座用卢学 第37卷第1期 Vol. 37, No. 1 2018年1月 Journal of Applied Acoustics January, 2018 ◇汪承灏院士八十生辰学术论文◇ MEMS压电水听器和矢量水听器研究进展* 李俊红↑马军魏建辉任伟 (中国科学院声学研究所北京100190) 摘要基于微电子机械系统制造技术的MEMS压电水听器和矢量水听器具有小型化、低功耗、低成本、易成 阵、无源、噪音低等优点。对基于ZnO薄膜的MEMS水听器和矢量水听器进行了研究,测试结果表明,硅微压 电水听器的灵敏度为-192dB(ref.V/uPa),基本达到实用化的要求。MEMS压电矢量水听器等效声压灵 敏度为-229.5dB(ref.1v/uPa),比同类型压阻式MEMS矢量水听器的灵敏度高17dB,但还未达到实用化 要求。为了进一步提高MEMS矢量水听器的灵敏度,设计了具有U形槽的压电复合悬臂梁结构和电极串联 结构,采用具有更高压电系数的掺钒ZnO薄膜作为压电层,并对MEMS制备工艺进行了改进,有望显著提高 MEMS矢量水听器的灵敏度。 关键词微电子机械系统,水听器,ZnO薄膜,灵敏度 中图法分类号:TN384文献标识码:A文章编号:1000310X(2018)01-0101-05 DO:10.11684/jis.1000310x.2018.01.015 Research progress of MEMs piezoelectric hydrophone and vector hydrophone LI Junhong MA un Wel ianhui ReN Wei (Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China) Abstract MEMS piezoelectric hydrophone and vector hydrophone have the advantages of miniaturization low power consumption, low cost, easy to array, low noise, passive. The MEMS hydrophone and vector hy drophone based on ZnO films were studied. The results show that the sensitivity of silicon micro piezoelectric hydrophone is -192 dB(ref. 1 V/uPa), which basically meets the practical requirements. The equivalent acoustic pressure sensitivity of MEMS vector hydrophone is -229.5 dB (ref. 1 V/uPa), which is 17 dB higher than that of the same type of meMs piezoresistive vector hydrophone, but has not met the practical require- nents. In order to further improve the sensitivity of MEMS vector hydrophone, the separated electrodes series structure and the piezoelectric composite cantilever structure with u grooves were used in the design of MEMS vector hydrophone, the vanadium doped ZnO film with a higher piezoelectric coefficient was used as piezoelectric layer, and the MEMS process of piezoelectric hydrophone was improved Key words Micro-electro-mechanical systems, Hydrophone, ZnO film, Sensitivity 2017-10-31收稿;2017-12-01定稿 因家自然科学基金项目(11074274,1114319,11474304) 作者简介:李俊红(1976-),男,山西运城人,博士,副研究员,硕士生导师,研究方向:声学MEMS 通讯作者E-mail:ljh@ mail. ioa. ac cn
第 37 卷 第 1 期 Vol. 37, No.1 2018 年 1 月 Journal of Applied Acoustics January, 2018 ⋄ 汪承灏院士八十生辰学术论文 ⋄ MEMS压电水听器和矢量水听器研究进展∗ 李俊红† 马 军 魏建辉 任 伟 (中国科学院声学研究所 北京 100190) 摘要 基于微电子机械系统制造技术的MEMS 压电水听器和矢量水听器具有小型化、低功耗、低成本、易成 阵、无源、噪音低等优点。对基于ZnO薄膜的MEMS水听器和矢量水听器进行了研究，测试结果表明，硅微压 电水听器的灵敏度为−192 dB (ref. 1 V/µPa)，基本达到实用化的要求。MEMS压电矢量水听器等效声压灵 敏度为−229.5 dB (ref. 1 V/µPa)，比同类型压阻式MEMS矢量水听器的灵敏度高17 dB，但还未达到实用化 要求。为了进一步提高 MEMS 矢量水听器的灵敏度，设计了具有 U 形槽的压电复合悬臂梁结构和电极串联 结构，采用具有更高压电系数的掺钒ZnO薄膜作为压电层，并对 MEMS制备工艺进行了改进，有望显著提高 MEMS矢量水听器的灵敏度。 