纖毛—硅柱結(jié)構(gòu)MEMS二維矢量水聽器設(shè)計(jì)與制備方法*

苗晉威, 楊沙沙, 齊秉楠, 喬慶宇, 劉國昌, 王任鑫

(中北大學(xué) 省部共建動(dòng)態(tài)技術(shù)測試國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051)

0 引 言

近年來，隨著各國對(duì)海洋重視程度不斷提高，海洋探測作為海洋開發(fā)探索的必備手段也愈發(fā)顯得關(guān)鍵。將水聲技術(shù)與微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術(shù)完美融合，日趨成了水聲領(lǐng)域研究重點(diǎn)[1,2]。MEMS矢量水聽器通常被安裝在浮標(biāo)、魚雷、潛標(biāo)、無人潛航器(unmanned underwater vehicle,UUV)等水下浮動(dòng)載體上，但由于水下環(huán)境復(fù)雜，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、海浪、洋流的沖擊會(huì)使平臺(tái)振動(dòng)從而對(duì)水聽器造成干擾。目前水聽器抑制振動(dòng)噪聲的研究已經(jīng)持續(xù)多年。2012年，哈爾濱工程大學(xué)張俊等人研究了懸掛減振裝置對(duì)矢量水聽器性能的影響，證明了減振裝置的必要性[3]。2016年，中北大學(xué)王續(xù)博等人設(shè)計(jì)并制造了一種差分型矢量水聽器，將兩根纖毛對(duì)稱的置于中心質(zhì)量塊的上下兩端，使得水聽器有著更低的信噪比[4]。2017年，哈爾濱工程大學(xué)趙天吉等人提出了基于橡膠減振的單級(jí)和雙級(jí)減振系統(tǒng)來用作于水下質(zhì)點(diǎn)振速拾振器，實(shí)現(xiàn)了減振系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的抑制效果以及對(duì)拾振器性能的改善[5]。同年，謝攀等人設(shè)計(jì)了一種新型中心位置固定安裝懸掛系統(tǒng)的矢量水聽器，可將這種水聽器適用于小尺寸平臺(tái)[6]。2021年，中北大學(xué)楊溪等人提出了新型差分式MEMS矢量水聽器，將纖毛貫穿芯片中心并使上下纖毛相等，這種差分式結(jié)構(gòu)能夠有效減少振動(dòng)信號(hào)帶來的影響[7]。這些對(duì)水聽器的改進(jìn)都說明了抑制振動(dòng)信號(hào)對(duì)水聲探測效果提升非常關(guān)鍵。

為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高水聽器抑制振動(dòng)效果、一體化集成度以及便捷搭載方式，本文基于MEMS技術(shù)提出一種纖毛—硅柱結(jié)構(gòu)的MEMS矢量水聽器。與普通矢量水聽器相比，具有體積小、無須懸掛搭載、抑制振動(dòng)噪聲效果好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，本文提出一種可批量制作工藝，將硅柱利用深硅刻蝕工藝加工，能夠減少對(duì)準(zhǔn)精度誤差并且提高水聽器一致性。對(duì)該結(jié)構(gòu)的抑制振動(dòng)效果進(jìn)行了有限元仿真，結(jié)果表明纖毛—硅柱結(jié)構(gòu)能夠抑制振動(dòng)噪聲。

1 矢量水聽器工作原理

MEMS矢量水聽器是基于壓阻效應(yīng)的傳感器，纖毛—硅柱結(jié)構(gòu)二維矢量水聽器是在傳統(tǒng)水聽器的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)平衡塊，由十字梁、中心質(zhì)量塊、下方平衡塊、纖毛、壓敏電阻器和電氣連接組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

四梁上有壓敏電阻器和金屬引線組成的兩組惠斯通電橋，如圖2所示。水聽器接收到水聲信號(hào)時(shí)，纖毛會(huì)發(fā)生擺動(dòng)從而帶動(dòng)十字梁形變，十字梁上的壓敏電阻阻值隨即發(fā)生變化，利用惠斯通電橋把電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸出[8]。

圖2 壓敏電阻排布及惠斯通電橋

通常梁上應(yīng)力變化最大點(diǎn)是壓敏電阻器放置點(diǎn)。壓敏電阻值的變化和梁上應(yīng)力變化的關(guān)系如下

ΔR/R=π1σ1+π2σ2

(1)

式中 ΔR和R分別為壓敏電阻的電阻值和電阻值變化量。σ1和σ2分別為壓敏電阻受到的橫向應(yīng)力和縱向應(yīng)力，π1和π2分別為σ1和σ2所對(duì)應(yīng)的壓阻系數(shù)。

當(dāng)水聲信號(hào)被水聽器接收，梁被纖毛帶動(dòng)發(fā)生形變，電阻值改變后惠斯通電橋的X單路輸出為

(2)

