许 姣，张国军* ，石归雄，王晓瑶，刘细宝，张文栋，

(1．中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;2．中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051)

声波信息包括有声压、振速、加速度、位移等，既有标量场又有矢量场信息。为了能够在低频、小尺度阵形下获得一定的空间增益，且能给出水下目标精确的方位信息，矢量水听器是一种最佳的选择[1－4]。因此矢量水听器的研究工作受到国内外研究者的极大重视。矢量水听器是声纳探测的重要组成部分，其性能好坏与敏感转换微结构、微弱信号提取电路、以及为适应水下工作对敏感转换微结构采用的封装结构有关[5－7]。

“纤毛式MEMS矢量水听器”的封装采用了透声橡胶帽与蓖麻油结合来实现声音信号的传递[8]。这种封装方式基本解决了声信号从水中传递到纤毛的难题，但也存在声波能量损失较大的缺点。本文提出一种新型封装结构，即采用与透声帽相同材料的聚氨酯代替蓖麻油进行灌封，且聚氨酯仅淹没到纤毛的一半，在声源向纤毛的声波传递过程中仅经过了水和透声橡胶帽两层介质，减少了一次声波反射，提高了声波能量的传递效率。期望采用此新型封装结构提高矢量水听器的灵敏度。

本文首先建立水听器封装结构的声学理论模型，在此基础上采用ANSYS进行仿真。最后，制作出此封装结构的水听器样机，进行灵敏度及指向性测试。

1 新型封装结构的设计

根据水声学以及半导体材料的压阻效应，设计出基于MEMS的矢量水听器微结构[9－10]，该结构包括两部分:高精度四梁－中心连接体微结构和纤毛柱体。其中，纤毛柱体固定于四梁－中心连接体的中央，压阻敏感单元分别设置于四梁的边缘处。矢量水听器结构如图1所示。

图1 纤毛+四梁微结构芯片

仿生微结构加工好以后，必须对其进行封装，以防止浸入水中时敏感电阻与水接触造成短路。“纤毛式MEMS矢量水听器”的封装采用了透声橡胶帽与蓖麻油结合来实现声音信号的传递。

这种封装方式基本解决了声信号从水中传递到纤毛的难题，但也存在声波能量损失较大的缺点。因为声音信号从水中到传递给纤毛要经过水－橡胶帽－蓖麻油三层介质两次反射。虽然在原则上尽量保证橡胶帽和蓖麻油与水的特性阻抗匹配，但终究是声音经过的介质层数越多，信号的能量衰减越大，从而影响水听器接收信号的效率，进而影响到矢量水听器的灵敏度。

本文提出了一种新型封装方法，即采用与透声帽相同材料的聚氨酯代替蓖麻油进行灌封，由原先的三层介质变为两层介质，减少一次反射。同时在灌封过程中，让聚氨酯淹没到纤毛的一半，而不能淹没四梁微结构，以减小四梁微结构在形变过程中所受到的阻尼。其封装示意图如图2所示。

图2 “透声橡胶帽－聚氨酯”封装方式

2 理论模型

根据“透声橡胶帽－蓖麻油”封装方式，可以将水，聚氨酯、油看作三层介质，即聚氨酯帽的透声问题转化为声波在三层介质透射问题。理论模型如下。

图3 透声橡胶帽三层介质理论模型

根据波动方程式和尤拉方程可以写出各层介质中的声压p和振速u的表达式:

在介质Ⅰ中(在以下各式中略去时间因子ejωt)

在介质Ⅱ中

在介质Ⅲ中

以上各量均以角频率ω作简谐振动。

如图3所示，在x=0界面处的边界条件

在x=L界面处的边界条件

依据上述模型，可得该声波从水介质到油介质的透声系数[11]

其中，Z1，Z2，Z3分别为海水，聚氨酯，油的特性阻抗，k2为声波在聚氨酯透声帽中传播的波数，L为聚氨酯透声帽的厚度。

一般对于100 kHz以下的水听器，常采用低衰减、低渗水聚氨酯橡胶作为透声材料。聚氨酯是由聚醚，异氰酸酯，扩链剂三种成份组成。当聚醚与异氰酸酯，扩链剂按体积比1∶0．9∶0．1 配比时，聚氨酯的特性阻抗为 1．58 ×106N·s/m3接近于水[12]，即Z1≈Z2。当采用新型“透声橡胶帽－聚氨酯”封装方式，即Ⅱ与Ⅲ的介质相同，都为聚氨酯材料，则特性阻抗Z2=Z3，则式(14)即为。

