MEMS矢量水聽器聲壓通道封裝技術(shù)研究

丁俊文，周 瑜，李曉雷，滕 超，劉云飛

(中國電子科技集團公司第三研究所，北京100015)

0 引 言

近年來，隨著微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)矢量水聽器的快速發(fā)展，越來越多的研究者希望在 MEMS矢量水聽器中增加聲壓敏感通道來實現(xiàn)環(huán)境聲壓場的感知，最理想的方法就是通過 MEMS工藝一次集成聲矢量和聲壓通道，由于聲矢量和聲壓通道感知聲信號的原理不同，很難通過 MEMS工藝一次集成成功。常用的辦法就是將 MEMS矢量通道和聲壓通道進行物理集成，聲壓通道選用成熟的壓電陶瓷圓環(huán)敏感結(jié)構(gòu)。這樣就帶來了聲壓通道封裝形式的問題。如文獻[1]中提到了一種將傳統(tǒng)的壓電陶瓷器件與MEMS加速度敏感器件物理集成在一起的封裝方式。MEMS芯片因為需要電氣連接，封裝必須與水隔離，常采用的辦法就是通過硅油/蓖麻油進行水密封裝，韓國浦項科技大學(xué)相關(guān)課題組提出了一種在場效應(yīng)管上制作壓電柵極的新型MEMS水聽器[2]，其封裝方式采用的是蓖麻油密封方式；中北大學(xué)提出的基于仿生原理的仿生纖毛式MEMS矢量水聽器[3]，其封裝方式采用的是硅油密封方式。相反常用的壓電陶瓷封裝大部分是直接用聚氨酯灌封[4-7]，除了少數(shù)情況下需要進行油封以外[8]，如應(yīng)用于深水(＞1 000 m)的水聲換能器常采用充油或溢流式結(jié)構(gòu)。研究聚氨酯封裝和硅油耦合聚氨酯封裝對MEMS矢量水聽器聲壓通道集成具有重要的指導(dǎo)意義。

本文首先介紹了纖毛式 MEMS矢量水聽器矢量通道性能，其次根據(jù)頻率需求，選擇性能和尺寸滿足要求的壓電陶瓷圓環(huán)作為研究對象。用COMSOL5.3a軟件進行建模仿真研究，分析了壓電圓環(huán)在全水域，硅油封裝、聚氨酯封裝不同形式下的靈敏度仿真。后對壓電陶瓷圓環(huán)進行了硅油+聚氨酯封裝和聚氨酯封裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備。通過實驗對比研究，結(jié)果表明，采用聚氨酯灌封的壓電陶瓷圓環(huán)和硅油耦合聚氨酯灌封的壓電陶瓷圓環(huán)，在低頻段接收靈敏度響應(yīng)曲線相對一致。

1 纖毛式MEMS矢量水聽器簡介

纖毛式 MEMS矢量水聽器依據(jù)魚類側(cè)線細胞感知聲信號原理，用剛硬塑料柱體模仿魚類側(cè)線細胞可動纖毛，用懸空十字懸臂梁模仿感覺細胞，當外界有聲源信號時，剛硬柱體感知聲源信號，發(fā)生諧振，進而帶動微結(jié)構(gòu)懸臂梁產(chǎn)生形變，使得懸臂梁上惠斯通電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓信號。根據(jù)中國船舶重工集團第715研究所計量站計量得到：纖毛式MEMS矢量水聽器可探測頻段為 5～1 000 Hz，矢量通道靈敏度為?179.8 dB@1kHz (0 dB=1 V·μPa-1)，凹點深度大于30 dB。

2 仿真設(shè)計

仿真設(shè)計主要思路為：模型分為四種形式，一是建立壓電陶瓷圓環(huán)和水模型；二是建立壓電陶瓷+硅油+水模型；三是建立壓電陶瓷+硅油+聚氨酯+水模型；四是建立壓電陶瓷圓環(huán)+聚氨酯+水模型。分別仿真計算出四種模型下的靈敏度曲線。進行比較分析四種不同模型對聲壓通道靈敏度的影響。通過改變聚氨酯層的厚度，可以得到聚氨酯厚度對兩種封裝模型的影響關(guān)系。其次分析四種模型對壓電陶瓷圓環(huán)指向性的影響。本次仿真與試驗用圓環(huán)壓電陶瓷型號為 PZT-5A，尺寸為內(nèi)徑 21 mm，外徑25 mm，高度 12.5 mm。聚氨酯透聲橡膠帽厚度初始值3 mm。仿真頻帶寬度5～2 000 Hz。

2.1 壓電陶瓷+水模型

依據(jù)初始值尺寸建立壓電陶瓷+水模型，如圖1所示，建模維度方式選擇二維軸對稱，壓電陶瓷選用軟件內(nèi)置材料 PZT-5A，材料參數(shù)均為默認。在仿真設(shè)計中預(yù)留有陶瓷上下蓋板的空隙。

