一体化仿生结构压电MEMS水声传感器
2022-08-15
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作者简介】文章作者石树正,内蒙古乌兰察布人,副教授,博士研究生,主要从事微纳传感器件与执行器件的研究。本篇文章节选自论文《一体化仿生结构压电MEMS水声传感器》,发表于《微纳电子技术》,20221月第59卷第1期。

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摘要】 为了实现水声传感器的低能耗、高灵敏度以及低成本批量制造,设计并制备了一种四螺旋梁集成拾振微球的一体化仿生压电微电子机械系统(MEMS)水声传感器。根据水母耳石触觉结构和水母身体回弹发电原理对该传感器进行仿生结构设计,并通过建模仿真确定其几何尺寸。利用溶胶-凝胶法制备了PbZr0.52Ti0.48O3(PZT)压电薄膜,实现了压电层与Si晶圆片的异质集成,使用MEMS工艺制造了传感器件并完成封装。通过水声校准系统进行接收灵敏度测试,结果表明水声传感器的灵敏度达到-184.63dB,表现出良好的灵敏度特性。对促进无源水声传感系统的发展和解决深海环境中微弱信号的灵敏识别、探测等技术难题具有重要意义。

关键词】微电子机械系统(MEMS);水声传感器;仿生结构;压电效应;异质集成

0.引言

声呐系统是海洋信息基础装备中至关重要的环节,利用水声传感器获取水下目标的声信号,作为声呐系统的核心部件,高灵敏度和低功耗水声传感器件的研发成为水声领域的迫切需求[1]。随着传感芯片能源自给的需求,传统功率依赖和环境噪声问题引起的传感器灵敏度偏低、抗辐射和噪声能力差、需要外接电源等问题,势必需要新材料和机理来解决。

2012年,L.G.Guan等人[2]研制了一种仿生鱼测线神经细胞的T型结构压阻水听器,悬臂梁模仿测线纤毛细胞,梁上的压敏电阻仿效神经细胞,该水听器具有体积小、灵敏度高等特点。但是非线性关系明显,不利于对声信号的分析,同时等效噪声压力比海洋零噪声点高10dB左右,不适用于深海目标探测。为了提高水听器在空投时的高g值冲击性能,2017B.Bai等人[3]受海豹胡须的触觉细胞启发,提出了一种交叉支撑平面微电子机械系统(MEMS)压阻水听器。水听器的灵敏度为(-205±5)dB,工作频带为20300Hz,器件抗冲击能力大幅提升,但是灵敏度随之降低。2021年,R.X.Wand等人[4]报道了一种仿效水母耳石结构的MEMS低频水声传感器,其核心敏感单元为球体的仿生纤毛。器件的接收灵敏度为-202.1dB,工作频带为20200Hz,由于灵敏度偏低和工作带宽的限制使该水听器的工程应用范围很窄。以上机械感知仿生原理应用于传感器的最大不足在于都需要外接电源,功率依赖较强,灵敏度偏低。

针对传感器能源自给需求,2018B.D.Chen等人[5]利用海洋能源发电,首次研究了一种仿生水母游泳回弹结构的纳米发电机,以高分子薄膜为发电单元,实现了低频水波运动下的发电和波动信号监测。2019年,Z.L.Wang院士的团队[6]研制了一种仿电鳗发电器官细胞膜的可拉伸发电机,可以用于水下传感与能量收集。在液体环境中实现超过10V的开路电压,为新一代电子监测设备提供了一种新颖的替代电源。在压电水声传感器件研制方面,尤其对于压电薄膜的水声传感器件研究工作相对较少。2010年,S.Choi等人[7]研制出基于PbZrxTi1-xO3(PZT)压电陶瓷薄膜水听器,在16kHz时与传统水听器性能一致,但在100Hz1kHz时噪声太大,难以获取有效电学信号。2014年,Applied Physical Science公司[8]研制出一种基于梁结构的压电单晶二维加速度式矢量水听器。2016年,新加坡的J.H.Xu等人[9]制备出基于AlN薄膜(压电系数d335pC/N)的2mm×2mmMEMS次声水听器,在腔体硅-绝缘体(SOI)衬底上采用与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的工艺平台上制备了该结构,其声灵敏度达到-182.5dB,噪声分辨率为57.5dB,带宽为10100Hz,其优异的噪声分辨率同样优于传统的大型水听器。AlN压电薄膜材料的压电系数小,导致压电声学传感器的灵敏度偏低,仍是无源水听器亟待解决的最关键问题之一。

