纤毛—硅柱结构MEMS二维矢量水听器设计与制备方法*

苗晋威, 杨沙沙, 齐秉楠, 乔庆宇, 刘国昌, 王任鑫

(中北大学 省部共建动态技术测试国家重点实验室,山西 太原 030051)

0 引 言

近年来，随着各国对海洋重视程度不断提高，海洋探测作为海洋开发探索的必备手段也愈发显得关键。将水声技术与微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)技术完美融合，日趋成了水声领域研究重点[1,2]。MEMS矢量水听器通常被安装在浮标、鱼雷、潜标、无人潜航器(unmanned underwater vehicle,UUV)等水下浮动载体上，但由于水下环境复杂，平台运动、海浪、洋流的冲击会使平台振动从而对水听器造成干扰。目前水听器抑制振动噪声的研究已经持续多年。2012年，哈尔滨工程大学张俊等人研究了悬挂减振装置对矢量水听器性能的影响，证明了减振装置的必要性[3]。2016年，中北大学王续博等人设计并制造了一种差分型矢量水听器，将两根纤毛对称的置于中心质量块的上下两端，使得水听器有着更低的信噪比[4]。2017年，哈尔滨工程大学赵天吉等人提出了基于橡胶减振的单级和双级减振系统来用作于水下质点振速拾振器，实现了减振系统对振动信号的抑制效果以及对拾振器性能的改善[5]。同年，谢攀等人设计了一种新型中心位置固定安装悬挂系统的矢量水听器，可将这种水听器适用于小尺寸平台[6]。2021年，中北大学杨溪等人提出了新型差分式MEMS矢量水听器，将纤毛贯穿芯片中心并使上下纤毛相等，这种差分式结构能够有效减少振动信号带来的影响[7]。这些对水听器的改进都说明了抑制振动信号对水声探测效果提升非常关键。

为了实现进一步提高水听器抑制振动效果、一体化集成度以及便捷搭载方式，本文基于MEMS技术提出一种纤毛—硅柱结构的MEMS矢量水听器。与普通矢量水听器相比，具有体积小、无须悬挂搭载、抑制振动噪声效果好等优点。同时，本文提出一种可批量制作工艺，将硅柱利用深硅刻蚀工艺加工，能够减少对准精度误差并且提高水听器一致性。对该结构的抑制振动效果进行了有限元仿真，结果表明纤毛—硅柱结构能够抑制振动噪声。

1 矢量水听器工作原理

MEMS矢量水听器是基于压阻效应的传感器，纤毛—硅柱结构二维矢量水听器是在传统水听器的基础上增加了一个平衡块，由十字梁、中心质量块、下方平衡块、纤毛、压敏电阻器和电气连接组成，整体结构如图1所示。

图1 整体结构

四梁上有压敏电阻器和金属引线组成的两组惠斯通电桥，如图2所示。水听器接收到水声信号时，纤毛会发生摆动从而带动十字梁形变，十字梁上的压敏电阻阻值随即发生变化，利用惠斯通电桥把电阻值的变化转换为电压的变化，最终实现信号的输出[8]。

图2 压敏电阻排布及惠斯通电桥

通常梁上应力变化最大点是压敏电阻器放置点。压敏电阻值的变化和梁上应力变化的关系如下

ΔR/R=π1σ1+π2σ2

(1)

式中 ΔR和R分别为压敏电阻的电阻值和电阻值变化量。σ1和σ2分别为压敏电阻受到的横向应力和纵向应力，π1和π2分别为σ1和σ2所对应的压阻系数。

当水声信号被水听器接收，梁被纤毛带动发生形变，电阻值改变后惠斯通电桥的X单路输出为

(2)

式中Vin为输入电压，Voutx为输出电压。ΔR1～ΔR4分别为惠斯通电桥上压敏电阻值的变化量。为了方便分析，设定梁上所有压敏电阻阻值相同，梁上电阻受到的应力基本相同，梁上四个电阻值变化量相等，所以上式可简化为

(3)

式中R0为压敏电阻的阻值。与X路相同，Y路信号也是通过这个原理将水声信号输出。

2 纤毛—硅柱二维矢量水听器结构设计

声波信号作用于水听器时，只有纤毛接收到了声波信号。而振动信号作用于水听器时，纤毛和平衡块都可以接收到振动信号并且两者对梁产生的形变能够相互抵消，从而达到抑制振动噪声的效果。

当水听器受到振动信号时，为了简化分析，将纤毛、中心质量块上部分、中心质量块下部分、平衡块和梁分别用字母A,B,C,D,E表示，如图3所示。由于B和C被梁的中间平面均等分为对称的两块，因此,B和C对E的弯矩大小相同方向相反可以完全抵消掉。下面仅需计算在振动冲击下A和D对E的弯矩。

图3 水听器结构划分示意

振动信号fx作用在纤毛上对梁的弯矩Ma以及平衡块上对梁的弯矩Mb为

(4)

(5)

可得出

Mc=Ma+Mb

(6)

其中，纤毛的高度、密度和半径分别用H，ρa和R表示，平衡块的厚度、密度和半径分别用h，ρb和r表示。从式(6)可以看出，设计合理的结构尺寸参数，能够让水听器受到振动噪声干扰时进行弯矩抵消，使得该结构实现抑制振动噪声效果。