圖1 壓電陶瓷+水仿真模型Fig.1 Piezoelectric ceramic+water simulation model

仿真得到的接收靈敏度曲線如圖2所示，圖中橫坐標為對數(shù)坐標形式。

圖2 壓電陶瓷+水模型接收靈敏度曲線Fig.2 The receiving sensitivity curve of the piezoelectric ceramic+water model

2.2 壓電陶瓷+硅油+水模型

考慮壓電陶瓷置于硅油中，建立如圖3所示壓電陶瓷+硅油+水模型。硅油分布在壓電陶瓷周圍。仿真中設(shè)置硅油的材料參數(shù)為：密度 970 kg·m-3，聲速為1 470 m·s-1。材料參數(shù)選用《水聲材料手冊》中275硅油材料參數(shù)[9]。

圖3 壓電陶瓷+硅油+水仿真模型Fig.3 Piezoelectric ceramic+silicone oil+water simulation model

仿真得到的壓電陶瓷+硅油+水模型接收靈敏度曲線如圖4所示。從圖4中可以看到，其靈敏度在頻帶內(nèi)響應(yīng)平坦，靈敏度達到?197.3 dB，帶內(nèi)起伏小于1 dB。從仿真結(jié)果來看，包裹硅油后，其接收靈敏度提高了近1 dB。

圖4 壓電陶瓷+硅油+水模型接收靈敏度曲線Fig.4 The receiving sensitivity curve of the piezoelectric ceramic+silicone oil+water model

2.3 壓電陶瓷+硅油+聚氨酯+水模型

實際封裝過程中硅油外側(cè)為一層絕緣透聲帽，達到絕緣密封，增強結(jié)構(gòu)抗壓等性能。聚氨酯透聲層按實際封裝簡化。聚氨酯材料參數(shù)：密度為1 080 kg·m-3，泊松比為0.48，彈性模量為9 MPa。底部有固定聚氨酯帽約束的結(jié)構(gòu)鋼托臺。壓電陶瓷+硅油+聚氨酯+水仿真模型如圖5所示。

圖5 壓電陶瓷+硅油+聚氨酯+水仿真模型Fig.5 Piezoelectric ceramic+silicone oil+polyurethane+water simulation model

仿真得到的靈敏度曲線如圖6。從圖6中可以看到，其靈敏度在頻帶內(nèi)響應(yīng)平坦，靈敏度為?198.6 dB，帶內(nèi)起伏小于1 dB。從仿真結(jié)果來看，加上聚氨酯透聲帽后，其接收靈敏度與第一種模型的靈敏度基本一致。

圖6 壓電陶瓷+硅油+聚氨酯+水模型接收靈敏度曲線Fig.6 The receiving sensitivity curve of the piezoelectric ceramic+silicone oil+polyurethane+water model

2.4 壓電陶瓷+聚氨酯+水模型

壓電陶瓷+聚氨酯+水模型為常用的壓電陶瓷灌封模型，其仿真模型如圖7所示。壓電圓環(huán)上端建立有聚氨酯模型，與實際封裝情況一致。聚氨酯材料參數(shù)與2.3節(jié)中一致。

圖7 壓電陶瓷+聚氨酯+水仿真模型Fig.7 Piezoelectric ceramic+polyurethane+water simulation model

仿真得到在聚氨酯灌封條件下，壓電陶瓷+聚氨酯+水模型接收靈敏度曲線如圖 8所示?？梢钥吹皆陬l帶內(nèi)響應(yīng)平坦，靈敏度為?197.2 dB，帶寬內(nèi)起伏小于1 dB。

圖8 壓電陶瓷+聚氨酯+水模型接收靈敏度曲線Fig.8 The receiving sensitivity curve of the piezoelectric ceramic+polyurethane+water model

3 封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計與實驗驗證

實驗驗證思路為：首先設(shè)計聚氨酯灌封封裝和硅油密封結(jié)構(gòu)，制作實物，然后在駐波管中進行實驗測試，對比實驗結(jié)果，得出結(jié)論。

3.1 聚氨酯灌封封裝結(jié)構(gòu)

聚氨酯封裝示意圖如圖9所示，封裝設(shè)計中考慮壓電陶瓷圓環(huán)的固定，設(shè)計有內(nèi)置支撐泡沫及金屬托臺，另外考慮陶瓷環(huán)的振動形式以及防止與金屬托臺接觸構(gòu)成短路，陶瓷與金屬托臺間設(shè)計有絕緣橡膠墊等。

