丁俊文，周 瑜，李曉雷，滕 超，劉云飛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京100015)

0 引 言

近年來(lái)，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)矢量水聽(tīng)器的快速發(fā)展，越來(lái)越多的研究者希望在 MEMS矢量水聽(tīng)器中增加聲壓敏感通道來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境聲壓場(chǎng)的感知，最理想的方法就是通過(guò) 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(hào)的原理不同，很難通過(guò) 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(jìn)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(lái)了聲壓通道封裝形式的問(wèn)題。如文獻(xiàn)[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?yàn)樾枰姎膺B接，封裝必須與水隔離，常采用的辦法就是通過(guò)硅油/蓖麻油進(jìn)行水密封裝，韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)相關(guān)課題組提出了一種在場(chǎng)效應(yīng)管上制作壓電柵極的新型MEMS水聽(tīng)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(tīng)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(jìn)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(duì)MEMS矢量水聽(tīng)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(tīng)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(duì)象。用COMSOL5.3a軟件進(jìn)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(duì)壓電陶瓷圓環(huán)進(jìn)行了硅油+聚氨酯封裝和聚氨酯封裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)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(duì)一致。

1 纖毛式MEMS矢量水聽(tīng)器簡(jiǎn)介

纖毛式 MEMS矢量水聽(tīng)器依據(jù)魚(yú)類(lèi)側(cè)線細(xì)胞感知聲信號(hào)原理，用剛硬塑料柱體模仿魚(yú)類(lèi)側(cè)線細(xì)胞可動(dòng)纖毛，用懸空十字懸臂梁模仿感覺(jué)細(xì)胞，當(dāng)外界有聲源信號(hào)時(shí)，剛硬柱體感知聲源信號(hào)，發(fā)生諧振，進(jìn)而帶動(dòng)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(hào)。根據(jù)中國(guó)船舶重工集團(tuán)第715研究所計(jì)量站計(jì)量得到：纖毛式MEMS矢量水聽(tīng)器可探測(cè)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(diǎn)深度大于30 dB。

2 仿真設(shè)計(jì)

仿真設(shè)計(jì)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(jì)算出四種模型下的靈敏度曲線。進(jìn)行比較分析四種不同模型對(duì)聲壓通道靈敏度的影響。通過(guò)改變聚氨酯層的厚度，可以得到聚氨酯厚度對(duì)兩種封裝模型的影響關(guān)系。其次分析四種模型對(duì)壓電陶瓷圓環(huán)指向性的影響。本次仿真與試驗(yàn)用圓環(huán)壓電陶瓷型號(hào)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(duì)稱(chēng)，壓電陶瓷選用軟件內(nèi)置材料 PZT-5A，材料參數(shù)均為默認(rèn)。在仿真設(shè)計(jì)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(biāo)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)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?chē)?。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(cè)》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(dá)到?197.3 dB，帶內(nèi)起伏小于1 dB。從仿真結(jié)果來(lái)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(shí)際封裝過(guò)程中硅油外側(cè)為一層絕緣透聲帽，達(dá)到絕緣密封，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗壓等性能。聚氨酯透聲層按實(shí)際封裝簡(jiǎn)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(tái)。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(lái)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(shí)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(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證思路為：首先設(shè)計(jì)聚氨酯灌封封裝和硅油密封結(jié)構(gòu)，制作實(shí)物，然后在駐波管中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(jì)中考慮壓電陶瓷圓環(huán)的固定，設(shè)計(jì)有內(nèi)置支撐泡沫及金屬托臺(tái)，另外考慮陶瓷環(huán)的振動(dòng)形式以及防止與金屬托臺(tái)接觸構(gòu)成短路，陶瓷與金屬托臺(tái)間設(shè)計(jì)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(tīng)器，首先要準(zhǔn)備制作材料，如金屬托臺(tái)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(jìn)行清洗擦拭，以保證表面干凈，無(wú)污漬。環(huán)氧膠主要用于陶瓷、絕緣橡膠墊及金屬托臺(tái)之間的粘接，在進(jìn)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(shí)物圖如圖10所示。

