王任鑫，劉 源，張國軍，劉 俊，薛晨陽，張文棟

(1.儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室 中北大學，山西 太原030051;2.電子測試技術(shù)重點實驗室 中北大學，山西 太原030051)

0 引 言

海洋環(huán)境信息的準確獲取是科學制定海洋發(fā)展戰(zhàn)略的重要保障。獲取海洋環(huán)境信息主要依靠各種聲納系統(tǒng)，而水聽器作為聲納的核心器件，其性能直接影響聲納的探測距離與定位精度。國內(nèi)外研究小組提出了多種基于仿生纖毛的傳感器，如壓阻式三維力傳感器［1］、光電式觸覺傳感器［2］，由于不涉及水下應用，所以，對封裝要求相對簡單，采用聚氨酯封裝傳導壓力;還有高靈敏氣流傳感器［3］、寬頻帶氣流傳感器［4］，可以直接和被測媒介接觸。An T C 提出一種基于多壁碳納米管—聚吡咯涂敷的不銹鋼網(wǎng)格，由于其超疏水性(接觸角可達163°)，可以作為水下傳感器的防水絕緣材料［5］。但是，這種封裝方式會形成一個水—空氣界面，使得聲波透射系數(shù)極低，即使封裝能耐得住水壓，也不適用于水聽器。Asadnia M 等人提出一種水下柔性壓電傳感器，利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和壓電陶瓷(PZT)薄膜形成敏感空腔，下層采用液晶聚合物，上層采用聚二甲基硅氧烷(poly-dimethylsiloxane，PDMS)封裝方式［6］;Yaul F M 同樣利用PDMS 空腔和彈性應力計制備了一種水下柔性壓力傳感器，外層為PDMS 封裝［7］。然而，由于PDMS 抗?jié)B透性能不佳，不適合長期水下工作，且PDMS 只能采用旋涂方式，不適合封裝有大臺階的器件。

南京理工大學Wang Hua 提出一種水下手指式力傳感器，采用一個小圓柱體作為力感知外層，應力膜置于絕緣油中，通過圓柱體將壓力傳導至應力膜［8］;文獻［9］中提出的MEMS 仿生矢量水聽器封裝結(jié)構(gòu)，即將聲—電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)封裝在聚氨酯透聲帽內(nèi)，并在透聲帽中灌滿硅油。這種封裝方式基本解決了聲信號從水中傳遞到纖毛的難題，但也存在聲波能量損失較大的缺點，因為聲音信號從水中傳遞給纖毛要經(jīng)過水—透聲帽—硅油3 層介質(zhì)。雖然在原則上盡量保證透聲帽、硅油與水的特性阻抗匹配，但由于透聲帽本身存在一個共振峰，位于5 Hz ～1 kHz 目標頻帶范圍內(nèi)，導致水聽器頻響失真，影響水聽器的工作頻帶。

綜上所述，對于仿生纖毛式MEMS 矢量水聽器，目前尚無理想適用的封裝方式，亟需研究和改進。另一方面，Parylene 薄膜在傳感器封裝中有應用潛力，然而，針對振動式微傳感器的Parylene 薄膜封裝應用研究很少，需深入探究。針對水下應用的振動式敏感結(jié)構(gòu)的絕緣封裝，本文提出一種新的高疏水Parylene 薄膜無透聲帽封裝矢量水聽器，即利用Parylene 薄膜的淀積高保形性、低滲透性和高絕緣性，實現(xiàn)無透聲帽封裝，解決透聲帽帶來的聲信號衰減和共振峰引入問題，提高水聽器靈敏度和工作頻率。

1 水聽器原理

現(xiàn)有國內(nèi)研制的壓阻式仿生MEMS 矢量水聽器，具有較高的靈敏度、良好的低頻效應和良好的“8”字余弦指向性［10］，芯片如圖1(a)，芯片結(jié)構(gòu)包括兩部分:高精度四梁—中心連接體微結(jié)構(gòu)和剛硬塑料柱體。將剛硬塑料柱體和力敏電阻器分別模仿成魚類側(cè)線器官的可動纖毛與感覺細胞。其中，剛硬塑料柱體固定于四梁—中心連接體的中央，力敏單元分別設置于四梁的邊緣處。在水下聲音信號的作用下，剛硬塑料柱體將隨其周圍的水介質(zhì)質(zhì)點振動。柱體將會將振動信號傳遞給敏感結(jié)構(gòu)，使梁產(chǎn)生應力變化，彈性梁上敏感結(jié)構(gòu)的應變能由力敏電阻器的阻值變化來反應，從而實現(xiàn)水下平面內(nèi)聲信號的矢量探測。