结合仿生生物触觉和发电各自优势,本文研究了仿生水母耳石触觉结构联合水母身体回弹发电原理,以PZT作为压电材料,对水声传感器的工作原理进行研究并完成仿生结构设计,通过COMSOL软件进行仿真分析,确定器件的几何尺寸,最终制造了四螺旋梁-拾振微球结构的新型无源器件并进行测试,实现了与MEMS集成工艺的完美兼容,形成触-力-电一体化仿生结构水声传感器。

1.压电水声传感器仿生工作原理

1.1 水中声场散射模型

当声波在水中传播过程中,入射声波遇到障碍物(目标)时,受到障碍物的干扰产生散射波。干扰程度的强弱直接影响水声传感器的有效接收。根据水中目标声散射原理[10],建立球形振动声学接收模型如图1所示,图中Ps为散射声压。取球坐标(rθφ),其中r为微球半径,θ为极角,φ为方位角。球面半径为a,球面中心与坐标原点O重合。假设单位振幅的简谐平面声波沿z方向入射在球面上,由于模型只取决于θ,而不是φ,可以将模型简化为二维平面问题。由于水声传感的拾振单元是球形,因此它与Helmholtz方程简正级数解是相容的。考虑以正z方向传播的平面波入射于以坐标系原点为中心的刚体球上,在这种轴对称情况下,根据Snell定理,平面波可以用球坐标表示为[11]

式中:PiP0分别为单频入射平面波声场中的声压和声压幅值;ω和k分别为入射声波的频率和波数;t为时间。

1球形振动声学接收模型

根据球面Bessel函数的积分表达式及式(1),入射声压和散射声压(Ps(rθ))分别为[10]

式中:Jn(kr)为Bessel函数;εnNeumann因子;H2(2)(kr)为第二类nHankel函数;An为复常数。声场中任意一点的声压(p)等于入射波与散射波的声压之和,将式(2)和式(3)带入式(1),可得

式中:J0(kr)为0Bessel函数;H2(2)(kr)为第二类0Hankel函数。

如果ra,则声学球面上任意一点的声压为[10]

式中H1(2)为二类一级Hankel函数。在入射平面波作用下,声学球面上的压力(F)可以表示为

阻抗 (Z)可以表示为[10]

式中c为声波在水中的声速。声学敏感元件的振动是一种矢量型振动,其信号可以通过具有介质粒子共振的拾振微球进行采集。拾振单元振速(v)与F的关系可描述为[12]

式中:ZmZs分别为机械阻抗和声阻抗。根据声波接收理论,当ka1时,拾取振动单元附近的声场不会发生明显的畸变。将式(6)和式(7)带入式(8)可得vv0关系式为

式中:v0为介质质点振速;ρ0ρ分别代表声场介质和拾振单元的密度。化简式(9)得出

由式(10)可以得出,当声学微球密度接近于水密度时,v=v0,产生同振现象,球体的振幅和相位可以通过水粒子的振动来表示。在低频时,当微球的密度等于流体密度时,振动的微球与流体颗粒在该位置的振动方式相同。如果将刚性微球固定在惯性换能器上,则可以产生与声粒子振动相关的信号。因此,选用密度与水密度相近的尼龙(ρ=1040kg/m3)微球作为拾振单元捕获质点振速信息。

1.2 振动力学发电模型

压电薄膜材料在不同的受力状态下,体现了不一样的机电转换类型,典型压电材料的压电系数d31d33d15d33d15分别应用于叉指电极和剪切电极;而d31的应力方向则垂直于耦合电场方向,多作为薄膜型传感器的压电系数,如图2所示,图中的h为薄膜厚度,也就是电极间的距离,黑色箭头方向为压电材料的自发极化方向,空心箭头方向为应力方向。