圖10 聚氨酯封裝前后的壓電陶瓷環(huán)實(shí)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(jì)中，壓電陶瓷上下用橡膠O圈進(jìn)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(huì)影響壓電陶瓷振動(dòng)特性，設(shè)計(jì)中考慮制作工藝的可行性及圓環(huán)的徑向振動(dòng)形式，支撐聚甲醛與陶瓷內(nèi)壁設(shè)計(jì)有約1 mm的間隙。陶瓷振動(dòng)形變量一般為納米級(jí)，支撐聚甲醛對(duì)于低頻條件下的振動(dòng)特性可以認(rèn)為沒(méi)有影響。為了驗(yàn)證這一結(jié)論，設(shè)計(jì)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?？梢钥吹?，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(gè)微小間隙，否則在振動(dòng)過(guò)程中會(huì)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(tái)用軟膠硅橡膠704進(jìn)行粘接固定，在硅油耦合聚氨酯密封設(shè)計(jì)中，底部金屬托臺(tái)內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有進(jìn)油孔和出油孔。設(shè)計(jì)中預(yù)留了矢量通道窗口，為后續(xù)進(jìn)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(tīng)器，其工藝比制作聚氨酯灌封封裝結(jié)構(gòu)水聽(tīng)器相對(duì)復(fù)雜，主要涉及硅油的填充，壓電陶瓷的固定等。需要準(zhǔn)備的材料有金屬托臺(tái)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(jì)有引線槽。在用橡膠O圈進(jìn)行壓電陶瓷圓環(huán)固定時(shí)，需選用合適的O圈，不能過(guò)大或過(guò)小，過(guò)大，陶瓷會(huì)松動(dòng)，不穩(wěn)定；過(guò)小，陶瓷受力不均，會(huì)使一端貼合在聚甲醛外壁。在測(cè)試過(guò)程中，其相對(duì)位置的變化對(duì)接收靈敏度影響很大。在硅油填充過(guò)程中，首先需要對(duì)金屬結(jié)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)熱，硅油在80℃條件下進(jìn)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(guò)程中，需要在加熱后進(jìn)行，防止溫度過(guò)低時(shí)，空氣易溶解在硅油中。填充硅油選用醫(yī)用無(wú)塵針管進(jìn)行注入，注入工藝需多次進(jìn)行，在第一次注滿后，會(huì)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(shí)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(shí)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(cè)量與對(duì)比分析

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

式中：MV，MS分別代表被測(cè)水聽(tīng)器和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的靈敏度；UV，US分別代表被測(cè)水聽(tīng)器和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)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(zhǔn)(即振動(dòng)液柱法)測(cè)試有其低頻可測(cè)極限，約為10 Hz，因此測(cè)試從10 Hz開(kāi)始測(cè)量。對(duì)于低頻段 10～20 Hz，由于與最低可測(cè)頻點(diǎn)相近，測(cè)試中由于測(cè)試設(shè)備的原因會(huì)產(chǎn)生測(cè)試誤差，主要原因?yàn)樵诖说皖l段內(nèi)，駐波管底部聲源會(huì)使建筑機(jī)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(diǎn)處，均出現(xiàn)尖峰值。由于標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器與待測(cè)水聽(tīng)器此頻點(diǎn)處均表現(xiàn)出較小的接收聲壓信號(hào)，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(diǎn)靈敏度。綜上，本結(jié)論只分析20～1 250 Hz頻段內(nèi)靈敏度測(cè)試結(jié)果。在該頻段內(nèi)，水聽(tīng)器接收信號(hào)曲線光滑平整，整體看沒(méi)有失真情況。測(cè)試過(guò)程中，待測(cè)水聽(tīng)器用橡膠O圈進(jìn)行固定，兩種封裝方式均采用同一種方式固定，在測(cè)試過(guò)程中均位于液面以下同一深度，以確保水聽(tīng)器所處的聲場(chǎng)一致。測(cè)試過(guò)程中采用1/3倍頻程進(jìn)行計(jì)數(shù)，每一個(gè)頻率點(diǎn)，用示波器讀取待測(cè)水聽(tīng)器與標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓信號(hào)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(shì)基本一樣，與仿真值相差不大，靈敏度的帶內(nèi)均值達(dá)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(duì)較大，這與硅油耦合聚氨酯封裝制作工藝相對(duì)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(jìn)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(duì) MEMS矢量水聽(tīng)器聲壓通道封裝技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)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(duì)聲壓通道靈敏度的影響規(guī)律，其次設(shè)計(jì)了這兩種封裝形式的制作工藝并制備了實(shí)物，最后在駐波管中實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比了這兩種封裝方式對(duì)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(duì)聲壓通道的靈敏度特性影響不大，實(shí)際操作過(guò)程中，聚氨酯封裝工藝相對(duì)成熟穩(wěn)定，硅油耦合聚氨酯封裝工藝相對(duì)復(fù)雜、不確定，在考慮與 MEMS敏感芯片集成時(shí)，要注意第二種封裝方式在制作工藝中可能帶來(lái)的不確定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)后續(xù) MEMS矢量水聽(tīng)器的聲壓通道集成，進(jìn)而提升水聽(tīng)器及系統(tǒng)整機(jī)性能，具有重要的意義。