與陸地相比，海洋約占地球總面積的71%，未來人類將嚴(yán)重依賴可用的海洋資源，因此對各種水下目標(biāo)的檢測和觀測具有重要的研究意義。另一方面，水聲技術(shù)的發(fā)展可以顯著提高海上運輸?shù)男屎桶踩?/span>。因此，水聽器被認(rèn)為是水下目標(biāo)檢測的核心部件，包括聲壓水聽器和矢量水聽器。在傳統(tǒng)測量技術(shù)中，主要使用聲壓水聽器。然而，聲壓水聽器只能測量聲場的標(biāo)量參數(shù)-聲壓。與標(biāo)量水聽器相比，矢量水聽器具有測量矢量參數(shù)的能力，包括質(zhì)點位移、速度和加速度等。因此，矢量水聽器的抗各向同性噪聲能力得到增強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離和多目標(biāo)的識別。

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的快速發(fā)展，使得矢量水聽器有了實現(xiàn)低成本、低功耗和小型化的可能，并且更易成陣，是矢量水聽器未來發(fā)展的一個重要方向。因此，利用MEMS技術(shù)研究和開發(fā)矢量水聽器具有重要的研究意義。目前，MEMS矢量水聽器主要分為3類：壓阻式、電容式和壓電式。MEMS壓阻式矢量水聽器的結(jié)構(gòu)相對簡單，然而壓阻材料的換能效率相對較低，因此靈敏度較低。同時，由于焦耳熱的存在，使器件不可避免地會產(chǎn)生熱噪聲。MEMS電容式矢量水聽器具有良好的溫度穩(wěn)定性和高的靈敏度，但工作時需要偏置電壓，易受寄生電容的影響，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易粘連。2016年，聲學(xué)所研制了基于ZnO薄膜的MEMS壓電矢量水聽器，靈敏度比同類MEMS壓阻矢量水聽器高出17dB以上，工作頻帶為20～1200Hz。

目前，出現(xiàn)了一種依據(jù)仿生學(xué)理論，模擬魚類側(cè)線器官探測水中聲波振動原理，設(shè)計的微纖毛式矢量水聽器，但大部分都是基于壓阻效應(yīng)。2020年，Shi等研制了一種基于PZT的MEMS仿生壓電式矢量水聽器，在920Hz下的靈敏度為-189.3dB(Ref.1V/μPa)，凹點深度為21.41dB，工作帶寬為20Hz～2kHz。與同類型的壓阻式矢量水聽器相比，壓電式矢量水聽器具有換能效率高、靈敏度高、無源和噪聲低的優(yōu)點。此外，與電容式矢量水聽器相比，壓電式矢量水聽器工作時不需要偏置電壓，因此功耗較低。但MEMS壓電矢量水聽器的靈敏度還不能滿足實際應(yīng)用的要求。

本文為了進(jìn)一步提高壓電矢量水聽器的靈敏度，對一種具有U形槽或雙U形槽結(jié)構(gòu)的MEMS壓電式矢量水聽器進(jìn)行了仿真分析與優(yōu)化，提高了MEMS矢量水聽器的靈敏度。并采用微機(jī)械加工技術(shù)對水聽器芯片進(jìn)行了制備，最后對制備的芯片進(jìn)行了封裝與測試。

⒈MEMS壓電矢量水聽器工作原理

MEMS壓電矢量水聽器敏感元件是一個MEMS壓電加速度計。等效聲壓靈敏度M_p與加速度靈敏度S的關(guān)系如下式所示：

其中，ρc為介質(zhì)的聲特性阻抗，ω為振動的角頻率。為了提高M(jìn)EMS壓電式矢量水聽器的等效聲壓靈敏度M_p，就必須提高敏感元件加速度計的加速度靈敏度S。MEMS壓電加速度計的加速度靈敏度S可由下式計算得到：

其中，V為輸出電壓(V)，a_cc為施加在器件z軸方向的加速度(m/s²)，ε為壓電材料的介電常數(shù)，d₃₁和d₃₃為壓電材料的壓電系數(shù)，A為壓電薄膜上下電極的面積，σ_x,σ_y,σ_z為3個正應(yīng)力分量。

⒉雜散電容對MEMS壓電式水聽器實際靈敏度的影響

當(dāng)壓電換能元件受到外力作用時，將在壓電材料的表面產(chǎn)生電荷Q，并通過上下電極進(jìn)行存儲，因此可將MEMS壓電矢量水聽器敏感結(jié)構(gòu)看作一個電荷源與一個電容C和一個電阻R(其阻值與壓電材料的介電損耗有關(guān)，較高，可忽略)并聯(lián)的等效電路。但在芯片的實際制備中，引線和壓焊點等電極結(jié)構(gòu)會給芯片帶來寄生電容C_c。同時，實際應(yīng)用中，還存在著電纜線所帶來的分布電容C_s(主要由阻抗匹配前的電纜引起)，因此，器件的等效電路如圖1所示。