2d31机电转换模式

采用d31的悬臂梁结构仿生水母游泳回弹发电结构(图3),包括中间压电功能层与上下电极组成的典型的三明治结构,利用上、下电极与薄膜界面的振动形变产生正负电荷,生成电信号。

3振动力学发电模型

根据压电悬臂梁微振动结构,采用Smits理论模型[13],振动力学发电模型包括悬臂梁所受的弯矩(M)、梁上下表面分布载荷(P)和施加在薄膜电极上的电压(U),则其对应的方程为[13]

式中:S11siS11p分别为SiPZT的弹性柔顺系数;LwhSihp分别为梁的长、宽以及硅和PZT功能层的厚度;PZT材料的介电常数ε33(p)以及d31分别通过恒定电压、应力常数以及介电常数推出,尖端位移δ、尖端转角α,体积位移v和压电悬臂梁电极上产生的电荷Q均可由式(11)计算出来,系数ABK分别为[13]

若忽略电极间的电荷泄漏,悬臂梁上下表面产生的自由电荷Q[13]

单根悬臂梁上压电模块收到集中压力F时,压电模块电容值为C,则输出电压U

2.水声传感器结构设计

2.1 四螺旋梁结构设计

根据理论知识和推导,本文设计的四螺旋梁结构集成拾振单元作为器件振动系统,图4为压电水声传感器结构示意图。选取Si作为衬底、尼龙材料的微球作为拾振单元、压电性能优质的(111)PZT薄膜作为能量转换材料、低电阻率的金(Au)和铂(Pt)分别作为上、下电极。利用水母耳石接收和游泳回弹发电相结合的仿生一体化新原理,设计四悬臂梁和仿生纤毛集成串联压电敏感对称结构单元,中心微球受到声波冲击时,螺旋梁上产生方向相反的应力从而产生相位相反的电信号,可以作为多路输出,提高器件的能量输出。一般情况下水下目标的工作频率多为2000Hz以下,被测目标入射声波波数k8.4(k=2πf/cc=1500m/s),球形拾振单元满足ka=0.01261的条件,可知当该拾振微球直径(2a)为1500μm时,水声传感器附近声场不发生明显畸变。

图4 压电水声传感器结构示意图

2.2 有限元仿真与优化

传感器使用仿真软件COMSOL5.0进行建模及仿真分析结果如图5(a)所示,初步设置拾振微球直径(2a)为1500μm,梁厚度为30μm,外圈梁长为3500μm,梁宽为200μm。对建模结构添加压电物理场,拾振小球材料为尼龙,密度设为1g/cm3,框架及梁材料为Si,压电功能材料为PZT。对器件施加1g表面载荷的应力云图,内、外侧梁均出现应力方向相反的集中,与预期设计吻合。内侧梁应力基本为负,而外测梁基本为正,且应力更为集中,形成串联的发电结构。根据结构的应力分布云图得出PZT薄膜的位置以及分布如图5(b)所示。

图5 应力云图及PZT薄膜分布

随后对器件进行模态分析,图6为无阻尼条件下器件前六阶模态图,一阶振动模态图与工作振动状态相符,谐振频率为998.42Hz。二阶以后的谐振频率与一阶相差较大,证明该传感器具有较强的抗干扰能力。为保证声场在较宽的带宽内不发生畸变,优化后确定拾振微球直径为1500μm,梁厚度为30μm,外圈梁长为3500μm,梁宽为200μmPZT厚度为1μm

