基于HTCC电路的MEMS复合同振型水听器设计

张 松，董自强，胡天宇，苗 峻，李 旭，朱 林，唐立赫，张晓桐，王大宇

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

同振型水听器是一种应用广泛的矢量水听器，能够同时拾取声场的标量信息和质点振速信息，提高对水下目标的定位能力。传统同振型水听器一般采用正交安装加速度计的方法来实现，一致性较差。将MEMS技术与传统水听器技术结合，研制出的MEMS矢量水听器具有体积小、成本低和一致性好等特点，已成为近年来水声领域的新热点之一[1-4]。

随着水下目标辐射噪声的不断降低，对MEMS矢量水听器感知水下微弱声信号的能力提出新挑战[3-4]。目标信号中往往掺杂耦合进入的干扰，初始信噪比较低。将调理电路内嵌到水听器内部，可有效降低电路噪声，提高信噪比。但由于MEMS水听器内部空间较小，限制了传统电路的内嵌使用。

针对以上问题，本文以MEMS矢量水听器芯片为基础，结合压电陶瓷环，基于高温共烧陶瓷(HTCC)技术实现水听器调理电路的集成与内嵌，提高了水听器的定位能力和信噪比，并通过驻波管测试初步验证了该矢量水听器的优越性能，为进一步工程应用打下了基础。

1 MEMS复合同振型水听器

MEMS复合同振型矢量水听器由MEMS二维四梁水听器芯片和压电陶瓷环组合而成，包含X、Y和P三路信号输出，对声场质点的矢量信息和标量信息进行同步检测，实现水声目标信号的探测和定位。其中，X，Y两路为矢量振速输出通道，P路为标量声压输出通道。该水听器结构如图1所示。

图1 MEMS矢量水听器结构

1.1 MEMS振速芯片设计

MEMS同振式矢量水听器的振速通道以SOI硅片为基础，采用标准MEMS微加工工艺制作而成，结构模型如图2所示，主要包括十字梁、固定在十字梁中心的刚性柱体和压敏电阻构成的惠斯通电桥。

图2 MEMS矢量水听器振速芯片示意

压敏电阻位于十字梁根部，通过扩散工艺加工而成，8个压敏电阻阻值相同，其中R1～R4连接成一个惠斯通电桥，R5～R8连接成另一个惠斯通电桥[5-8]。由分析可知，十字梁根部附近的应力变化与其端部的应力变化趋势相反，即其中一个是拉应力时，另一个必为压应力。根据惠斯通电桥的原理可知，此时X方向和Y方向的电阻可以分别连成2个全桥结构。当有声信号传递给水听器时，水听器会随着声场质点振动产生运动，驱动十字梁上柱体发生摆动，敏感柱体的摆动在十字梁结构上产生应力变化，梁上的压敏电阻阻值发生相应变化，通过信号提取电路的电压输出反应压敏电阻的阻值变化，实现声信号的矢量探测。

惠斯通电桥电压输出表示为：

当注入电阻阻值一致时，即R1=R2=R3=R4=R，ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR，ΔR<

MEMS传感器微结构的应力分布与敏感柱的高度及敏感梁的长度、宽度和厚度密切相关，而与输入信号的特性无关。为了研究微结构的谐振频率特性，分析矢量水听器的频响范围，确定其敏感宽带，需要对其进行动态分析。

振速芯片谐振频率表示为：

(1)

式中，Hv为敏感柱高度；m1为敏感柱和敏感梁结构的总质量；E为杨氏模量；K为敏感柱和敏感梁结构的等效刚度；w1为梁宽；t为梁厚；l为敏感梁梁长。由式(1)可以看出，传感器仿生微结构的谐振频率与刚性柱体的高度成反比，与1/4敏感梁的长度成反比，与敏感梁的宽度和厚度均成正比。

振速芯片的灵敏度依赖于梁上应力的变化，即应力变化越大，灵敏度越高，但通过计算可得梁上应力与谐振频率在结构参数上存在矛盾，而实际希望的设计效果是既有一个高的灵敏度，又有一个宽的工作频带，因此，在结构设计时需要综合考虑各种因素来获得一个最优的结构参数。

其中，芯片结构关键参数为：敏感梁的宽度和厚度；敏感柱的直径和长度。这4个参数是影响芯片特性的关键因素，影响芯片的灵敏度和谐振频率。综合仿真和测试结果，选取梁和柱体的参数如表1所示。

表1 十字梁和敏感柱体结构优化参数 μm

为了在不改变频带宽度的情况下，提高灵敏度，对十字梁进行了优化，设计了应力集中结构。通过在十字梁结构根部刻蚀3个镂空的洞，实现传感器性能的优化。在梁的两端加上一些掏空的洞之后，传感器的灵敏度有明显的提高，同时传感器结构的特征频率基本没有发生改变，因此能够在保证传感器带宽的前提下，有效提高传感器的灵敏度。如图3所示，应力集中模型产生的应力更大，导致电阻值变化也更大。

图3 优化传感器结构—应力集中结构设计

表2对比了在相同大小和方向的压力下，应力集中结构和普通结构的输出电阻值变化量，应力集中结构的输出电阻变化量更大，相比初始结构的变化量提升了一个数量级，传感器的灵敏度也得到提升。