式中Vin為輸入電壓，Voutx為輸出電壓。ΔR1～ΔR4分別為惠斯通電橋上壓敏電阻值的變化量。為了方便分析，設(shè)定梁上所有壓敏電阻阻值相同，梁上電阻受到的應(yīng)力基本相同，梁上四個(gè)電阻值變化量相等，所以上式可簡化為

(3)

式中R0為壓敏電阻的阻值。與X路相同，Y路信號(hào)也是通過這個(gè)原理將水聲信號(hào)輸出。

2 纖毛—硅柱二維矢量水聽器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

聲波信號(hào)作用于水聽器時(shí)，只有纖毛接收到了聲波信號(hào)。而振動(dòng)信號(hào)作用于水聽器時(shí)，纖毛和平衡塊都可以接收到振動(dòng)信號(hào)并且兩者對(duì)梁產(chǎn)生的形變能夠相互抵消，從而達(dá)到抑制振動(dòng)噪聲的效果。

當(dāng)水聽器受到振動(dòng)信號(hào)時(shí)，為了簡化分析，將纖毛、中心質(zhì)量塊上部分、中心質(zhì)量塊下部分、平衡塊和梁分別用字母A,B,C,D,E表示，如圖3所示。由于B和C被梁的中間平面均等分為對(duì)稱的兩塊，因此,B和C對(duì)E的彎矩大小相同方向相反可以完全抵消掉。下面僅需計(jì)算在振動(dòng)沖擊下A和D對(duì)E的彎矩。

圖3 水聽器結(jié)構(gòu)劃分示意

振動(dòng)信號(hào)fx作用在纖毛上對(duì)梁的彎矩Ma以及平衡塊上對(duì)梁的彎矩Mb為

(4)

(5)

可得出

Mc=Ma+Mb

(6)

其中，纖毛的高度、密度和半徑分別用H，ρa(bǔ)和R表示，平衡塊的厚度、密度和半徑分別用h，ρb和r表示。從式(6)可以看出，設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，能夠讓水聽器受到振動(dòng)噪聲干擾時(shí)進(jìn)行彎矩抵消，使得該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抑制振動(dòng)噪聲效果。

3 仿真分析

由于光敏樹脂密度與水相似，在測試中可以更好地探測水下聲源，因此，本文選擇光敏樹脂作為水下探測的纖毛，其他結(jié)構(gòu)選擇硅材料。通過COMSOL軟件對(duì)本文所設(shè)計(jì)的纖毛—硅柱結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真，包括靜態(tài)分析，水中模態(tài)分析以及諧響應(yīng)分析。為了簡化模型，用固定約束來取代外邊框，并結(jié)合實(shí)際工藝難度與設(shè)備條件，具體設(shè)計(jì)水聽器結(jié)構(gòu)參數(shù)：梁長L為1 200 μm,梁寬b為300 μm,梁厚t為15 μm,纖毛半徑R為200 μm,纖毛高度H為5 500 μm,平衡塊半徑r為1 150 μm,平衡塊厚度h為688 μm。材料參數(shù)如表1所示。

表1 所選用的材料特性

3.1 靜態(tài)分析

對(duì)纖毛—硅柱結(jié)構(gòu)的水聽器進(jìn)行靜態(tài)仿真，在纖毛上施加1 Pa壓力載荷，仿真結(jié)果如圖4，得出纖毛—硅柱結(jié)構(gòu)梁上表面最大應(yīng)力ρ1為8.92×104Pa。普通纖毛二維矢量水聽器靈敏度S0為-197 dB，梁上最大應(yīng)力ρ2為2.08×104Pa。通過比較標(biāo)定法公式S1=S0+20lg(ρ1/ρ2)[9]，計(jì)算得出纖毛—硅柱矢量水聽器靈敏度為-184.35 dB。

圖4 纖毛—硅柱水聽器應(yīng)力分布情況

對(duì)纖毛—硅柱結(jié)構(gòu)水聽器整體施加100gn載荷，得到靜力學(xué)仿真的位移圖與應(yīng)力云圖，如圖5所示。從圖中可以看出，此時(shí)水聽器表面最大應(yīng)力為1.65×106Pa，且出現(xiàn)在梁的兩端根部。硅的比例極限σp為1.7 GPa，許用應(yīng)力公式為σ=σp/n，依據(jù)結(jié)構(gòu)的可靠性、工作環(huán)境等因素考量，設(shè)定安全系數(shù)n=5，計(jì)算得出最大許用應(yīng)力為340×106Pa[10]。水聽器在100gn振動(dòng)載荷下的表面最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于硅的最大許用應(yīng)力，說明水聽器可以在100gn振動(dòng)載荷內(nèi)正常工作。

圖5 100 gn振動(dòng)下靜態(tài)力學(xué)分析

3.2 模態(tài)分析

為了定性分析纖毛—硅柱結(jié)構(gòu)水聽器在工程應(yīng)用中的可靠性，采取動(dòng)力學(xué)分析方法—模態(tài)分析來確定其固有頻率、模態(tài)振型等水聽器結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)態(tài)特性，從而避免水聽器在使用過程中因共振造成結(jié)構(gòu)損壞失效等問題[11]。利用COMSOL軟件對(duì)水聽器進(jìn)行模擬水下環(huán)境的模態(tài)分析，如圖6所示。水聽器的工作頻帶就是一階模態(tài)時(shí)的特征頻率，為1 010.9 Hz。