关键词 微电子机械系统，水听器，ZnO薄膜，灵敏度 中图法分类号: TN384 文献标识码: A 文章编号: 1000-310X(2018)01-0101-05 DOI: 10.11684/j.issn.1000-310X.2018.01.015 Research progress of MEMS piezoelectric hydrophone and vector hydrophone LI Junhong MA Jun WEI Jianhui REN Wei (Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China) Abstract MEMS piezoelectric hydrophone and vector hydrophone have the advantages of miniaturization, low power consumption, low cost, easy to array, low noise, passive. The MEMS hydrophone and vector hydrophone based on ZnO films were studied. The results show that the sensitivity of silicon micro piezoelectric hydrophone is −192 dB (ref. 1 V/µPa), which basically meets the practical requirements. The equivalent acoustic pressure sensitivity of MEMS vector hydrophone is −229.5 dB (ref. 1 V/µPa), which is 17 dB higher than that of the same type of MEMS piezoresistive vector hydrophone, but has not met the practical requirements. In order to further improve the sensitivity of MEMS vector hydrophone, the separated electrodes series structure and the piezoelectric composite cantilever structure with U grooves were used in the design of MEMS vector hydrophone, the vanadium doped ZnO film with a higher piezoelectric coefficient was used as piezoelectric layer, and the MEMS process of piezoelectric hydrophone was improved. Key words Micro-electro-mechanical systems, Hydrophone, ZnO film, Sensitivity 2017-10-31 收稿; 2017-12-01 定稿 ∗国家自然科学基金项目 (11074274, 11174319, 11474304) 作者简介: 李俊红 (1976- ), 男, 山西运城人, 博士, 副研究员, 硕士生导师, 研究方向: 声学 MEMS。 † 通讯作者 E-mail: ljh@mail.ioa.ac.cn
102 座用卢学 2018年1月 臂梁结构和电极串联结构,采用具有更高压电系数 1引言 的掺钒ZnO薄膜作为压电层,并改进了体硅刻蚀和 水听器是测量流体中声场(声压)的器件,其中压电厚膜图形化等工艺。 压电式水听器是最为普遍采用的一种水听器。矢量 水听器是能测量水下声场的质点位移、速度、加速度2MEMS压电水听器和矢量水听器研究 等矢量信息,从而使水声测量系统的线谱检测能力、 MEMS水听器主要部件是一个声压传感器,由 抗干扰能力以及抗各向同性噪声的能力得到明显于采用弯曲振动,所以工作频率较低。MEMS矢量 提高。低频、小型化、阵列化、低功耗、低成本是水听水听器是测量声场的质点速度和加速度的器件,其 器和矢量水听器发展的重要方向,特别是在一些要核心部件则是由一个惯性质量加上一弹性支撑所 求空间小的鱼雷和水雷、无人潜航器,以及低功耗、 构成的矢量传感器。弹性支撑梁采用弯曲振动方式 低成本的声纳浮标及具有较长阵列的拖曳阵等领使之在较低的频率下工作,并保持有小的尺寸 域。基于微细加工技术的微电子机械系统( Micro electro-mechanical systems,MEMS)水听器和矢量2.1MEMS压电水听器 水听器能满足这一要求。 中科院声学所研制的MEMS压电水听器的核 与大多数的MEMS声传感器相同, MEMS水心传感芯片是由压电薄膜和氮化硅等基底薄膜组 听器和矢量水听器主要有电容式、压阻式和压电式成的山1。我们研究了基于氧化锌薄膜的MEMS声 三种1-5。MEMS压阻式水听器和矢量水听器,其压传感器,并对其进行了封装构成了MEMS压电 优点是制备技术与已有半导体微细加工技术一样水听器。如图1所示,把MEMS压电传感器粘接在 已经成熟,结构也比较简单,因此制作比较容易,但开孔的底板上,并作好防水处理,为了防止短路 其缺点是灵敏度低。作为参考,MEMS压阻传声器氮化硅等基底膜接触水。把匹配电路也粘接在底 灵敏度仅为25μV/Pa,MEMS压电传声器已达到板上,通过硅铝丝压焊电连接,并引出引线,封装 1mV/Pa,即大40倍,差32dB之多。MEMS压阻外壳。