仿生水听器设计、制造与测试

石归雄，张国军，刘细宝，王晓瑶，许 姣

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051)

仿生水听器设计、制造与测试

石归雄，张国军，刘细宝，王晓瑶，许 姣

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051)

根据仿生鱼类侧线细胞纤毛原理，设计、制造并测试了一种新型双纤毛压阻水听器，用于检测水下声信号。与传统的压电水听器相比，这种水听器具有体积小和矢量性的优点。利用聚氨酯仿生细胞壁作为透声帽，利用硅油模拟细胞液和压阻微梁模拟感觉纤毛三层拾振结构，从而提高纤毛式水听器的可靠性。封装以后的纤毛式水听器采用振动台和矢量水听器校准系统进行测试，测得谐振频率为2.03 kHz,灵敏度可达-180 dB，具有余弦“8”字指向性。

MEMS；矢量水听器；纤毛；测试

MEMS技术集成了微电子技术和精密机械加工技术两者的优点。在一个衬底上同时集成传感器,信号处理电路,执行器,构成微小的系统。相对于宏观的机电传感器，MEMS技术具备3个突出的优点，即高灵敏度、低噪声和微体积。同时MEMS器件基于集成电路制造工艺采用批量生产，有效地降低了传感器的制作成本。MEMS技术的发展把信息系统的微型化，多功能化，智能化和可靠性水平提高到新的高度。MEMS作为近20 a发展起来全新的领域，在各个领域有着广泛的发展前景，世界各发达国家都将MEMS做为未来科技发展的重点方向[1]。

采用压阻原理利用MEMS技术制作矢量水听器可以使传感器尺寸微型化，探测灵敏度达到－185 dB,同时利用压阻效应可以测量低频信号到零频的带宽范围，这为海洋声学和声纳系统的发展提供了一种新原理、新方法。由于MEMS加工工艺技术与半导体平面工艺兼容,因此可以在硅片上同时制作敏感检测部分与信号处理电路部分,实现单片集成，甚至系统集成。同时，由于制作过程中工艺都是通用工艺，因此加工制作方便，尤其适合批量制作，这不但可以大幅度降低水听器的制造成本，而且可以使得水听器的一致性更好，正好满足阵列集成时要求单个水听器一致性好的要求[2]。

1 设计

根据鱼类侧线细胞探测水中声波振动原理,本文提出一种新型微纤毛式水听器，利用聚氨酯模拟鱼类侧线细胞的细胞壁作为透声和保护的作用、硅油模拟细胞液作为传声介质，微梁模拟可动纤毛来拾取声波振动信号，结构如图1所示。纤毛式水声传感器的检测部分就是制作在微梁上压阻,在声波作用下通过微梁的变形，导致压敏电阻阻值发生变化，这样就可以通过电桥电路将声波信号转化为电信号输出，达到检测水声信号的功能。

图1 鱼类侧线细胞与纤毛式水听器

声学理论研究表明[1],声学刚性柱体在水中声波作用下运动时,其振速幅值V与声场中刚性柱体处介质质点的振动速度幅值V0之间的关系为：

式中：ρ0是介质密度；ρ¯是刚硬纤毛的平均密度。

在实际设计时，我们用两根末端连接在一起的平行仿生纤毛式悬臂梁代替单根纤毛，如图2所示，与单纤毛结构相比,采用这种结构有以下优点：（1）灵敏度提高1倍；（2）抗过载冲击性能好；（3）横向灵敏度小，正对声源时输出最大，具有指向性；（4）使纤毛柱体的密度与传声介质的密度一致，达到最佳的拾振效果。

图2 敏感结构和电阻变化示意图

根据图2所示,压阻微梁的根部连接在外围固定框架上,在每根微梁的根部通过扩散工艺形成声波检测用的压敏电阻,在框架上制作了同样形状、同样大小的参考电阻,声波检测单元是由微梁上压阻和参考电阻组成，检测电阻一起构成惠斯通电桥。当有声波作用在硅片平面内时，由图我们可以得出传感器的输出为：