表2 普通结构和应力集中结构压敏阻值变化对比 Ω

1.2 声压通道设计

1.3 封装设计

MEMS同振型水听器芯片加工完成后，需对其进行声学封装以防止浸入水中时压敏电阻与水接触造成短路，同时要求封装材料对声音的衰减小，封装完成后的水听器整体密度接近于水的密度。MEMS矢量水听器振速芯片完成流片、切割和选片后，首先将其固定在专门的绝缘管壳中，通过金丝压焊建立与外部的电连接关系。然后使用植柱设备将敏感柱体植入到十字梁中心，为保证芯片性能稳定性和振速通道一致性，敏感柱体必须与十字梁严格垂直。植柱完成后，将绝缘管壳焊接在内嵌的调理电路上，振速通道位于水听器的中央部分，外部利用透声帽进行隔绝封装。透声帽采用高频低衰减低渗水的有机玻璃材料制成，内部填充空气介质。振速通道完成封装后，将感知标量信号的压电陶瓷环固定在振速通道上面，压电陶瓷环上下使用闭孔泡沫进行填充固定。最后利用透声材料聚氨酯橡胶对水听器进行整体灌封。聚氨酯材料具有良好的机械性能，低透水、耐海水腐蚀，同时具备良好的透声性，既能防止海水的浸入和侵蚀，还有利于声音信号的传递。

声学理论研究表明，声学器件的几何尺寸如果远小于声波波长，且KL<<1时(其中，K为波数，L为器件的最大几何尺寸)，则柱体在声波作用下作自由运动时，其振动速度的幅值v与其周围声介质质点振动幅值v0间的关系为：

式中，ρ0为介质密度；ρ1为水听器的平均密度。

计算可知，当ρ1等于或接近ρ0时，其v与声场中水听器几何中心处介质质点的v0相同或接近[9-12]。MEMS复合同振型矢量水听器，底座采用轻质尼龙材料，外部透声材料采用聚氨酯材料借助模具灌注而成，灌封材料的密度为1.04 g/cm3，水听器的平均密度约为1.4 g/cm3，满足同振式水听器的设计要求。

1.4 HTCC调理电路设计

由于MEMS矢量水听器感知到的水下目标信号十分微弱，一般只有几毫伏到几十毫伏。此外，水听器检测到的这些微弱信号中，除了有用信号还掺杂着外部环境耦合的干扰信号。当水听器的调理电路用来测量这些微弱信号时，初始信噪比很低，有时甚至无法区分干扰信号和有用信号。要解决这个问题，一方面需要提高水听器的灵敏度，提高有用信号强度；另一方面就需要尽可能的减少干扰信号的产生，阻止干扰信号的耦合和进入。这就要求信号调理电路具有较低的自噪声和较高的抗干扰能力，不仅要尽量降低电路的本底噪声，还要滤除输入信号中的噪声以及外界耦合进来的噪声。将调理电路内嵌到水听器内部，可有效降低电路噪声，提高信噪比。但是由于MEMS水听器内部空间较小，传统的内嵌电路体积较大，限制了MEMS内嵌电路的使用。

多芯片组件(Multi-Chip Module，MCM)是在混合集成电路(HIC)基础上发展起来的一种微电子组装技术。MCM在增加组装密度、缩短互连长度、减少信号延迟、减小体积和提高可靠性等方面，具有明显的优点[13-16]。本文采用HTCC技术进行电路结构设计制造，该结构具有高强度、耐腐蚀、耐高温、寿命长及导热性能良好等特点，不仅可以减小电路尺寸，还可以降低本底噪声，提升电路抗干扰能力。信号调理电路最终设计4块尺寸为20 mm×20 mm×2 mm的HTCC陶瓷基板，将4层陶瓷基板封装集成后如图4所示。

图4 MEMS声矢量传感器实物图

将信号调理电路制备成集成模块，然后和传感器一起整体封装获得一种带低噪声前放的MEMS水听器，提高了MEMS水听器的接收灵敏度，增加了对微弱信号的观测能力，减少了电缆长度与环境噪声对水听器的影响，具有低频、小体积、高灵敏度及抗干扰能力强的特点[17-18]。

2 测试结果

采用矢量水听器的校准装置对矢量水听器进行测试，校准装置采用比较法，校准的原理是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灵敏度。由于本设计的水听器为同振型，这就要求水听器要以水介质质点相同的幅度和相位作振荡运动，因此要用弹性悬挂的方法对水听器进行测试。图5为矢量水听器的频响曲线和指向性测试结果图。

图5 水听器振速通道与声压通道灵敏度响应曲线

灵敏度校准过程中，将待校准水听器的最大灵敏度输出方向与驻波桶内的声波传播方向平行，由图5(a)可知该水听器的振速通道灵敏度频响曲线在频带范围20 Hz～1 kHz内基本满足每倍频程6 dB增加，在1 kHz处灵敏度达到-170.5 dB(0 dB=1 V/μPa)，工作频段为10～1 000 Hz，指向性呈现“8 ”字形，对称性好，且凹点深度为-40 dB@1 kHz。由图5(b)可知该水听器的声压通道灵敏度在频带范围20 Hz～1 kHz内基本呈现直线，在1 kHz处灵敏度为-174.7 dB(0 dB=1 V/μPa)，指向性呈现圆形。如图6所示，采用HTCC内嵌电路后，噪底明显降低，信噪比提高了15 dB。

图6 内嵌电路与非内嵌电路信噪比示意

3 结束语

MEMS矢量水听器是水下探测领域中出现的新型设备，将矢量芯片与压电陶瓷环相结合，能提高水听器对目标的定位能力。针对接收信号过程中容易受到环境噪声的影响，本研究设计了HTCC内嵌调理电路，实际测试结果表明针对10 Hz～1 kHz的微弱信号，内嵌调理电路能够有效地降低耦合噪声，提高信噪比，便于后续进行信号分析和处理。本文对于MEMS矢量水听器和调理电路的研究，对于水下探测领域具有一定的借鉴意义。