6最优参数下六阶模态图

3.水声传感器工艺设计与实现

3.1 功能薄膜异质集成及特性表征

采用溶胶-凝胶法在4英寸(1英寸=2.54cm)Si基底上分别制备了5710PbZr0.52Ti0.48O3(PZT)薄膜,每层约为100nm,如图7(a)X射线衍射(XRD)图谱所示,图中2θ为衍射角,PZT具有完美的钙钛矿结构,没有任何二次副产物晶体。薄膜呈现〈111〉取向的择优生长。优良的晶格结构可以有效提升传感器的灵敏度和信噪比。如图7(b)10PZT薄膜的扫描电子显微镜(SEM)图所示,PZT薄膜表面致密,晶粒分布均匀,无裂纹,可以加强PZT和金属电极的异质集成。图7(c)和(d)分别为PZT薄膜的电滞回线(电极化强度-电场强度(P-E))及电容-电压(C-V)曲线。P-E曲线测试频率为100kHz10PZT薄膜的剩余极化强度(Pr)为30μC/cm2,矫顽电场强度为39kV/cmC-V曲线呈现典型的蝴蝶曲线状,其介电损耗为0.059,介电可调性为0.66。可以看出测试样品具有铁电矩形环特征和明显的蝴蝶曲线特征,表明制备的PZT薄膜具有基本的电学特性,符合制备需求。良好的电学性能可以拓宽传感器的动态测试带宽。综上所述,溶胶-凝胶法制备的PZT薄膜具有优异的压电性能,适用于压电MEMS水声传感器的制造。

7 PZT薄膜形貌、结构及电学特性

3.2 水声传感器工艺制造及封装

MEMS压电水声传感器所选衬底为有Pt/Ti层的4英寸Pt/Ti/SiO2/Si基片。使用无水乙醇和去离子水按照标准工艺进行前期清洗,去除表面的沾污。采用MEMS工艺在衬底上制造了传感微结构,主要工艺包括溅射、溶胶-凝胶、光刻蚀、离子束刻蚀(IBE)、反应离子刻蚀(RIE)等工艺。声学微球被安装在硅环的中心,并将传感器件粘贴在印制电路板(PCB)上并完成引线键合。制作过程如图8所示。

8传感器掩膜流程示意图

该工艺中,采用溶胶-凝胶法在Si衬底上制备PZT,以实现压电薄膜的均匀性和粘附性。成熟的光刻工艺和离子刻蚀技术保证了悬臂梁尺寸的精确控制,提高了工艺的稳定性和成品率。传感器芯片及封装如图9所示。

9传感器芯片封装及器件单元图

10和图11分别为螺旋梁输出电压连接示意图和电路图,其中Q1Q2分别为螺旋梁上的两片PZT薄膜输出电量,Uo1Uo2为相应的输出电压,Co1Co2为等效电容,U总=Uo1Uo2,为单悬臂梁输出的总电压。

10螺旋梁输出电压示意图

11串联电路输出原理图

根据以上结构设计和仿真结果,输出电压是任意一个单独螺旋梁结构的两片PZT压电薄膜输出电压之和,同时也代表了水声信号的大小。由于结构对称,其他螺旋梁的输出电压也可以使用同样的方法计算。

4.传感器测试

水声传感器灵敏度是表征器件性能的一个典型参数,采用比较校准法对待校准水声传感器进行灵敏度校准测试[14],测试系统如图12所示,首先将待校准水声传感器及标准水声传感器放在驻波桶内同一高度,使其浸没在硅油中,信号发生器发出信号经放大器进行放大,从而带动驻波桶底部的发射换能器工作,换能器发出的声信号同时作用于待校准和标准水声传感器,两者输出的电压信号输出到数字示波器进行检测。

12水声校准测试系统图

待校准水声传感器灵敏度(Mx)标定为[15]

式中:exe0分别为待校准水声传感器和标准水声传感器的输出电压峰峰值;dd0分别为待校准水声传感器和标准水声传感器距离声源的距离;M0为标准水声传感器的灵敏度,M0=-180dB。待校准水声传感器的灵敏度频响曲线如图13所示,本文设计的水声传感器的灵敏度为-184.63dB1000Hz,工作带宽为202000Hz。该压电水声传感器灵敏度与之前的压阻式水听器[12](其灵敏度为-197.7dB)相比在工作频带内平均提高了约13dB。实验结果表明,压电螺旋梁仿生结构一定程度地提高了水声传感器的灵敏度。

13待校准水声传感器灵敏度频响曲线

5.结论

本文设计并研制了基于Si基片的四螺旋梁-拾振微球一体化仿生结构的无源MEMS水声传感器,对传感结构进行了仿真分析,采用MEMS制造工艺对传感器进行制造并封装。通过对比测试表明该水声传感器工作灵敏度可达-184.63dB,工作频率为202000Hz。为低功耗、高灵敏度和高动态测试范围的水声传感器提供了新的制备途径。

参考文献

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[5-15] 略.

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