圖1 MEMS壓電矢量水聽器敏感元件的等效電路

由于電容C很小，寄生電容和分布電容等雜散電容對器件的實際靈敏度有很大的影響。因此，在器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，研究雜散電容對器件實際靈敏度的影響是非常重要的。在不考慮寄生電容和分布電容時，器件的輸出電壓為V＝Q/C；當(dāng)考慮寄生電容和分布電容時，器件的輸出電壓V₁為：

根據(jù)式(4)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時，不僅需要考慮電荷量Q的增加，還需要考慮敏感結(jié)構(gòu)的電容量C不能過小。而敏感結(jié)構(gòu)的總電能E可表示為：

即結(jié)構(gòu)的總電能E越高，傳感器抗外界寄生和分布電容的能力就越強(qiáng)?；谝陨戏治?，本文提出綜合考慮理論靈敏度S和能量E的方法來進(jìn)行MEMS矢量水聽器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在實際的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，我們不是將理論靈敏度最大作為優(yōu)化的依據(jù)，而是將理論靈敏度與能量的乘積最大作為優(yōu)化的依據(jù)，以期最大化器件的實際靈敏度。

⒊有限元仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

傳統(tǒng)的MEMS壓電矢量水聽器的敏感結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括由壓電層和彈性層組成的彈性復(fù)合懸臂梁以及質(zhì)量塊。ZnO薄膜作為結(jié)構(gòu)的壓電層，位于硅懸臂梁之上，與硅梁之間有一層SiO₂，主要用于絕緣。在實際仿真中，我們忽略了壓電層上下表面的電極層對器件的影響，因此，共3層結(jié)構(gòu)組成復(fù)合懸臂梁。復(fù)合懸臂梁的一端固定，另一端連接由硅材料組成的質(zhì)量塊。各結(jié)構(gòu)的尺寸及材料參數(shù)如表1所示。

(a)三維結(jié)構(gòu)；(b)剖面圖

圖2 單臂懸臂梁結(jié)構(gòu)

相比傳統(tǒng)的單臂懸臂梁結(jié)構(gòu)，我們提岀了一種具有U形或雙U形的懸臂梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過刻蝕單個或兩個U形槽，使單懸臂梁結(jié)構(gòu)變?yōu)?個或3個尺寸相同，并且在力學(xué)上并聯(lián)的懸臂梁結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)靈敏度的提高。同時對各懸臂梁上的壓電薄膜換能結(jié)構(gòu)進(jìn)行電學(xué)上串聯(lián)，從而使靈敏度得到進(jìn)一步提高。

(a)U形槽結(jié)構(gòu)；(b)雙U形槽結(jié)構(gòu)

表1 各敏感結(jié)構(gòu)的尺寸及材料參數(shù)

圖4顯示了在重力加速度(g)下，不同結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布?？梢钥闯觯瑧?yīng)力變化較大的區(qū)域集中在懸臂梁根部周圍，當(dāng)它遠(yuǎn)離懸臂梁的根部時，應(yīng)力分布急劇減小。

(a)雙U形懸臂梁；(b)U形懸臂梁；(c)單臂懸臂梁

理論上，根據(jù)式(2)，可以通過減小電極面積并將其分布在懸臂梁根部來提高結(jié)構(gòu)的靈敏度，如圖5所示。因此，我們提出了對電極分布面積的優(yōu)化。另一方面，電極面積的減小和壓電層厚度的增加將降低有效電容C，使器件更容易受到雜散電容的影響，從而降低器件的實際靈敏度。因此，我們綜合研究了理論靈敏度S和總電能E，利用有限元方法優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的壓電層厚度和電極面積，以提高實際靈敏度。

圖5 雙U形槽結(jié)構(gòu)中，電極分布在懸臂梁根部，并且面積小于壓電層

將3種不同結(jié)構(gòu)的懸臂梁根部進(jìn)行固定，加載同樣的重力加速度(g)于質(zhì)量塊之上，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析。由于σ_z應(yīng)力分量過小，可忽略，理論的加速度靈敏度的計算公式(2)可簡化為：