3 仿真分析

由于光敏树脂密度与水相似，在测试中可以更好地探测水下声源，因此，本文选择光敏树脂作为水下探测的纤毛，其他结构选择硅材料。通过COMSOL软件对本文所设计的纤毛—硅柱结构参数进行仿真，包括静态分析，水中模态分析以及谐响应分析。为了简化模型，用固定约束来取代外边框，并结合实际工艺难度与设备条件，具体设计水听器结构参数：梁长L为1 200 μm,梁宽b为300 μm,梁厚t为15 μm,纤毛半径R为200 μm,纤毛高度H为5 500 μm,平衡块半径r为1 150 μm,平衡块厚度h为688 μm。材料参数如表1所示。

表1 所选用的材料特性

3.1 静态分析

对纤毛—硅柱结构的水听器进行静态仿真，在纤毛上施加1 Pa压力载荷，仿真结果如图4，得出纤毛—硅柱结构梁上表面最大应力ρ1为8.92×104Pa。普通纤毛二维矢量水听器灵敏度S0为-197 dB，梁上最大应力ρ2为2.08×104Pa。通过比较标定法公式S1=S0+20lg(ρ1/ρ2)[9]，计算得出纤毛—硅柱矢量水听器灵敏度为-184.35 dB。

图4 纤毛—硅柱水听器应力分布情况

对纤毛—硅柱结构水听器整体施加100gn载荷，得到静力学仿真的位移图与应力云图，如图5所示。从图中可以看出，此时水听器表面最大应力为1.65×106Pa，且出现在梁的两端根部。硅的比例极限σp为1.7 GPa，许用应力公式为σ=σp/n，依据结构的可靠性、工作环境等因素考量，设定安全系数n=5，计算得出最大许用应力为340×106Pa[10]。水听器在100gn振动载荷下的表面最大应力远小于硅的最大许用应力，说明水听器可以在100gn振动载荷内正常工作。

图5 100 gn振动下静态力学分析

3.2 模态分析

为了定性分析纤毛—硅柱结构水听器在工程应用中的可靠性，采取动力学分析方法—模态分析来确定其固有频率、模态振型等水听器结构本身的动态特性，从而避免水听器在使用过程中因共振造成结构损坏失效等问题[11]。利用COMSOL软件对水听器进行模拟水下环境的模态分析，如图6所示。水听器的工作频带就是一阶模态时的特征频率，为1 010.9 Hz。

图6 静态力学分析

3.3 谐响应分析

谐响应分析可以体现结构在周期性载荷下的稳态响应。把谐波扰动施加到水听器结构上，可以获得一条频率与响应值的曲线。由此可以确定所设计的结构会不会受到共振及其他受迫振动的影响[12]。对纤毛—硅柱结构水听器和普通水听器输入方向、大小相同的振动信号，得到了关于最大应力与频率关系的曲线如图7所示。从图中可以看出，在20～1 000 Hz内纤毛—硅柱结构水听器的最大应力明显小于普通水听器结构，由此可说明该结构可以有效抑制振动信号。

图7 谐响应仿真结果

4 制备工艺

结合尺寸参数以及对水听器仿真分析，本文提出一种加工纤毛—硅柱结构MEMS二维矢量水听器的加工工艺流程，具体工艺如图8所示。

图8 工艺加工流程图

如图8(a)，选择4in(1in=2.54 cm)、顶层硅340 nm,埋氧层3 μm,底层硅700 μm的SOI晶圆。对其进行标准清洗工艺。如图8(b)，通过等离子体增强化学气相沉积法(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)生长氧化硅来做阻挡层，阻止浓硼扩散时对非图形区域的掺杂。如图8(c)，光刻图形化欧姆接触区，用深反应离子刻蚀(deep reactive ion etching,DRIE)机刻蚀图形区氧化硅，用BOE溶液(缓冲氧化物刻蚀液)腐蚀欧姆接触孔内残留以及硅表面自然生成的氧化硅，将光刻胶去除并清洗。如图8(d)，二次标准清洗工艺后，用氧化扩散炉对晶圆进行重掺杂(浓硼扩散)。如图8(e)，使用BOE溶液(缓冲氧化物刻蚀液)去除浓硼扩散的阻挡层氧化硅以及扩散造成的硼硅玻璃。如图8(f)，光刻图形化方块电阻区，用反应离子刻蚀机刻蚀出方块电阻形状直到埋氧层，去胶并清洗。如图8(g)，通过磁控溅射的方法溅射金属铝，光刻图形化金属引线。用磷酸溶液完成对多余金属的腐蚀，此时光刻胶作为金属引线的保护层。金属引线腐蚀完成之后，将光刻胶去除。再用真空炉管退火炉进行退火处理，使得金属与半导体形成欧姆接触，实现压敏电阻的导通。如图8(h)，光刻图形化正面十字梁，利用反应离子刻蚀(RIE)完全刻穿埋氧化层，接着用深硅刻蚀机(DRIE)刻蚀部分底层硅。如图8(i)，这一步光刻在晶圆的背面，需要与正面图形进行双面对准。光刻图形化背腔贯穿区，用DRIE机刻蚀硅，完成背面与正面的贯穿，释放十字梁以及平衡块。

5 结 论

本文提出一种纤毛—硅柱结构MEMS矢量水听器，通过实现纤毛和硅柱的力矩平衡来达到抑制振动噪声的效果，并针对硅柱与水听器的一体化集成设计了基于MEMS的批量制造工艺。通过COMSOL有限元软件仿真纤毛—硅柱结构矢量水听器灵敏度为-184.35 dB，水听器可以在0～100gn振动载荷下正常工作。利用理论公式分析加上谐响应仿真验证了纤毛—硅柱结构可以在20～1 000 Hz内有效抑制振动噪声，并验证了这种抑制振动能力。与普通矢量水听器相比，设计的纤毛—硅柱矢量水听器具有灵敏度高、抗振动信号干扰能力强的优点。