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【作者簡介】文章作者石樹正，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，副教授，博士研究生，主要從事微納傳感器件與執(zhí)行器件的研究。本篇文章節(jié)選自論文《一體化仿生結(jié)構(gòu)壓電MEMS水聲傳感器》，發(fā)表于《微納電子技術(shù)》，2022年1月第59卷第1期。
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【摘要】 為了實(shí)現(xiàn)水聲傳感器的低能耗、高靈敏度以及低成本批量制造，設(shè)計(jì)并制備了一種四螺旋梁集成拾振微球的一體化仿生壓電微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)水聲傳感器。根據(jù)水母耳石觸覺結(jié)構(gòu)和水母身體回彈發(fā)電原理對(duì)該傳感器進(jìn)行仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過建模仿真確定其幾何尺寸。利用溶膠－凝膠法制備了PbZr0.52Ti0.48O3(PZT)壓電薄膜，實(shí)現(xiàn)了壓電層與Si晶圓片的異質(zhì)集成，使用MEMS工藝制造了傳感器件并完成封裝。通過水聲校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行接收靈敏度測(cè)試，結(jié)果表明水聲傳感器的靈敏度達(dá)到-184.63dB，表現(xiàn)出良好的靈敏度特性。對(duì)促進(jìn)無源水聲傳感系統(tǒng)的發(fā)展和解決深海環(huán)境中微弱信號(hào)的靈敏識(shí)別、探測(cè)等技術(shù)難題具有重要意義。
【關(guān)鍵詞】微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)；水聲傳感器；仿生結(jié)構(gòu)；壓電效應(yīng)；異質(zhì)集成
0.引言
聲吶系統(tǒng)是海洋信息基礎(chǔ)裝備中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，利用水聲傳感器獲取水下目標(biāo)的聲信號(hào)，作為聲吶系統(tǒng)的核心部件，高靈敏度和低功耗水聲傳感器件的研發(fā)成為水聲領(lǐng)域的迫切需求[1]。隨著傳感芯片能源自給的需求，傳統(tǒng)功率依賴和環(huán)境噪聲問題引起的傳感器靈敏度偏低、抗輻射和噪聲能力差、需要外接電源等問題，勢(shì)必需要新材料和機(jī)理來解決。
2012年，L.G.Guan等人[2]研制了一種仿生魚測(cè)線神經(jīng)細(xì)胞的T型結(jié)構(gòu)壓阻水聽器，懸臂梁模仿測(cè)線纖毛細(xì)胞，梁上的壓敏電阻仿效神經(jīng)細(xì)胞，該水聽器具有體積小、靈敏度高等特點(diǎn)。但是非線性關(guān)系明顯，不利于對(duì)聲信號(hào)的分析，同時(shí)等效噪聲壓力比海洋零噪聲點(diǎn)高10dB左右，不適用于深海目標(biāo)探測(cè)。為了提高水聽器在空投時(shí)的高g值沖擊性能，2017年B.Bai等人[3]受海豹胡須的觸覺細(xì)胞啟發(fā)，提出了一種交叉支撐平面微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)壓阻水聽器。水聽器的靈敏度為(-205±5)dB，工作頻帶為20～300Hz，器件抗沖擊能力大幅提升，但是靈敏度隨之降低。2021年，R.X.Wand等人[4]報(bào)道了一種仿效水母耳石結(jié)構(gòu)的MEMS低頻水聲傳感器，其核心敏感單元為球體的仿生纖毛。器件的接收靈敏度為-202.1dB，工作頻帶為20～200Hz，由于靈敏度偏低和工作帶寬的限制使該水聽器的工程應(yīng)用范圍很窄。以上機(jī)械感知仿生原理應(yīng)用于傳感器的最大不足在于都需要外接電源，功率依賴較強(qiáng)，靈敏度偏低。