圖6為歸一化坐標(biāo)下，電能E及理論靈敏度S隨壓電層厚度的變化，虛線為兩者的乘積。

圖6 歸一化坐標(biāo)下，不同結(jié)構(gòu)的電能E及加速度靈敏度S隨壓電層厚度的變化

由圖6可以看岀，隨著壓電層厚度的的增加，S和E先增加后減小。值得注意的是，在不考慮能量時，當(dāng)壓電層厚度約為7.6μm(即硅梁厚度的47.5%)時，理論靈敏度S最大；當(dāng)考慮能量時，兩者的乘積在壓電層厚度為4.6μm(即硅梁厚度的28.8%)時最大。即綜合考慮能量(寄生電容和分布電容的影響)及理論靈敏度時，壓電層厚度最優(yōu)為4.6μm。

此外，還研究了不同電極面積對實際靈敏度的影響。圖7為歸一化坐標(biāo)下，電能E及理論靈敏度S隨電極面積的變化，虛線為兩者的乘積。由圖7可以看出，隨著電極面積的增加，S逐漸降低，E先增加后減?。欢鴥烧叩某朔e在電極面積為壓電層的50%時最大。即采用綜合考慮能量E(寄生電容和分布電容的影響)及理論靈敏度S的方法對電極面積進(jìn)行優(yōu)化時，電極面積最優(yōu)為壓電層的50%。

圖7 歸一化坐標(biāo)下，不同結(jié)構(gòu)的電能E及加速度靈敏度S隨電極面積的變化

當(dāng)電極面積為壓電層的50%時，3種不同結(jié)構(gòu)的理論靈敏度S隨壓電層厚度的變化如圖8所示。

圖8 不同結(jié)構(gòu)的加速度靈敏度隨壓電層厚度的變化

由圖6可知，當(dāng)壓電層厚度為4.6μm時，能最大程度地提高器件的實際靈敏度，此時雙U形結(jié)構(gòu)的理論靈敏度S為單臂結(jié)構(gòu)的3.05倍，相應(yīng)的雙U形結(jié)構(gòu)的矢量水聽器的等效聲壓靈敏度比單臂結(jié)構(gòu)提高了9.7dB。

⒈制備

基于ZnO的MEMS壓電式矢量水聽器芯片的具體結(jié)構(gòu)包括Si材質(zhì)的基底，由Si梁、SiO₂層、壓電層和上下電極組成的復(fù)合懸臂梁，以及Si材質(zhì)的質(zhì)量塊。上下電極選擇在懸臂梁根部處，其面積分別為壓電層的20%，50%和66%。圖9是不同電極面積的芯片結(jié)構(gòu)圖，詳細(xì)的微加工技術(shù)與先前的報道一致。其中，由于ZnO越厚，圖形化時的側(cè)向腐蝕越嚴(yán)重，將大大減小ZnO壓電層的有效尺寸，嚴(yán)重影響器件的性能。因此，本文制備的ZnO厚度選擇為1.6μm，在未來，我們將進(jìn)一步對ZnO層的圖形化工藝進(jìn)行研究與優(yōu)化，使ZnO層的厚度達(dá)到仿真的最優(yōu)，即4.6μm。在我們之前的研究報道中，我們已詳細(xì)研究過壓電材料ZnO薄膜的制備與優(yōu)化，并對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試與分析。從XRD圖可以看出，制備的ZnO薄膜是具有(002)擇優(yōu)生長的，說明其具有明顯的壓電性能。并且，研制了基于此ZnO薄膜材料的MEMS壓電傳聲器，測試得到其具有較高的靈敏度，也證明了我們制備的ZnO薄膜良好的壓電性能。

圖9 不同電極面積的雙U形槽結(jié)構(gòu)

圖10為切片后MEMS壓電矢量水聽器芯片實物圖、光學(xué)顯微照片、以及SEM圖，芯片尺寸為4mm×4mm×0.52mm。可以看出，器件的結(jié)構(gòu)完整，振膜平整，無翹曲變形，電極和壓電層未受損。另一方面，從剖面圖可以看出復(fù)合振動懸臂梁結(jié)構(gòu)具有初始位移，這主要是由質(zhì)量塊帶來的。結(jié)果表明，此工藝過程可以有效地保持結(jié)構(gòu)的完整性。

(a)切片后的實物圖；(b)芯片結(jié)構(gòu)正面的光學(xué)顯微照片；(c)芯片結(jié)構(gòu)背面的SEM圖；(d)芯片結(jié)構(gòu)從AN截面觀察的SEM剖面圖

圖10 MEMS壓電式矢量水聽器芯片

⒉芯片的封裝

MEMS壓電矢量水聽器芯片的具體封裝結(jié)構(gòu)如圖11(a)所示。由于MEMS壓電芯片的等效電容量非常小，相當(dāng)于一個高輸出阻抗的元件，因此電路部分需包含阻抗匹配電路。本文采用低噪聲的JFET進(jìn)行阻抗匹配，同時電路對采集到的信號進(jìn)行了50倍(34dB)的放大，電路原理圖如圖11(b)所示。ABS塑料環(huán)是為了給芯片的振動提供一定體積的空腔。