3 有限元模拟

采用ANSYS对上述封装结构进行仿真。设定有限元的单元类型为SOLID45，此模型建立所需要的材料属性如表1所示，建立的模型如图4所示。

表1 材料属性

图4 矢量水听器敏感单元封装结构模型

3．1 静力分析

在固定芯片的支座上加约束，同时沿聚氨酯帽子X轴正方向加1 Pa载荷，通过定义路径，得到微结构X正半轴梁上的应力曲线，如图5所示。

图5 X正半轴梁上应力曲线

从图5可以看出，梁上的应力分布基本是线性的，且两端的根部应力最大，不过在梁的根部有跳动，所以电阻应该避开这个区域进行排布。为此梁上的压敏电阻布置在距根部两端80 μm的中心位置处。

3．2 谐响应分析

谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按正弦规律变化的载荷时的稳定响应的一种技术。

图6为谐响应分析结果，横坐标为频率，纵坐标为X轴方向上的位移。由图6可看出谐振频率在150 Hz。

图6 谐响应分析结果

4 传感器的灵敏度与测试

4．1 传感器灵敏度理论计算

本传感器采用恒压源供电电桥的输出电压为[13]:

其中，U0为供电电压，ΔRT表示温度变化ΔT=T－T0时，电阻的变化。通过传感器外接补偿电路可以对温度进行补偿，因此，温度的影响可以忽略，即ΔRT≈0。式(15)表明，电桥的输出电压与被测量成正比，而且与电桥输入电压的大小有关。

又知，电阻的相对变化ΔR/R与应力的关系如下式所示:

对于 P 型压敏电阻[14－15]:

因此，式(17)可以表示为:

由图5知，在1 Pa作用下，水听器X梁轴向最大应力σl=72 195．3 Pa;传感器供电电压 U0=5 V，代入式(19)，可得传感器输出灵敏度为0．259 mV/Pa(－191．7 dB)。

4．2 测试结果

采用矢量水听器校准装置对此封装结构的矢量水听器进行了测试。校准装置采用比较法校准的原理，即将被测矢量水听器与标准水听器的输出进行比较，得到被测矢量水听器的声压灵敏度。水听器敏感单元封装实物图如图7所示。

图7 水听器封装实物图

图8是被测矢量水听器的接收灵敏度曲线。由图8可知，该水听器一阶共振频率在150 Hz左右，与谐响应分析一致，其灵敏度最大达到－187．1dB;在150 Hz～2 kHz，其灵敏度曲线较平坦，灵敏度为－188．9 dB ±1．1 dB。

图8 频响曲线

经测试，该水听器样机在工作频段具有良好的“8”字型指向性。图9为矢量水听器在315 Hz时单轴方向(X方向)的指向性能图。其凹点深度为40．5 dB，最大值不均匀性为0．7 dB。

图9 传感器X轴方向的指向性图(315 Hz)

由测试结果可知:该封装结构的矢量水听器声压灵敏度达到－188．9 dB，比蓖麻油封装结构的灵敏度(－197．7 dB)提高了 8．8 dB(0 dB=1 V/μPa);工作频段为50 Hz～2 kHz，且具有“8”字型指向性的特征。

5 结论

本文提出的新型封装结构能提高声波能量的传递效率。对此新型封装结构进行ANSYS仿真，得出传感器的灵敏度为 0．259 mV/Pa(－191．1 dB)，共振频率为150 Hz。经测试:该封装结构的矢量水听器的声压灵敏度达到－188．9 dB，与仿真的结果基本相同，比蓖麻油封装结构的灵敏度(－197．7 dB)提高了8．8 dB;工作频段为50 Hz～2 kHz，具有典型的“8”字型指向性的特征。该新型封装结构的提出为高性能矢量水听器的研究开拓了新的方向，将其应用于水声探测领域还需要进一步的研究。

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