MEMS水聽器國內研究現狀與未來技術發(fā)展

丁 然,唐 潔,趙珍陽,范茂軍

(1.工業(yè)和信息化部第四電子研究院,北京 100007； 2.北京航空航天大學,北京 100083；3.山東省東儀光電有限公司,山東 煙臺 264000； 4.中國電子科技集團公司第三研究所,北京 100015)

0 引 言

眾所周知，世界上海洋面積遠超陸地面積,海洋中最重要的信息是水聲信息。目前主要是利用壓電材料和光纖材料對水聲信息的敏感特性來獲取水聲信息。隨著微電子制造技術的快速發(fā)展，微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical systems，MEMS)技術與互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)的快速融合，使人們看到此類技術從陸地到太空有了巨大的進步，使人們對這種技術應用于海洋增強了信心。

水下聲信息的傳播與地面?zhèn)鞑ビ兴煌?，主要差別是：水聲在海中傳播會受到海水的分層效應和海底及海面的影響，特別是無線電信號和光信號都無法在較深的海水中使用,只能采取聲信號的傳播來實現水下信息的傳遞。

MEMS矢量水聽器技術的發(fā)展，強烈依靠微系統(tǒng)技術的進步。MEMS與微系統(tǒng)技術的進步，使多種MEMS傳感器的輸出信號轉換成人們可以利用的標準信號的形式，這給人們在水聲領域的應用，帶來了無限的遐想。美國國防先進計劃研究局(Defense Advanced Research Projects Agency，DAPRA)將MEMS技術設置成先進技術領域的六大方向之一。近些年來，MEMS與微電子工藝的結合，使慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)的很多原創(chuàng)性成果走向了實用化。特別是軍民兩用的MEMS技術，近20年在中國得到了很快的發(fā)展，這為水下聲傳感器在高靈敏、抗噪聲、自定位及目標信息的識別方面涌現出一大批技術成果[1～4]。

1 MSME矢量水聽器主要技術內容

MEMS制造技術使大量的傳感器走向了系統(tǒng)化和微小型化，并使最終的產品性能一致性好、制造成本低，很多產品可以一次性使用。特別是海洋面積接近陸地的3倍，若MEMS技術能使水聽器走向實用，其市場前景無論是經濟效益還是社會效益都是十分理想的。MEMS矢量傳感器技術包括的內容主要如圖1所示。

圖1 矢量水聽器涉及的主要技術內容

2 MEMS矢量水聽器結構設計進展[5～8]

對于MEMS水聲傳感器的研究，主要研究方向有三個類;一類是利用氧化鋅壓電薄膜制成的MEMS水聲傳感器；一類是加速度傳感器多端支撐量式振動梁式同陣型水聲傳感器；另一類單端固定性毛發(fā)式水聽器。

對于多端固定懸掛式的水聽器研究，國內最早在20世紀90年代中期,哈爾濱工程大學楊士莪院士和中國電科第49所陳麗潔博士利用MEMS加速度傳感器研究了同陣型水聽器的工作特性。后來隨著MEMS技術的進步，在結構上派生出多種結構形式。特別是在三軸MEMS加速度技術問世后，利用9只三軸加速度傳感器合成后,形成三軸全對稱的水聲傳感器，克服了三軸不對稱的結構缺陷。利用MCU完成水下多軸同陣型信號的處理。特別是它與MEMS磁傳感器可制作在同一平面上，使這種將三軸水聽器和三軸磁場傳感器，制作在同一芯片上后，它不僅具有對水聲傳播的方向有識別作用，還對聲波傳播與地磁夾角有明確的方位指向。這種方式的MEMS水聲傳感器，采用陶瓷封裝技術，使該傳感器具有在5 MPa(即水下500 m)工作的能力。這種傳感器極強的耐壓能力，使其成為水下聲學探測和識別的不二選擇。后來中科院聲學所利用氧化鋅薄膜制作水聽器，典型水聽器結構如圖2(a)所示，硅MEMS三軸加速芯片結構如圖2(b)所示、硅電容微觀結構如圖2(c)所示。

圖2 基于氧化鋅薄膜的水聽器結構示意

另一種MEMS水聽器，就是中北大學研究的纖毛式水聽器。這種MEMS硅傳感器的原理是相當于在十字交叉梁中心點垂直豎立一根對水聲波敏感的微梁。在有水聲傳播時，垂直梁隨水聲波產生振動，十字梁上的應變電阻將會檢出對應信號大小的電橋信號。通過含油封裝，形成同陣型水聽器。由于這種封裝采用的圓柱型外殼，內部還要充油，不僅密封麻煩，在水中工作深度也很淺，不適合幾百米深海使用。