(a)封裝結(jié)構(gòu)示意圖：(b)電子原理框圖

圖11 MEMS壓電矢量水聽器芯片的封裝

封裝后的實物圖如圖12所示，鋁殼內(nèi)包含有MEMS矢量水聽器芯片、ABS塑料環(huán)和具有匹配電路的電路板。

 圖12 封裝后的實物圖

MEMS壓電矢量水聽器敏感元件的加速度靈敏度主要通過與電壓輸出型的標(biāo)準(zhǔn)加速度計(CA-YD-1181，加速度靈敏度為100mV/g)進(jìn)行比較標(biāo)定獲得。測量系統(tǒng)如圖13所示，包括動態(tài)信號分析儀(Agilent35670A)、功率放大器(B&K2712)、振動臺(B&K4813)、標(biāo)準(zhǔn)加速度計和被測量的MEMS壓電矢量水聽器敏感元件。

如圖14所示為雙U形槽結(jié)構(gòu)在不同電極面積下的加速度靈敏度的頻響特性曲線。可以看出，器件的諧振頻率在800Hz～1kHz之間。當(dāng)電極面積為壓電層的50%時，器件的靈敏度最大，而不是20%(不考慮雜散電容時，理論靈敏度更高)，與圖7中的仿真結(jié)果一致。說明綜合考慮理論靈敏度和能量的優(yōu)化方法比只考慮理論靈敏度的優(yōu)化方法更為合理。

圖13 MEMS壓電矢量水聽器敏感元件測量系統(tǒng)

圖14 不同電極面積下，雙U形槽結(jié)構(gòu)的加速度靈敏度的頻響特性曲線

當(dāng)電極面積為壓電層的50%時，3種不同結(jié)構(gòu)測得的加速度靈敏度的頻響特性曲線如圖15所示。由圖15可以看出，雙U形槽結(jié)構(gòu)的加速度靈敏度最大，U形槽結(jié)構(gòu)次之，單臂結(jié)構(gòu)最小，與圖8中的仿真結(jié)果一致。另外，雙U形槽結(jié)構(gòu)的加速度靈敏度約為單臂結(jié)構(gòu)的2倍。與仿真結(jié)果相比，實際測得的靈敏度較低，造成這一結(jié)果的主要原因是實際器件中使用的ZnO薄膜的壓電系數(shù)遠(yuǎn)小于仿真分析中使用的ZnO體材料的壓電系數(shù)。

圖15 電極面積為壓電層的50％時，不同結(jié)構(gòu)的加速度靈敏度的頻響特性

由式(1)可知矢量水聽器的等效聲壓靈敏度級(dB)為：

其中，f為振動頻率。由式(7)可得本文制備的不同結(jié)構(gòu)的MEMS壓電矢量水聽器的等效聲壓靈敏度的頻響特性曲線，如圖16所示。

圖16 不同結(jié)構(gòu)的MEMS壓電矢量水聽器的等效聲壓靈敏度的頻響特性曲線

可以看出，在10Hz～1kHz范圍內(nèi)，矢量水聽器的等效聲壓靈敏度隨著頻率的升高，基本呈線性增加，并且每倍頻程增加6dB，由式（7）也可得出此結(jié)論。此外，雙U形槽結(jié)構(gòu)的等效聲壓靈敏度仍然表現(xiàn)出最大的響應(yīng)，比單臂懸臂梁結(jié)構(gòu)的等效聲壓靈敏度高約5.9dB，在1kHz時的靈敏度為-186.8dB（Ref.1V/μPa，放大34dB）。與有關(guān)文獻(xiàn)報道的MEMS壓電矢量水聽器相比，本文制作的水聽器的原始靈敏度提高了8.7dB（去除放大的影響）。與近年來得到廣泛研究的仿生式MEMS矢量水聽器相比，本文研究的器件的靈敏度提高了約7.7dB（同樣去除放大的影響）。結(jié)果表明，本文研制的雙U形槽矢量水聽器能有效地提高M(jìn)EMS矢量水聽器的靈敏度。

x軸（沿懸臂梁長度方向）和y軸（沿懸臂梁寬度方向）方向的靈敏度相對于z軸（沿懸臂梁厚度方向）方向的靈敏度降低量反應(yīng)了器件的指向性性能。本文測量了不同結(jié)構(gòu)在300Hz（頻響較為平坦區(qū)域）和900Hz（接近諧振頻率區(qū)域）下的x，y，z三軸方向的靈敏度，并計算了x軸和y軸相對于z軸的靈敏度降低量，如圖17所示。

