及導(dǎo)熱性能良好等特點(diǎn)，不僅可以減小電路尺寸，還可以降低本底噪聲，提升電路抗干擾能力。信號調(diào)理電路最終設(shè)計4塊尺寸為20 mm×20 mm×2 mm的HTCC陶瓷基板，將4層陶瓷基板封裝集成后如圖4所示。

圖4 MEMS聲矢量傳感器實(shí)物圖

將信號調(diào)理電路制備成集成模塊，然后和傳感器一起整體封裝獲得一種帶低噪聲前放的MEMS水聽器，提高了MEMS水聽器的接收靈敏度，增加了對微弱信號的觀測能力，減少了電纜長度與環(huán)境噪聲對水聽器的影響，具有低頻、小體積、高靈敏度及抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)[17-18]。

2 測試結(jié)果

采用矢量水聽器的校準(zhǔn)裝置對矢量水聽器進(jìn)行測試，校準(zhǔn)裝置采用比較法，校準(zhǔn)的原理是將被測矢量水聽器與標(biāo)準(zhǔn)水聽器的輸出進(jìn)行比較得到被測矢量水聽器的靈敏度。由于本設(shè)計的水聽器為同振型，這就要求水聽器要以水介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)相同的幅度和相位作振蕩運(yùn)動，因此要用彈性懸掛的方法對水聽器進(jìn)行測試。圖5為矢量水聽器的頻響曲線和指向性測試結(jié)果圖。

圖5 水聽器振速通道與聲壓通道靈敏度響應(yīng)曲線

靈敏度校準(zhǔn)過程中，將待校準(zhǔn)水聽器的最大靈敏度輸出方向與駐波桶內(nèi)的聲波傳播方向平行，由圖5(a)可知該水聽器的振速通道靈敏度頻響曲線在頻帶范圍20 Hz～1 kHz內(nèi)基本滿足每倍頻程6 dB增加，在1 kHz處靈敏度達(dá)到-170.5 dB(0 dB=1 V/μPa)，工作頻段為10～1 000 Hz，指向性呈現(xiàn)“8 ”字形，對稱性好，且凹點(diǎn)深度為-40 dB@1 kHz。由圖5(b)可知該水聽器的聲壓通道靈敏度在頻帶范圍20 Hz～1 kHz內(nèi)基本呈現(xiàn)直線，在1 kHz處靈敏度為-174.7 dB(0 dB=1 V/μPa)，指向性呈現(xiàn)圓形。如圖6所示，采用HTCC內(nèi)嵌電路后，噪底明顯降低，信噪比提高了15 dB。

圖6 內(nèi)嵌電路與非內(nèi)嵌電路信噪比示意

3 結(jié)束語

MEMS矢量水聽器是水下探測領(lǐng)域中出現(xiàn)的新型設(shè)備，將矢量芯片與壓電陶瓷環(huán)相結(jié)合，能提高水聽器對目標(biāo)的定位能力。針對接收信號過程中容易受到環(huán)境噪聲的影響，本研究設(shè)計了HTCC內(nèi)嵌調(diào)理電路，實(shí)際測試結(jié)果表明針對10 Hz～1 kHz的微弱信號，內(nèi)嵌調(diào)理電路能夠有效地降低耦合噪聲，提高信噪比，便于后續(xù)進(jìn)行信號分析和處理。本文對于MEMS矢量水聽器和調(diào)理電路的研究，對于水下探測領(lǐng)域具有一定的借鑒意義。