3 新結構、新材料、新工藝在MEMS水聽器中的應用[9～14]

國內對于單晶硅材料的應用，特別是北大微電子國防重點實驗室、歌爾微電子、瑞聲聲學、蘇州敏芯微、河北美泰、天津美新、蘇州納芯微電子，他們現在已能完成各種量程的壓力、加速度、陀螺、磁學等系列產品，這為MEMS水聽器及水下傳感器提供了極大的開拓空間。特別是將多種傳感器集成在同一硅片上，在信號處理及放大的專用芯片上。

圖3(a)是水聲矢量在水中傳播示意圖；纖毛型結構的水聽器芯片，其結構如圖3(b)所示；采用新材料氮化鋁(AlN)壓電陶瓷薄膜構成的水聽器，結構如圖3(c)所示。

圖3 纖毛式水聽器結構示意

在新材料利用方面，人們開始利用AlN材料制作水聽器，盡管它壓電系數較小，但在關鍵評價參數(FOM)壓電系數與介電常數的比值方面有著自己的優(yōu)勢。MEMSound公司用壓電AlN制作的MEMS水聽器，FOM比同類PZT產品大4倍，意味著相同條件下，MEMS水聽器的靈敏度高12 dB，這意味著用戶可以探測更遠的水聲信號距離和更微弱的聲信號。采用8 in(1 in=2.54 cm)晶片，基于壓電AlN，制造出的壓電聲壓梯度式水聽器，成本相比壓電陶瓷和光纖水聽器顯著降低，而且成品率與一致性大幅提高，使得MEMS水聽器擁有極高的性價比。這種芯片的典型結構如圖3(c)所示。這對于海洋勘探、航道監(jiān)測、管網監(jiān)測、水下導航等大規(guī)模民用領域具有重要意義。

在新制造工藝方面，以中科院電子所、中國電子科技集團研究所與高校結合，在三軸電容式加速度、三軸陀螺、三軸地磁傳感器方面取得了顯著的成果。尤為突出的是,利用“犧牲層”(sacrificial layer technology)技術和薄膜技術的結合，現已能將全部器件集成在同一芯片上。

在MEMS水聽器封裝技術方面，中國電科第13所的封裝技術可以實現水密350 m的要求,已完成適應水下需要的產品的封裝實驗。這為采用MEMS技術實現水下聲感器的定位、載體平動、轉動、地磁角度等奠定了基礎，成為今后發(fā)展此類產品的一個重要方向。

除了這兩種主流水聲傳感器外，還有利用傳統(tǒng)壓電材料制成的多水聽器。比較典型的是氧化鋅和氧化鋅薄膜材。利用壓電薄膜，可以制成與IC工藝相結合的水聽器，這使壓電薄膜材料和其他IC工藝相結合，制作出廉價的MEMS水聽器。

4 MEMS水聽器結構與封裝、校準技術的進步[8,15,16]

在結構設計技術方面,為了能夠準確獲得潛艇水下運動產生的聲信號，MEMS水聽器必須工作在100 m以下的水深。為了使MEMS水聲傳感器能工作在這個范圍，傳感器應有適應這樣水深要求的外封裝，以及能將海水聲波傳遞到耐壓結構中的聲波敏感器上。在20世紀,國內主要利用加速度傳感器來實現對水聲的測量。進入21世紀后，中北大學也利用MEMS工藝制造了纖毛式水聽器。經過近20年的努力，在產品結構設計與制造方面有明顯的進步，纖毛的靈敏度基本解決，但封裝問題一直困擾這種水聽器的發(fā)展。由于封裝問題，這種傳感器至今還不能長期工作在150 m以下的環(huán)境中。

在封裝技術方面[14,17，18],中科院聲學所和中國電科第3所在此方面都已研究多年，很多產品都已實用。在企業(yè)方面，今年青島國數信息科技也發(fā)布了一種硅基壓電MEMS水聽器芯片。它是基于該芯片構建的MEMS水聽器，公司還開發(fā)了芯片開發(fā)套件、處理軟件和聲學仿真平臺一體化系列產品。硅基壓電MEMS水聽器芯片，從設計到工藝，保證了器件的高一致性與低成本，在10 Hz～100 kHz帶寬內保持高靈敏度，芯片尺寸為6 mm×6 mm,靈敏度為-205 dB Re 1 V/μPa,已經進入實用化的階段。這是近5年作為實際應用產品的最明顯的技術進步。典型產品的外形如圖4所示。