圖9 聚氨酯灌封和封裝示意圖Fig.9 Schematic diagram of polyurethane potting and packaging

制作聚氨酯灌封封裝結(jié)構(gòu)水聽器，首先要準備制作材料，如金屬托臺結(jié)構(gòu)件、內(nèi)置支撐泡沫結(jié)構(gòu)件、環(huán)氧膠、壓電陶瓷圓環(huán)、絕緣橡膠墊等。各金屬件及陶瓷需先用酒精進行清洗擦拭，以保證表面干凈，無污漬。環(huán)氧膠主要用于陶瓷、絕緣橡膠墊及金屬托臺之間的粘接，在進行聚氨酯灌封前，也用于支撐泡沫表面的涂覆，防止灌膠操作中，加熱使得泡沫內(nèi)空氣溢出，從而影響其帶內(nèi)接收靈敏度性能。聚氨酯灌封封前后的壓電陶瓷環(huán)實物圖如圖10所示。

圖10 聚氨酯封裝前后的壓電陶瓷環(huán)實物圖Fig.10 Real object diagrams of the piezoelectric ceramic ring before and after being encapsulated by polyurethane

3.2 硅油耦合聚氨酯密封封裝結(jié)構(gòu)

硅油耦合聚氨酯密封中主要考慮因素為：聲壓通道的固定安裝及灌油密封等關(guān)鍵工藝。設(shè)計中，壓電陶瓷上下用橡膠O圈進行減震固定，內(nèi)置支撐材料選用不滲入硅油的聚甲醛(polyformaldehyde,POM)材料，由于內(nèi)置支撐材料與陶瓷內(nèi)壁是否接觸會影響壓電陶瓷振動特性，設(shè)計中考慮制作工藝的可行性及圓環(huán)的徑向振動形式，支撐聚甲醛與陶瓷內(nèi)壁設(shè)計有約1 mm的間隙。陶瓷振動形變量一般為納米級，支撐聚甲醛對于低頻條件下的振動特性可以認為沒有影響。為了驗證這一結(jié)論，設(shè)計有加入聚甲醛的硅油耦合聚氨酯密封封裝模型，如圖11所示。接收靈敏度的仿真結(jié)果如圖12所示。可以看到，加入支撐聚甲醛后，壓電圓環(huán)的接收靈敏度響應(yīng)仍為一條平坦的曲線。這里需要注意聚甲醛與陶瓷圓環(huán)內(nèi)壁之間需有一個微小間隙，否則在振動過程中會影響其接收靈敏度的特性。

圖11 POM+壓電陶瓷+硅油+聚氨酯+水仿真模型Fig.11 POM+ piezoelectric ceramic+silicone oil+polyurethane + water simulation model

圖12 POM+壓電陶瓷+硅油+聚氨酯+水模型接收靈敏度曲線Fig.12 The receiving sensitivity curve of the POM+Piezoelectric ceramic+silicone oil+polyurethane+water model

結(jié)構(gòu)中底部托臺用軟膠硅橡膠704進行粘接固定，在硅油耦合聚氨酯密封設(shè)計中，底部金屬托臺內(nèi)側(cè)設(shè)計有進油孔和出油孔。設(shè)計中預(yù)留了矢量通道窗口，為后續(xù)進行MEMS矢量通道集成做鋪墊。

硅油耦合聚氨酯密封和封裝示意圖如圖13所示。

圖13 硅油耦合聚氨酯密封和封裝示意圖Fig.13 Schematic diagram of silicone oil-coupled polyurethane sealing and packaging

制作硅油耦合聚氨酯密封封裝結(jié)構(gòu)水聽器，其工藝比制作聚氨酯灌封封裝結(jié)構(gòu)水聽器相對復(fù)雜，主要涉及硅油的填充，壓電陶瓷的固定等。需要準備的材料有金屬托臺結(jié)構(gòu)件、壓電陶瓷圓環(huán)、支撐聚甲醛結(jié)構(gòu)件、絕緣橡膠墊、環(huán)氧膠、聚氨酯透聲帽灌封結(jié)構(gòu)件等。為了保證引線方便，支撐聚甲醛外部設(shè)計有引線槽。在用橡膠O圈進行壓電陶瓷圓環(huán)固定時，需選用合適的O圈，不能過大或過小，過大，陶瓷會松動，不穩(wěn)定；過小，陶瓷受力不均，會使一端貼合在聚甲醛外壁。在測試過程中，其相對位置的變化對接收靈敏度影響很大。在硅油填充過程中，首先需要對金屬結(jié)構(gòu)件進行預(yù)熱，硅油在80℃條件下進行抽真空處理，去除硅油內(nèi)溶解的空氣。在硅油填充操作過程中，需要在加熱后進行，防止溫度過低時，空氣易溶解在硅油中。填充硅油選用醫(yī)用無塵針管進行注入，注入工藝需多次進行，在第一次注滿后，會有少量氣泡殘留在支撐聚甲醛空余部分。硅油耦合聚氨酯封裝及制作實物圖如圖14所示。