圖6 靜態(tài)力學(xué)分析

3.3 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析可以體現(xiàn)結(jié)構(gòu)在周期性載荷下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。把諧波擾動(dòng)施加到水聽器結(jié)構(gòu)上，可以獲得一條頻率與響應(yīng)值的曲線。由此可以確定所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)會(huì)不會(huì)受到共振及其他受迫振動(dòng)的影響[12]。對(duì)纖毛—硅柱結(jié)構(gòu)水聽器和普通水聽器輸入方向、大小相同的振動(dòng)信號(hào)，得到了關(guān)于最大應(yīng)力與頻率關(guān)系的曲線如圖7所示。從圖中可以看出，在20～1 000 Hz內(nèi)纖毛—硅柱結(jié)構(gòu)水聽器的最大應(yīng)力明顯小于普通水聽器結(jié)構(gòu)，由此可說明該結(jié)構(gòu)可以有效抑制振動(dòng)信號(hào)。

圖7 諧響應(yīng)仿真結(jié)果

4 制備工藝

結(jié)合尺寸參數(shù)以及對(duì)水聽器仿真分析，本文提出一種加工纖毛—硅柱結(jié)構(gòu)MEMS二維矢量水聽器的加工工藝流程，具體工藝如圖8所示。

圖8 工藝加工流程圖

如圖8(a)，選擇4in(1in=2.54 cm)、頂層硅340 nm,埋氧層3 μm,底層硅700 μm的SOI晶圓。對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝。如圖8(b)，通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)生長氧化硅來做阻擋層，阻止?jié)馀饠U(kuò)散時(shí)對(duì)非圖形區(qū)域的摻雜。如圖8(c)，光刻圖形化歐姆接觸區(qū)，用深反應(yīng)離子刻蝕(deep reactive ion etching,DRIE)機(jī)刻蝕圖形區(qū)氧化硅，用BOE溶液(緩沖氧化物刻蝕液)腐蝕歐姆接觸孔內(nèi)殘留以及硅表面自然生成的氧化硅，將光刻膠去除并清洗。如圖8(d)，二次標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝后，用氧化擴(kuò)散爐對(duì)晶圓進(jìn)行重?fù)诫s(濃硼擴(kuò)散)。如圖8(e)，使用BOE溶液(緩沖氧化物刻蝕液)去除濃硼擴(kuò)散的阻擋層氧化硅以及擴(kuò)散造成的硼硅玻璃。如圖8(f)，光刻圖形化方塊電阻區(qū)，用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)刻蝕出方塊電阻形狀直到埋氧層，去膠并清洗。如圖8(g)，通過磁控濺射的方法濺射金屬鋁，光刻圖形化金屬引線。用磷酸溶液完成對(duì)多余金屬的腐蝕，此時(shí)光刻膠作為金屬引線的保護(hù)層。金屬引線腐蝕完成之后，將光刻膠去除。再用真空爐管退火爐進(jìn)行退火處理，使得金屬與半導(dǎo)體形成歐姆接觸，實(shí)現(xiàn)壓敏電阻的導(dǎo)通。如圖8(h)，光刻圖形化正面十字梁，利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)完全刻穿埋氧化層，接著用深硅刻蝕機(jī)(DRIE)刻蝕部分底層硅。如圖8(i)，這一步光刻在晶圓的背面，需要與正面圖形進(jìn)行雙面對(duì)準(zhǔn)。光刻圖形化背腔貫穿區(qū)，用DRIE機(jī)刻蝕硅，完成背面與正面的貫穿，釋放十字梁以及平衡塊。

5 結(jié) 論

本文提出一種纖毛—硅柱結(jié)構(gòu)MEMS矢量水聽器，通過實(shí)現(xiàn)纖毛和硅柱的力矩平衡來達(dá)到抑制振動(dòng)噪聲的效果，并針對(duì)硅柱與水聽器的一體化集成設(shè)計(jì)了基于MEMS的批量制造工藝。通過COMSOL有限元軟件仿真纖毛—硅柱結(jié)構(gòu)矢量水聽器靈敏度為-184.35 dB，水聽器可以在0～100gn振動(dòng)載荷下正常工作。利用理論公式分析加上諧響應(yīng)仿真驗(yàn)證了纖毛—硅柱結(jié)構(gòu)可以在20～1 000 Hz內(nèi)有效抑制振動(dòng)噪聲，并驗(yàn)證了這種抑制振動(dòng)能力。與普通矢量水聽器相比，設(shè)計(jì)的纖毛—硅柱矢量水聽器具有靈敏度高、抗振動(dòng)信號(hào)干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。