圖4 基于硅MEMS驗電水聽器

磁方位角傳感器：在海中，與磁有關的主要有三種問題，一類是艦船的磁學目標特性，另一類是大地固有的南北極特性，還有一種是局部地區(qū)的磁異常特性。只有具有超高靈敏度磁傳感器，才能將艦船磁特性、地磁特性、局地異常特性全部識別出來。這就要求磁傳感器在有極高靈敏度的條件下，仍有極好的指向特性。為此,在MEMS水聽器系統(tǒng)中常需要高靈敏度的磁傳感器，用它來輔助確定地磁夾角等參數。采用隧道型量子薄膜傳感器與MEMS水聽器相配合，在工藝上具有非常好的兼容性，特別對多軸的磁傳感器與多軸水聽器的配合，利用制造工藝的兼容性，可將TMR/GMR/AMR這類產品與MEMS水聽器結合在一起。在這一方面，特別是隧道型磁傳感器，江蘇多維科技有限公司的研制產品性能尤為突出。它在磁傳感器方面的制造技術代表了我國當前磁傳感器的最高水平。由于磁傳感器的制造工藝與MEMS水聽器的良好結合，為多軸MEMS水聽器的制造打下了良好的制造技術的基礎。特別在三軸與方位角的判斷上，利用計算方法可獲得更好的指向性和方位特性。量子與隧道式磁傳感器，是在磁學測量方面的MEMS化，是近10年最明顯的技術進步。

對于MEMS水聲傳感器的在線校準[11,19]：目前水聽器的校準，仍然采用8字校準法判定傳感器的指向性。在設計上,必須考慮校準方法帶來的實際問題。由傳統(tǒng)的校準設備產生的水聲，以此來判定傳感器的指向性，這樣，水聲傳感器在校準方面，需要更加便捷的試驗方法和裝置，這也是MEMS水聲傳感器發(fā)展的一個十分重要的分支[20,21]。

5 技術發(fā)展與展望

在國內,MEMS水聽器技術的發(fā)展已超過了20年，在跟蹤國外的同時，也有很多創(chuàng)造，但研究單位還較少。在技術發(fā)展方面，起到引領作用的主要有中科院聲學所、中國電科第3所、中國電科第49所[22,23]、中北大學等單位。近15年,隨著MEMS技術的快速發(fā)展，除傳統(tǒng)的單位外，參與研究的單位越來越多,特別是在產品研究方面，很多民營單位也紛紛加入。產品形式也從硅阻式、硅電容式、壓電和壓電薄膜等形式發(fā)展為AlN壓電陶瓷薄膜。以MEMS技術為主導的水聽器，很快會成為下一代水聽器的主流。

在MEMS水聽器結構方面的研究，也從傳統(tǒng)的平面結構，走向纖毛結構。近些年已有企業(yè)參與，這種系列的變化給人們一個重要的啟示。

除上述所提到的各種原理和結構外，新型半導體材料的加入，使MEMS水聽器開始走向實用化和批量化。但MEMS水聽器需要繼續(xù)研究的問題,主要集中在以下幾個方面：1)提高信噪比；2)提高靈敏度；3)制造工藝必須與集成電路工藝相結合，能將阻抗變換器、信號放大器集成一體化；4)新工藝的引入：多采用犧牲層技術，可是目前多用到單片后再封裝工藝，由多片過渡到單片；5)封裝技術：由于采用MEMS半導體封裝技術，產品結構更能適合各種水聲環(huán)境的使用。從有機分裝到無機材料的封裝，特別是典型的陶瓷外殼封裝，可能成為下一代產品的主流;6)面對大批量制造出來的MEMS水聲傳感器，校準問題成為生產制造的重要環(huán)節(jié)。因此，MEMS水聲傳感器的校準，將成為今后大批量生產的重要環(huán)節(jié)。

國內對MEMS水聽器的研究，已有近20年的歷史，信號處理技術日趨成熟，很多功能的信號處理芯片，將會與新一代材料與工藝相結合，使MEMS水聽器將很快像其他力學量傳感器一樣，從高端市場走向大眾市場，廉價化的水聲傳感器時代很快將會到來。