精确控制压敏电阻制作的离子注入，在平面声波作用下，两根梁变化是一致的，可以得到：R1=R2=R3=R4=R，ΔR2=ΔR3=ΔR。这样化简（2）式得到输出为：

因为ΔR＜＜R,进一步化简上式得到：

微梁受到声波振动作用时,长的纤毛式悬臂梁将会产生弯曲。由于纤毛式悬臂梁的宽度远远大于其厚度,微梁末端的变形位移可以认为绕微梁根部摆动。优化微梁之间的距离,可以使横向变形位移互相抵消，从而使得微梁仅受轴向的拉伸或压缩变形.这样,利用两个梁根部压阻变化,通过电桥的输出电压就能检测出外部声波。纤毛式微梁的尺寸很小，仅为 3 500 μm×100 μm×20 μm，由于纤毛的长度很大，所以很小的位移就可以在微梁根部产生很大的应力，因此这种结构的微纤毛式水听器具有很高的灵敏度。

根据材料力学和弹性力学可知，当有水平声波作用于微结构的纤毛体时，其等效作用声压Pt将会在微梁产生力矩M。可得梁上表面正应力和微梁的谐振频率分别为：

式中：M=Pt(l-x)2/2为梁上任意x处的弯矩；I=Wt3/12为截面相对于中性轴的惯性矩；v为纵向声速；W为梁宽；t为微梁厚；l为梁长。由（5）和（6）可以得出通过增加梁长和减薄梁厚都能提高梁根部的最大应力，从而提高水听器的灵敏度；但是这也会降低传感器的一阶固有频率，使用的频带减小，所以必须综合考虑两者之间的关系，使结构达到最优化。

图4所示为利用ANSYS微梁在敏感方向上承受1 Pa载荷时的微梁中心轴各点的纵向和横向应力分布图，图3和图4表明理论和仿真是一致的。从图4中可以看出,微梁内的应力主要集中在轴向上,横向方向的应力都几乎为零。由于惠斯通电桥为半桥结构,在压敏电阻的设计过程中，需要尽可能地利用纵向效应并抑制横向效应，因而要求纵向应力尽量大，横向应力尽量小。水听器灵敏度可以近似地表示为：

式中：πl为p型硅的纵向压阻系数,πt为p型硅的横向压阻系数；σl为微梁内的轴向应力；σt为微梁内的横向应力；Vin为电桥的输入电压,根据实际使用条件,我们取为5V；根据式（4）可以计算出传感器的灵敏度为161 μV/Pa。

图3 微梁中心轴纵向应力分布理论值

图4 微梁内纵向和横向上的应力分布仿真图

2 工艺

本文所提出的微纤毛式水听器采用SOI有源层20 μm，埋氧层 2 μm，衬底层 400 μm,电阻率 3～4 Ω·cm。 工艺流程如图5所示,沿图2中微梁的中心轴剖面:(1)氧化,形成SiO2做掩模;（2）RIE刻蚀，刻蚀电阻条窗口；（3）硼离子注入,能量为100 keV,并退火形成压阻区域;（4）再氧化,形成SiO2做掩模；（5）RIE刻蚀，刻蚀欧姆接触孔；（6）正面扩浓硼，形成欧姆接触；（7） 再氧化,形成 SiO2；（8） 淀积氮化硅，PECVD双面淀积氮化硅1 100 A°；（9）刻蚀引线孔，正面RIE刻蚀电极接触孔；（10）溅射金并光刻、腐蚀、合金化形成金布线;（11）背面ICP刻蚀,这一步工艺非常关键,微梁厚度就是在这一步形成的,因此刻蚀深度必须精确控制；（12）正面RIE刻蚀，刻穿释放可动结构；（13）划片，划完片后的芯片大小为 5 500 um×5 000 um×400 um；（14）引线封装。图 6所示为制作好的芯片的SEM照片。（15）微矢量水听器仿生组装[1]，制作的矢量水听器如图7。