針對(duì)傳感器能源自給需求，2018年B.D.Chen等人[5]利用海洋能源發(fā)電，首次研究了一種仿生水母游泳回彈結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機(jī)，以高分子薄膜為發(fā)電單元，實(shí)現(xiàn)了低頻水波運(yùn)動(dòng)下的發(fā)電和波動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)。2019年，Z.L.Wang院士的團(tuán)隊(duì)[6]研制了一種仿電鰻發(fā)電器官細(xì)胞膜的可拉伸發(fā)電機(jī)，可以用于水下傳感與能量收集。在液體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)超過10V的開路電壓，為新一代電子監(jiān)測(cè)設(shè)備提供了一種新穎的替代電源。在壓電水聲傳感器件研制方面，尤其對(duì)于壓電薄膜的水聲傳感器件研究工作相對(duì)較少。2010年，S.Choi等人[7]研制出基于PbZrxTi1-xO3(PZT)壓電陶瓷薄膜水聽器，在1～6kHz時(shí)與傳統(tǒng)水聽器性能一致，但在100Hz～1kHz時(shí)噪聲太大，難以獲取有效電學(xué)信號(hào)。2014年，Applied Physical Science公司[8]研制出一種基于梁結(jié)構(gòu)的壓電單晶二維加速度式矢量水聽器。2016年，新加坡的J.H.Xu等人[9]制備出基于AlN薄膜(壓電系數(shù)d33＝5pC/N)的2mm×2mm的MEMS次聲水聽器，在腔體硅－絕緣體(SOI)襯底上采用與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容的工藝平臺(tái)上制備了該結(jié)構(gòu)，其聲靈敏度達(dá)到-182.5dB，噪聲分辨率為57.5dB，帶寬為10～100Hz，其優(yōu)異的噪聲分辨率同樣優(yōu)于傳統(tǒng)的大型水聽器。AlN壓電薄膜材料的壓電系數(shù)小，導(dǎo)致壓電聲學(xué)傳感器的靈敏度偏低，仍是無源水聽器亟待解決的最關(guān)鍵問題之一。
結(jié)合仿生生物觸覺和發(fā)電各自優(yōu)勢(shì)，本文研究了仿生水母耳石觸覺結(jié)構(gòu)聯(lián)合水母身體回彈發(fā)電原理，以PZT作為壓電材料，對(duì)水聲傳感器的工作原理進(jìn)行研究并完成仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過COM－SOL軟件進(jìn)行仿真分析，確定器件的幾何尺寸，最終制造了四螺旋梁－拾振微球結(jié)構(gòu)的新型無源器件并進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了與MEMS集成工藝的完美兼容，形成觸－力－電一體化仿生結(jié)構(gòu)水聲傳感器。
1.壓電水聲傳感器仿生工作原理
1.1 水中聲場(chǎng)散射模型
當(dāng)聲波在水中傳播過程中，入射聲波遇到障礙物(目標(biāo))時(shí)，受到障礙物的干擾產(chǎn)生散射波。干擾程度的強(qiáng)弱直接影響水聲傳感器的有效接收。根據(jù)水中目標(biāo)聲散射原理[10]，建立球形振動(dòng)聲學(xué)接收模型如圖1所示，圖中Ps為散射聲壓。取球坐標(biāo)(r，θ，φ)，其中r為微球半徑，θ為極角，φ為方位角。球面半徑為a，球面中心與坐標(biāo)原點(diǎn)O重合。假設(shè)單位振幅的簡諧平面聲波沿z方向入射在球面上，由于模型只取決于θ，而不是φ，可以將模型簡化為二維平面問題。由于水聲傳感的拾振單元是球形，因此它與Helmholtz方程簡正級(jí)數(shù)解是相容的?？紤]以正z方向傳播的平面波入射于以坐標(biāo)系原點(diǎn)為中心的剛體球上，在這種軸對(duì)稱情況下，根據(jù)Snell定理，平面波可以用球坐標(biāo)表示為[11]
式中：Pi和P0分別為單頻入射平面波聲場(chǎng)中的聲壓和聲壓幅值；ω和k分別為入射聲波的頻率和波數(shù)；t為時(shí)間。
圖1球形振動(dòng)聲學(xué)接收模型
根據(jù)球面Bessel函數(shù)的積分表達(dá)式及式(1)，入射聲壓和散射聲壓(Ps(r，θ))分別為[10]
式中：Jn(kr)為Bessel函數(shù)；εn為Neumann因子；H2(2)(kr)為第二類n階Hankel函數(shù)；An為復(fù)常數(shù)。聲場(chǎng)中任意一點(diǎn)的聲壓(p)等于入射波與散射波的聲壓之和，將式(2)和式(3)帶入式(1)，可得
式中：J0(kr)為0階Bessel函數(shù)；H2(2)(kr)為第二類0階Hankel函數(shù)。
如果r＝a，則聲學(xué)球面上任意一點(diǎn)的聲壓為[10]
