MEMS矢量水聽器聲壓通道封裝技術研究

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(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)矢量水聽器的快速發展，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環境聲壓場的感知，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敏感結構。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，韓國浦項科技大學相關課題組提出了一種在場效應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]，除了少數情況下需要進行油封以外[8]，如應用于深水(＞1 000 m)的水聲換能器常采用充油或溢流式結構。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，其次根據頻率需求，選擇性能和尺寸滿足要求的壓電陶瓷圓環作為研究對象。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。后對壓電陶瓷圓環進行了硅油+聚氨酯封裝和聚氨酯封裝的結構設計與制備。通過實驗對比研究，結果表明，采用聚氨酯灌封的壓電陶瓷圓環和硅油耦合聚氨酯灌封的壓電陶瓷圓環，在低頻段接收靈敏度響應曲線相對一致。

1 纖毛式MEMS矢量水聽器簡介

纖毛式 MEMS矢量水聽器依據魚類側線細胞感知聲信號原理，用剛硬塑料柱體模仿魚類側線細胞可動纖毛，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，發生諧振，進而帶動微結構懸臂梁產生形變，使得懸臂梁上惠斯通電橋失去平衡，輸出相應的電壓信號。根據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 仿真設計

仿真設計主要思路為：模型分為四種形式，一是建立壓電陶瓷圓環和水模型；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+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系。其次分析四種模型對壓電陶瓷圓環指向性的影響。本次仿真與試驗用圓環壓電陶瓷型號為 PZT-5A，尺寸為內徑 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置材料 PZT-5A，材料參數均為默認。在仿真設計中預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。仿真中設置硅油的材料參數為：密度 970 kg·m-3，聲速為1 470 m·s-1。材料參數選用《水聲材料手冊》中275硅油材料參數[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，其靈敏度在頻帶內響應平坦，靈敏度達到?197.3 dB，帶內起伏小于1 dB。從仿真結果來看，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為一層絕緣透聲帽，達到絕緣密封，增強結構抗壓等性能。聚氨酯透聲層按實際封裝簡化。聚氨酯材料參數：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構鋼托臺。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，其靈敏度在頻帶內響應平坦，靈敏度為?198.6 dB，帶內起伏小于1 dB。從仿真結果來看，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。聚氨酯材料參數與2.3節中一致。

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。可以看到在頻帶內響應平坦，靈敏度為?197.2 dB，帶寬內起伏小于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 封裝結構設計與實驗驗證

實驗驗證思路為：首先設計聚氨酯灌封封裝和硅油密封結構，制作實物，然后在駐波管中進行實驗測試，對比實驗結果，得出結論。

3.1 聚氨酯灌封封裝結構

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

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構水聽器，首先要準備制作材料，如金屬托臺結構件、內置支撐泡沫結構件、環氧膠、壓電陶瓷圓環、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，加熱使得泡沫內空氣溢出，從而影響其帶內接收靈敏度性能。聚氨酯灌封封前后的壓電陶瓷環實物圖如圖10所示。

圖10 聚氨酯封裝前后的壓電陶瓷環實物圖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構

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鍵工藝。設計中，壓電陶瓷上下用橡膠O圈進行減震固定，內置支撐材料選用不滲入硅油的聚甲醛(polyformaldehyde,POM)材料，由于內置支撐材料與陶瓷內壁是否接觸會影響壓電陶瓷振動特性，設計中考慮制作工藝的可行性及圓環的徑向振動形式，支撐聚甲醛與陶瓷內壁設計有約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。為了驗證這一結論，設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果如圖12所示。可以看到，加入支撐聚甲醛后，壓電圓環的接收靈敏度響應仍為一條平坦的曲線。這里需要注意聚甲醛與陶瓷圓環內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

結構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計中，底部金屬托臺內側設計有進油孔和出油孔。設計中預留了矢量通道窗口，為后續進行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構水聽器，其工藝比制作聚氨酯灌封封裝結構水聽器相對復雜，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構件、壓電陶瓷圓環、支撐聚甲醛結構件、絕緣橡膠墊、環氧膠、聚氨酯透聲帽灌封結構件等。為了保證引線方便，支撐聚甲醛外部設計有引線槽。在用橡膠O圈進行壓電陶瓷圓環固定時，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，首先需要對金屬結構件進行預熱，硅油在80℃條件下進行抽真空處理，去除硅油內溶解的空氣。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。由信號發生器產生10～2 000 Hz的正弦信號，經功率放大器進行放大，驅動底部聲源產生所需聲信號，待測水聽器與標準水聽器共同感知聲信號，經示波器顯示信號。讀取兩路信號輸出電壓峰峰值，即可根據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，測試中由于測試設備的原因會產生測試誤差，主要原因為在此低頻段內，駐波管底部聲源會使建筑機械結構產生同振，這里結論分析不予考慮。從圖15中可以看出，在1 600 Hz頻點處，均出現尖峰值。由于標準水聽器與待測水聽器此頻點處均表現出較小的接收聲壓信號，讀數誤差值較大，這里結論分析中不予考慮1 600 Hz處頻點靈敏度。綜上，本結論只分析20～1 250 Hz頻段內靈敏度測試結果。在該頻段內，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，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頻段內兩種封裝方式均表現出一定的起伏變化，且起伏趨勢基本一樣，與仿真值相差不大，靈敏度的帶內均值達到?197.5 dB。其中聚氨酯封裝靈敏度響應起伏小于3 dB，硅油耦合聚氨酯密封封裝靈敏度響應起伏小于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雜有關，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系，需要進一步深入研究，以使得其帶內接收靈敏度更加平坦。

5 結 論

本文針對 MEMS矢量水聽器聲壓通道封裝技術進行了研究，設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律，其次設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系。結果表明，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定，硅油耦合聚氨酯封裝工藝相對復雜、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。實驗結果對后續 MEMS矢量水聽器的聲壓通道集成，進而提升水聽器及系統整機性能，具有重要的意義。