图5 制作工艺图图

图6 微结构的电镜照片

图7 制作成的水听器实物图

3 测试

水听器的测试是一个相对较复杂的过程，国内外一般采用矢量水听器标定系统进行水听器的校准，这种方法可以测试矢量水听器的灵敏度和频响，本文先采用传感器自动校准系统TV5220及其配套仪器对水听器的微结构进行了标定测试。试验中将丹麦B＆K公司生产的加速度计8053作为标准传感器（灵敏度为60 mV/g）。测试系统如图8所示。将水听器固定在振动台面上，其最大输出方向与振动台垂直。由信号发生器产生一定频率一定幅值的信号，经过功率放大后送入振动台，振动台上安装有标准加速度计和待测微结构，标准加速度计产生反馈信号控制振动台以恒定加速度进行振动。测量标准加速度计和待测微水听器的输出幅值，由于标准加速度计的灵敏度已知，因此可以得到待测件的灵敏度。固定信号的幅值进行扫频测量，可以得到微纤毛式水听器频率响应曲线。测试结果如图9所示。

图8 振动测试系统

图9 传感器频率响应曲线

在水听器标定系统进行水听器的灵敏度的校准，测试是从200 Hz开始的，由于驻波桶的最高测试频率不超过2 000 Hz。测试结果表明，该矢量水听器具有指向性特点，如图10所示，但是也存在凹点不够深的缺点，这与传感器的横向灵敏度没有完全抑制有关。对于同振式矢量水听器，其声压灵敏度频响曲线的斜率是每倍频程6 dB，即频率每升高1倍频程，灵敏度值提高1倍，测试结果如图11所示。

图10 水听器指向图

图11 声压灵敏度曲线

4 结论

本文设计、制作并测试了一种双纤毛压阻式高性能水听器,该水听器具有高灵敏度与定向接收抑制干扰能力强的特点,可以满足现代船只壁障以及江河湖海水下声信号测量测试的要求。特别是该结构灵巧简单易于批量化制作,具有广阔的发展前景。

[1]陈尚.硅微MEMS仿生矢量水听器研究[D].太原：中北大学，2008.

[2]毛海央.压阻式微加速度计误差机理分析[D].太原：中北大学，2007.

[3]乔慧，刘俊，张斌珍，等.一种新型压阻式硅微仿生矢量水听器的设计[J].传感技术学报，2008，2:301-304.

[4]J v Baar,M Dijkstra,R Wiegerink,et al.Arrays of cricket-inspired sensory hairs with capacitive motion detection[C]//IEEE Inernational Conference on MEMS,Miami Beach,FL,2005.

[5]Z Fan,J Chen,J Zou,et al.Design and Fabrication of Artificial Lateral-Line Flow Sensors[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2002,12:655-661.

[6]N Chen,J Chen,J Engel,et al.Development and characterization of high sensitivity bioinspired artificial haircell sensor[C]//The 12th Solid State Sensors,Actuator,and Microsystems Workshop,Hilton Head Island,SC,USA,June 4-8,2006.

[7]G Henkelman,G Johannesson， H Jónsson.Theoretical Methods in Condencsed Phase Chemistry[C]//S D Schwartz.Progress in Theoretical Chemistry and Physics,Volume 5，chapter 10,Kluwer Academic Publishers(2000).

Abstract：A silicon machined double-cilia micro-hydrophone is developed for underwater acoustic measurement.These hydrophones have the advantages of miniaturization and directional compared to the conventional piezoelectric acoustic hydrophones.The package of hydrophone imitates the lateral line cell of fish to improve the reliability of the hydrophone,using polyurethane as the cupula for packaging cap and silicone oil as the mucus and the beam as the cilium.The packaged hydrophone is tested by sensor auto calibration vibration system and vector hydrophone calibration system.The sensitivity is measured to be-180 dB and the corresponding resonant frequencies are 2.03 kHz,the hydrophone has a cosine"eight"directivity patterns.

Key words：MEMS;vector hydrophone;cilium;test

Design and Fabrication of a Bionic Hydrophone and Its Test

SHI Gui-xiong,ZHANG Guo-jun,LIU Xi-bao,WANG Xiao-yao,XU Jiao
（Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement,Ministry of Education&North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China）

TN721.1

A

1003-2029（2011）01-0044-04

2010-12-16

国际科技合作重大项目（2010DFB10480）；国家自然科学基金（50535030）

石归雄(1986-)，男，硕士研究生，主要从事微纳器件研究。