式中H1(2)為二類一級(jí)Hankel函數(shù)。在入射平面波作用下，聲學(xué)球面上的壓力(F)可以表示為
阻抗 （Ｚ）可以表示為[10]
式中c為聲波在水中的聲速。聲學(xué)敏感元件的振動(dòng)是一種矢量型振動(dòng)，其信號(hào)可以通過具有介質(zhì)粒子共振的拾振微球進(jìn)行采集。拾振單元振速(v)與F的關(guān)系可描述為[12]
式中：Zm和Zs分別為機(jī)械阻抗和聲阻抗。根據(jù)聲波接收理論，當(dāng)ka?1時(shí)，拾取振動(dòng)單元附近的聲場(chǎng)不會(huì)發(fā)生明顯的畸變。將式(6)和式(7)帶入式(8)可得v和v0關(guān)系式為
式中：v0為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振速；ρ0和ρ分別代表聲場(chǎng)介質(zhì)和拾振單元的密度?；喪?9)得出
由式(10)可以得出，當(dāng)聲學(xué)微球密度接近于水密度時(shí)，v=v0，產(chǎn)生同振現(xiàn)象，球體的振幅和相位可以通過水粒子的振動(dòng)來表示。在低頻時(shí)，當(dāng)微球的密度等于流體密度時(shí)，振動(dòng)的微球與流體顆粒在該位置的振動(dòng)方式相同。如果將剛性微球固定在慣性換能器上，則可以產(chǎn)生與聲粒子振動(dòng)相關(guān)的信號(hào)。因此，選用密度與水密度相近的尼龍(ρ=1040kg/m3)微球作為拾振單元捕獲質(zhì)點(diǎn)振速信息。
1.2 振動(dòng)力學(xué)發(fā)電模型
壓電薄膜材料在不同的受力狀態(tài)下，體現(xiàn)了不一樣的機(jī)電轉(zhuǎn)換類型，典型壓電材料的壓電系數(shù)d31、d33和d15。d33和d15分別應(yīng)用于叉指電極和剪切電極；而d31的應(yīng)力方向則垂直于耦合電場(chǎng)方向，多作為薄膜型傳感器的壓電系數(shù)，如圖2所示，圖中的h為薄膜厚度，也就是電極間的距離，黑色箭頭方向?yàn)閴弘姴牧系淖园l(fā)極化方向，空心箭頭方向?yàn)閼?yīng)力方向。
圖2d31機(jī)電轉(zhuǎn)換模式
采用d31的懸臂梁結(jié)構(gòu)仿生水母游泳回彈發(fā)電結(jié)構(gòu)(圖3)，包括中間壓電功能層與上下電極組成的典型的三明治結(jié)構(gòu)，利用上、下電極與薄膜界面的振動(dòng)形變產(chǎn)生正負(fù)電荷，生成電信號(hào)。
圖3振動(dòng)力學(xué)發(fā)電模型
根據(jù)壓電懸臂梁微振動(dòng)結(jié)構(gòu)，采用Smits理論模型[13]，振動(dòng)力學(xué)發(fā)電模型包括懸臂梁所受的彎矩(M)、梁上下表面分布載荷(P)和施加在薄膜電極上的電壓(U)，則其對(duì)應(yīng)的方程為[13]
式中：S11si和S11p分別為Si和PZT的彈性柔順系數(shù)；L、w、hSi和hp分別為梁的長、寬以及硅和PZT功能層的厚度；PZT材料的介電常數(shù)ε33(p)以及d31分別通過恒定電壓、應(yīng)力常數(shù)以及介電常數(shù)推出，尖端位移δ、尖端轉(zhuǎn)角α，體積位移v和壓電懸臂梁電極上產(chǎn)生的電荷Q均可由式(11)計(jì)算出來，系數(shù)A、B和K分別為[13]
若忽略電極間的電荷泄漏，懸臂梁上下表面產(chǎn)生的自由電荷Q為[13]
單根懸臂梁上壓電模塊收到集中壓力F時(shí)，壓電模塊電容值為C，則輸出電壓U為
2.水聲傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 四螺旋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)理論知識(shí)和推導(dǎo)，本文設(shè)計(jì)的四螺旋梁結(jié)構(gòu)集成拾振單元作為器件振動(dòng)系統(tǒng)，圖4為壓電水聲傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。選取Si作為襯底、尼龍材料的微球作為拾振單元、壓電性能優(yōu)質(zhì)的(111)PZT薄膜作為能量轉(zhuǎn)換材料、低電阻率的金(Au)和鉑(Pt)分別作為上、下電極。利用水母耳石接收和游泳回彈發(fā)電相結(jié)合的仿生一體化新原理，設(shè)計(jì)四懸臂梁和仿生纖毛集成串聯(lián)壓電敏感對(duì)稱結(jié)構(gòu)單元，中心微球受到聲波沖擊時(shí)，螺旋梁上產(chǎn)生方向相反的應(yīng)力從而產(chǎn)生相位相反的電信號(hào)，可以作為多路輸出，提高器件的能量輸出。一般情況下水下目標(biāo)的工作頻率多為2000Hz以下，被測(cè)目標(biāo)入射聲波波數(shù)k＜8.4(k=2πf/c，c=1500m/s)，球形拾振單元滿足ka=0.0126?1的條件，可知當(dāng)該拾振微球直徑(2a)為1500μm時(shí)，水聲傳感器附近聲場(chǎng)不發(fā)生明顯畸變。