圖14 硅油耦合聚氨酯封裝前后的壓電陶瓷環(huán)實物圖Fig.14 The frequency response curves of receiving sensitivity of the piezoelectric ceramic ring with two different packaging methods

4 靈敏度測量與對比分析

將兩種封裝方式制作的水聽器置于駐波管中進行靈敏度標定。測試中采用比較法進行測量，將待測水聽器與標準水聽器置于水平液面下同一深度。標準水聽器的型號為RESON 4032。由信號發(fā)生器產(chǎn)生10～2 000 Hz的正弦信號，經(jīng)功率放大器進行放大，驅(qū)動底部聲源產(chǎn)生所需聲信號，待測水聽器與標準水聽器共同感知聲信號，經(jīng)示波器顯示信號。讀取兩路信號輸出電壓峰峰值，即可根據(jù)標準水聽器靈敏度得到待測水聽器靈敏度，靈敏度計算公式為

式中：MV，MS分別代表被測水聽器和標準水聽器的靈敏度；UV，US分別代表被測水聽器和標準水聽器的輸出電壓峰值；

可以得到兩種不同封裝方式下的壓電陶瓷圓環(huán)靈敏度曲線如圖15所示。

圖15 兩種封裝方式下壓電陶瓷接收靈敏度響應(yīng)曲線Fig.15 The frequency response curves of receiving sensitivity of the piezoelectric ceramic ring with two different packing methods

采用駐波管校準(即振動液柱法)測試有其低頻可測極限，約為10 Hz，因此測試從10 Hz開始測量。對于低頻段 10～20 Hz，由于與最低可測頻點相近，測試中由于測試設(shè)備的原因會產(chǎn)生測試誤差，主要原因為在此低頻段內(nèi)，駐波管底部聲源會使建筑機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生同振，這里結(jié)論分析不予考慮。從圖15中可以看出，在1 600 Hz頻點處，均出現(xiàn)尖峰值。由于標準水聽器與待測水聽器此頻點處均表現(xiàn)出較小的接收聲壓信號，讀數(shù)誤差值較大，這里結(jié)論分析中不予考慮1 600 Hz處頻點靈敏度。綜上，本結(jié)論只分析20～1 250 Hz頻段內(nèi)靈敏度測試結(jié)果。在該頻段內(nèi)，水聽器接收信號曲線光滑平整，整體看沒有失真情況。測試過程中，待測水聽器用橡膠O圈進行固定，兩種封裝方式均采用同一種方式固定，在測試過程中均位于液面以下同一深度，以確保水聽器所處的聲場一致。測試過程中采用1/3倍頻程進行計數(shù)，每一個頻率點，用示波器讀取待測水聽器與標準水聽器輸出電壓信號峰峰值，用比較法得到兩種封裝方式下的靈敏度曲線。從圖15中，可以看到在20～1 250 Hz頻段內(nèi)兩種封裝方式均表現(xiàn)出一定的起伏變化，且起伏趨勢基本一樣，與仿真值相差不大，靈敏度的帶內(nèi)均值達到?197.5 dB。其中聚氨酯封裝靈敏度響應(yīng)起伏小于3 dB，硅油耦合聚氨酯密封封裝靈敏度響應(yīng)起伏小于6 dB，其起伏相對較大，這與硅油耦合聚氨酯封裝制作工藝相對復(fù)雜有關(guān)，在橡膠O圈的減震固定及灌油封裝的溫度控制，氣泡的處理等均有一定關(guān)系，需要進一步深入研究，以使得其帶內(nèi)接收靈敏度更加平坦。

5 結(jié) 論

本文針對 MEMS矢量水聽器聲壓通道封裝技術(shù)進行了研究，設(shè)計了硅油耦合聚氨酯封裝和聚氨酯封裝兩種封裝形式。首先仿真分析了兩種封裝形式對聲壓通道靈敏度的影響規(guī)律，其次設(shè)計了這兩種封裝形式的制作工藝并制備了實物，最后在駐波管中實驗測試對比了這兩種封裝方式對靈敏度的影響關(guān)系。結(jié)果表明，理論上這兩種封裝方式對聲壓通道的靈敏度特性影響不大，實際操作過程中，聚氨酯封裝工藝相對成熟穩(wěn)定，硅油耦合聚氨酯封裝工藝相對復(fù)雜、不確定，在考慮與 MEMS敏感芯片集成時，要注意第二種封裝方式在制作工藝中可能帶來的不確定性。實驗結(jié)果對后續(xù) MEMS矢量水聽器的聲壓通道集成，進而提升水聽器及系統(tǒng)整機性能，具有重要的意義。