圖1 MEMS 矢量水聽器Fig 1 MEMS vector hydrophone

本文提出一種新的Parylene 薄膜無透聲帽封裝的矢量水聽器，利用Parylene 薄膜的淀積，實現(xiàn)無透聲帽封裝，改善水聽器工作頻率性能，如圖2 所示。Parylene 無透聲帽的封裝可以實現(xiàn)水聽器敏感結(jié)構(gòu)直接在水中的影響，避免水聽器透聲帽的共振峰引入，從而改善頻響性能。

2 實驗測試

為了驗證Parylene 封裝能夠提高頻帶，將進行以下測試:振動臺測共振峰，接收衰減曲線測共振峰，以及矢量水聽器校準裝置測頻率響應曲線。

圖2 透聲帽封裝與Parylene 薄膜封裝對比示意圖Fig 2 Comparison diagram of sound-transparent cap and parylene thin film encapsulations

2.1 振動臺測試

基于壓阻效應的MEMS 矢量水聽器本質(zhì)上是檢測聲場的振動信號，并且基于慣性器件的原理。利用振動臺可以測試MEMS 矢量水聽器進行頻率響應曲線。實驗中采用丹麥的B＆K 公司生產(chǎn)的8305 標準加速度計，測試中將水聽器的最大輸出方向垂直于振動臺，如圖3 所示。測試曲線如圖4 所示。

圖3 振動臺測試示意圖Fig 3 Diagram of vibration platform test

圖4 頻率響應曲線Fig 4 Frequency response curve

從圖中可以看出:聚氨酯透聲帽的共振峰為790 Hz，而改進后的Parylene 的共振峰為1 400 Hz。測試中由于透聲帽的共振峰測試時，透聲帽的外部為空氣，根據(jù)流固耦合原理，其峰值比實際應用中大一些。實驗中Parylene 無透聲帽的水聽器的頻帶得到了拓寬。

2.2 阻尼法測試共振峰

為了進一步驗證水聽器頻帶的拓寬，可以通過分析水聽器衰減信號得到敏感結(jié)構(gòu)的共振峰。當聲源發(fā)送一個正弦波，水聽器接收到的衰減信號如圖5 所示。

阻尼曲線可以得到衰減信號的周期T=700 μs，從而求出敏感結(jié)構(gòu)的共振頻率:f=1/T=1 428.57 Hz。從而進一步驗證了Parylene 薄膜封裝的MEMS 矢量水聽器的共振峰提高到了約1 400 Hz。

圖5 阻尼曲線Fig 5 Damping curve

2.3 矢量水聽器校準系統(tǒng)測試

為了驗證Parylene 薄膜封裝MEMS 水聽器的性能，采用矢量水聽器校準裝置來測試MEMS 矢量水聽器。靈敏度校準測試采用比較法校準，如圖6，即將測得信號和標準水聽器的輸出進行比較，得到被測MEMS 矢量水聽器的聲壓靈敏度。桶中為駐波聲場，被測水聽器的靈敏度S為

其中，UM與US分別為待校準水聽器和標準水聽器的開路電壓有效值，d 與d0為待校準水聽器與標準水聽器到液面距離，k 為波數(shù)。

圖6 靈敏度校準測試示意圖Fig 6 Diagram of sensitivity calibrating test

靈敏度測試曲線如圖7 所示，水聽器的頻帶上限低于共振峰的2/3 頻程，從頻率響應曲線上可以得出:聚氨酯封裝水聽器工作頻帶上限約為300 Hz，而Parylene 封裝水聽器工作頻帶上限超過了1000 Hz。結(jié)論和以上的實驗一致。

圖7 靈敏度曲線Fig 7 Sensitivity curve

3 結(jié) 論

水聽器的透聲帽對封裝水聽器的性能影響很大，透聲帽共振峰嚴重影響水聽器信號的接收。因此，本文提出了Parylene 薄膜封裝MEMS 矢量水聽器，實現(xiàn)無透聲帽封裝，消除了透聲帽對水聲信號接收的影響，實驗證實:Parylene 薄膜封裝水聽器的靈敏度與工作頻率得到了有效提高，其共振峰提高到了1400 Hz，頻帶可達1000 Hz。

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