圖4 壓電水聲傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
2.2 有限元仿真與優(yōu)化
傳感器使用仿真軟件COMSOL5.0進(jìn)行建模及仿真分析結(jié)果如圖5(a)所示，初步設(shè)置拾振微球直徑(2a)為1500μm，梁厚度為30μm，外圈梁長為3500μm，梁寬為200μm。對(duì)建模結(jié)構(gòu)添加壓電物理場(chǎng)，拾振小球材料為尼龍，密度設(shè)為1g/cm3，框架及梁材料為Si，壓電功能材料為PZT。對(duì)器件施加1g表面載荷的應(yīng)力云圖，內(nèi)、外側(cè)梁均出現(xiàn)應(yīng)力方向相反的集中，與預(yù)期設(shè)計(jì)吻合。內(nèi)側(cè)梁應(yīng)力基本為負(fù)，而外測(cè)梁基本為正，且應(yīng)力更為集中，形成串聯(lián)的發(fā)電結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖得出PZT薄膜的位置以及分布如圖5(b)所示。
圖5 應(yīng)力云圖及PZT薄膜分布
隨后對(duì)器件進(jìn)行模態(tài)分析，圖6為無阻尼條件下器件前六階模態(tài)圖，一階振動(dòng)模態(tài)圖與工作振動(dòng)狀態(tài)相符，諧振頻率為998.42Hz。二階以后的諧振頻率與一階相差較大，證明該傳感器具有較強(qiáng)的抗干擾能力。為保證聲場(chǎng)在較寬的帶寬內(nèi)不發(fā)生畸變，優(yōu)化后確定拾振微球直徑為1500μm，梁厚度為30μm，外圈梁長為3500μm，梁寬為200μm，PZT厚度為1μm。
圖6最優(yōu)參數(shù)下六階模態(tài)圖
3.水聲傳感器工藝設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 功能薄膜異質(zhì)集成及特性表征
采用溶膠－凝膠法在4英寸(1英寸＝2.54cm)Si基底上分別制備了5、7、10層PbZr0.52Ti0.48O3(PZT)薄膜，每層約為100nm，如圖7(a)X射線衍射(XRD)圖譜所示，圖中2θ為衍射角，PZT具有完美的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，沒有任何二次副產(chǎn)物晶體。薄膜呈現(xiàn)〈111〉取向的擇優(yōu)生長。優(yōu)良的晶格結(jié)構(gòu)可以有效提升傳感器的靈敏度和信噪比。如圖7(b)10層PZT薄膜的掃描電子顯微鏡(SEM)圖所示，PZT薄膜表面致密，晶粒分布均勻，無裂紋，可以加強(qiáng)PZT和金屬電極的異質(zhì)集成。圖7(c)和(d)分別為PZT薄膜的電滯回線(電極化強(qiáng)度－電場(chǎng)強(qiáng)度(P-E))及電容－電壓(C-V)曲線。P-E曲線測(cè)試頻率為100kHz，10層PZT薄膜的剩余極化強(qiáng)度(Pr)為30μC/cm2，矯頑電場(chǎng)強(qiáng)度為39kV/cm。C-V曲線呈現(xiàn)典型的蝴蝶曲線狀，其介電損耗為0.059，介電可調(diào)性為0.66。可以看出測(cè)試樣品具有鐵電矩形環(huán)特征和明顯的蝴蝶曲線特征，表明制備的PZT薄膜具有基本的電學(xué)特性，符合制備需求。良好的電學(xué)性能可以拓寬傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)試帶寬。綜上所述，溶膠－凝膠法制備的PZT薄膜具有優(yōu)異的壓電性能，適用于壓電MEMS水聲傳感器的制造。
圖7 PZT薄膜形貌、結(jié)構(gòu)及電學(xué)特性
3.2 水聲傳感器工藝制造及封裝