圖17 在300Hz和900Hz處，與z軸相比，x軸和y軸的靈敏度降低量

可以看出，指向性隨著頻率的增加而降低；x定軸方向的靈敏度降低量明顯低于；y軸方向的靈敏度降低量，造成這一結(jié)果的主要原因是：質(zhì)量塊的存在導(dǎo)致懸臂梁產(chǎn)生了彎曲，使得在加速度作用下，沿著懸臂梁的長度方向的振動比寬度方向的振動更加強(qiáng)烈。與單臂懸臂梁結(jié)構(gòu)相比，U形槽的加入在一定程度上降低了器件的指向性，雙U形槽結(jié)構(gòu)的最大降低量可達(dá)26dB。

靈敏度和指向性是矢量水聽器兩個十分重要的指標(biāo)，高的靈敏度有利于對于遠(yuǎn)距離弱目標(biāo)信號的探測；高的指向性一方面有利于抑制聲場中的各向同性噪聲和干擾，更重要的是有利于實現(xiàn)對于聲源的定位。由Si梁、SiO2絕緣層和ZnO壓電層組成的復(fù)合懸臂梁結(jié)構(gòu)的中性面距ZnO層下表面的距離。可表示為：

復(fù)合梁的等效彎曲剛度EI為：

其中，b為復(fù)合梁的寬度，h，h_c和h_p分別為Si梁、SiO2層和ZnO壓電層的厚度，E_p，E_b和E_c分別為ZnO，Si和SiO2的楊氏模量?？蘒形槽會降低梁寬b，從而使敏感結(jié)構(gòu)的等效彎曲剛度降低，在提高z軸方向的靈敏度的同時，也會使x軸和y軸的橫向靈敏度得到提高，從而在一定程度上降低了結(jié)構(gòu)的指向性。后續(xù)我們將通過提出降低質(zhì)量塊的橫向自由度的方法來提高器件的指向性。另一方面，可對高壓電性能的ZnO薄膜材料進(jìn)行研制與優(yōu)化，通過提高材料的壓電性能來達(dá)到靈敏度的提高，而不以犧牲指向性為代價。與仿生式MEMS矢量水聽器相比，本文研制的MEMS壓電式矢量水聽器的靈敏度提高了約7.7dB，同時指向性降低了約4dB?？傮w來說，本文研制的MEMS壓電式矢量水聽器具有明顯的指向性，以及較高的靈敏度，具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢。

本文對一種具有U形槽或雙U形槽結(jié)構(gòu)的MEMS壓電矢量水聽器進(jìn)行了理論仿真、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和器件研制。為了更準(zhǔn)確地優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，提出了理論靈敏度和能量結(jié)合的綜合分析方法。采用微機(jī)械加工技術(shù)制備了基于ZnO壓電薄膜的矢量水聽器芯片，并對制備的芯片進(jìn)行了封裝與性能測試。

實驗結(jié)果表明，當(dāng)電極面積為ZnO薄膜的50%時，靈敏度達(dá)到最大，而不是20%(不考慮雜散電容時，理論靈敏度更高)。通過分析，我們可以得出結(jié)論，理論靈敏度和能量的綜合優(yōu)化方法明顯比僅考慮理論靈敏度時更準(zhǔn)確。這主要是由于實際器件中的雜散電容較大，采用綜合優(yōu)化的方法可以較為準(zhǔn)確地分析雜散電容對器件實際靈敏度的影響。此外，具有雙U形槽結(jié)構(gòu)的MEMS壓電矢量水聽器的靈敏度比單臂懸臂梁結(jié)構(gòu)高約5.9dB，其在1kHz下的等效聲壓靈敏度為-186.8dB(Ref.1V/μPa，放大34dB)，并且具有良好的指向性。

【作者簡介】文/樊青青 李俊紅 翟禹光 馬軍，來自中國科學(xué)院聲學(xué)研究所。本文為基金項目，國家自然科學(xué)基金項目(11874388，12174420)、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所自主部署“前沿探索”類項目(QYTS202002)、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所自主部署“目標(biāo)導(dǎo)向”類項目(MBDX202112)資助。文章來自《聲學(xué)學(xué)報》（2023年第1期），用于學(xué)習(xí)與交流，參考文獻(xiàn)略，版權(quán)歸作者及出版社共同擁有，轉(zhuǎn)載也請備注由“溪流之海洋人生”微信公眾平臺編輯與整理。