MEMS壓電水聲傳感器所選襯底為有Pt/Ti層的4英寸Pt/Ti/SiO2/Si基片。使用無水乙醇和去離子水按照標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行前期清洗，去除表面的沾污。采用MEMS工藝在襯底上制造了傳感微結(jié)構(gòu)，主要工藝包括濺射、溶膠－凝膠、光刻蝕、離子束刻蝕(IBE)、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)等工藝。聲學(xué)微球被安裝在硅環(huán)的中心，并將傳感器件粘貼在印制電路板(PCB)上并完成引線鍵合。制作過程如圖8所示。
圖8傳感器掩膜流程示意圖
該工藝中，采用溶膠－凝膠法在Si襯底上制備PZT，以實(shí)現(xiàn)壓電薄膜的均勻性和粘附性。成熟的光刻工藝和離子刻蝕技術(shù)保證了懸臂梁尺寸的精確控制，提高了工藝的穩(wěn)定性和成品率。傳感器芯片及封裝如圖9所示。
圖9傳感器芯片封裝及器件單元圖
圖10和圖11分別為螺旋梁輸出電壓連接示意圖和電路圖，其中Q1和Q2分別為螺旋梁上的兩片PZT薄膜輸出電量，Uo1和Uo2為相應(yīng)的輸出電壓，Co1和Co2為等效電容，U總＝Uo1＋Uo2，為單懸臂梁輸出的總電壓。
圖10螺旋梁輸出電壓示意圖
圖11串聯(lián)電路輸出原理圖
根據(jù)以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果，輸出電壓是任意一個(gè)單獨(dú)螺旋梁結(jié)構(gòu)的兩片PZT壓電薄膜輸出電壓之和，同時(shí)也代表了水聲信號(hào)的大小。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，其他螺旋梁的輸出電壓也可以使用同樣的方法計(jì)算。
4.傳感器測(cè)試
水聲傳感器靈敏度是表征器件性能的一個(gè)典型參數(shù)，采用比較校準(zhǔn)法對(duì)待校準(zhǔn)水聲傳感器進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)測(cè)試[14]，測(cè)試系統(tǒng)如圖12所示，首先將待校準(zhǔn)水聲傳感器及標(biāo)準(zhǔn)水聲傳感器放在駐波桶內(nèi)同一高度，使其浸沒在硅油中，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出信號(hào)經(jīng)放大器進(jìn)行放大，從而帶動(dòng)駐波桶底部的發(fā)射換能器工作，換能器發(fā)出的聲信號(hào)同時(shí)作用于待校準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)水聲傳感器，兩者輸出的電壓信號(hào)輸出到數(shù)字示波器進(jìn)行檢測(cè)。
圖12水聲校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)圖
待校準(zhǔn)水聲傳感器靈敏度(Mx)標(biāo)定為[15]
式中：ex和e0分別為待校準(zhǔn)水聲傳感器和標(biāo)準(zhǔn)水聲傳感器的輸出電壓峰峰值；d和d0分別為待校準(zhǔn)水聲傳感器和標(biāo)準(zhǔn)水聲傳感器距離聲源的距離；M0為標(biāo)準(zhǔn)水聲傳感器的靈敏度，M0=-180dB。待校準(zhǔn)水聲傳感器的靈敏度頻響曲線如圖13所示，本文設(shè)計(jì)的水聲傳感器的靈敏度為-184.63dB＠1000Hz，工作帶寬為20～2000Hz。該壓電水聲傳感器靈敏度與之前的壓阻式水聽器[12](其靈敏度為-197.7dB)相比在工作頻帶內(nèi)平均提高了約13dB。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，壓電螺旋梁仿生結(jié)構(gòu)一定程度地提高了水聲傳感器的靈敏度。
圖13待校準(zhǔn)水聲傳感器靈敏度頻響曲線
5.結(jié)論
本文設(shè)計(jì)并研制了基于Si基片的四螺旋梁－拾振微球一體化仿生結(jié)構(gòu)的無源MEMS水聲傳感器，對(duì)傳感結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，采用MEMS制造工藝對(duì)傳感器進(jìn)行制造并封裝。通過對(duì)比測(cè)試表明該水聲傳感器工作靈敏度可達(dá)-184.63dB，工作頻率為20～2000Hz。為低功耗、高靈敏度和高動(dòng)態(tài)測(cè)試范圍的水聲傳感器提供了新的制備途徑。
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