封装后的MEMS水听器体积小于1cms对 式加速度计灵敏度在5V直流电压下为1mV/g,于MEMS水听器的测量采取分频段完成,低频段 而MEMS压电式加速度计可达到7mV/g同。其次,(20Hz~1kHz)采用振动液柱法进行测量,高频段 由于压阻式矢量水听器工作时需要加电压,一方面(1kHz~20kHz)在消声水池中用比较法进行测量 使能耗增加,另外更为严重的问题是,由于焦耳热,图2为所测量的曲线,可以看出在1kHz灵敏度为 将产生额外的所谓电阻器噪声,这需要它具有-192dB(re.lv/uPa) 更高的灵敏度。而压电式的是无源的,不存在这个 最近我们对MEMS声压传感器做了改进,其在 问题。不仅简化了电路结构,而且无源,噪声低。如空气中的灵敏度比以前的灵敏度提高了10dB12, MEMS水听器和矢量水听器做成电容式,其灵敏度这意味着MEMS水听器的灵敏度也会得到提高 能是最高的。作为参考,MEMS电容式传声器的1kHz灵敏度将达到-180dB(ref.1V/pPa)左右, 灵敏度可达8~10mV/Pa,相比MEMS压电传声器已满足了实用化的要求。 的1mV/Pa高出约20dB,但是它也是需要DCDC 变换器来提供偏置电压。更加重要的,MEMS电容 式矢量水听器,在一个相对大的电容极板间有一个 细微的气隙,只有1~2m,如作矢量水听器在其 膜上附加质量块,这样更容易形成粘连。相对而言, MEMS声压传感器硅铝丝压焊点匹配电路 MEMS压电水听器和矢量水听器具有无源、噪音 低、结构简单、换能材料换能效率高等优点。本文首 先回顾了中科院声学所在MEMS压电水听器和矢 图1MEMS水听器封装结构示意图 量水听器方面的研究成果。为了进一步改善MEMS Fig. 1 Schematic diagram of package structure of 矢量水听器的性能,提出具有U形槽的压电复合悬 MEMS hydrophone
102 2018 年 1 月 1 引言 水听器是测量流体中声场(声压)的器件，其中 压电式水听器是最为普遍采用的一种水听器。矢量 水听器是能测量水下声场的质点位移、速度、加速度 等矢量信息，从而使水声测量系统的线谱检测能力、 抗干扰能力以及抗各向同性噪声的能力得到明显 提高。低频、小型化、阵列化、低功耗、低成本是水听 器和矢量水听器发展的重要方向，特别是在一些要 求空间小的鱼雷和水雷、无人潜航器，以及低功耗、 低成本的声纳浮标及具有较长阵列的拖曳阵等领 域。基于微细加工技术的微电子机械系统(Microelectro-mechanical systems, MEMS)水听器和矢量 水听器能满足这一要求。 与大多数的MEMS声传感器相同，MEMS水 听器和矢量水听器主要有电容式、压阻式和压电式 三种[1−5]。MEMS压阻式水听器和矢量水听器，其 优点是制备技术与已有半导体微细加工技术一样 已经成熟，结构也比较简单，因此制作比较容易，但 其缺点是灵敏度低。作为参考，MEMS压阻传声器 灵敏度仅为25 µV/Pa[6]，MEMS压电传声器已达到 1 mV/Pa[7]，即大40 倍，差32 dB之多。MEMS压阻 式加速度计灵敏度在5 V直流电压下为1 mV/g[8]， 而MEMS压电式加速度计可达到7 mV/g[9]。其次， 由于压阻式矢量水听器工作时需要加电压，一方面 使能耗增加，另外更为严重的问题是，由于焦耳热， 将产生额外的所谓电阻器噪声[10]，这需要它具有 更高的灵敏度。而压电式的是无源的，不存在这个 问题。不仅简化了电路结构，而且无源，噪声低。如 MEMS 水听器和矢量水听器做成电容式，其灵敏度 可能是最高的。作为参考，MEMS 电容式传声器的 灵敏度可达8∼10 mV/Pa，相比MEMS压电传声器 的1 mV/Pa高出约20 dB，但是它也是需要DC-DC 变换器来提供偏置电压。更加重要的，MEMS电容 式矢量水听器，在一个相对大的电容极板间有一个 细微的气隙，只有1∼2 µm，如作矢量水听器在其 膜上附加质量块，这样更容易形成粘连。相对而言， MEMS压电水听器和矢量水听器具有无源、噪音 低、结构简单、换能材料换能效率高等优点。本文首 先回顾了中科院声学所在MEMS压电水听器和矢 量水听器方面的研究成果。为了进一步改善MEMS 矢量水听器的性能，提出具有U形槽的压电复合悬 臂梁结构和电极串联结构，采用具有更高压电系数 的掺钒ZnO薄膜作为压电层，并改进了体硅刻蚀和 压电厚膜图形化等工艺。 2 MEMS压电水听器和矢量水听器研究 MEMS水听器主要部件是一个声压传感器，由 于采用弯曲振动，所以工作频率较低。MEMS矢量 水听器是测量声场的质点速度和加速度的器件，其 核心部件则是由一个惯性质量加上一弹性支撑所 构成的矢量传感器。弹性支撑梁采用弯曲振动方式 使之在较低的频率下工作，并保持有小的尺寸。 2.1 MEMS压电水听器 中科院声学所研制的MEMS压电水听器的核 心传感芯片是由压电薄膜和氮化硅等基底薄膜组 成的[11]。我们研究了基于氧化锌薄膜的MEMS声 压传感器，并对其进行了封装构成了MEMS压电 水听器。如图1所示，把MEMS压电传感器粘接在 开孔的底板上，并作好防水处理，为了防止短路， 氮化硅等基底膜接触水。把匹配电路也粘接在底 板上，通过硅铝丝压焊电连接，并引出引线，封装 外壳。封装后的MEMS水听器体积小于1 cm3。对 于MEMS水听器的测量采取分频段完成，低频段 (20 Hz∼1 kHz)采用振动液柱法进行测量，高频段 (1 kHz∼20 kHz)在消声水池中用比较法进行测量。 图2为所测量的曲线，可以看出在1 kHz灵敏度为 −192 dB(ref. 1 V/µPa)。 最近我们对MEMS声压传感器做了改进，其在 空气中的灵敏度比以前的灵敏度提高了10 dB[7,12] , 这意味着MEMS水听器的灵敏度也会得到提高， 1 kHz灵敏度将达到−180 dB (ref. 1 V/µPa)左右， 已满足了实用化的要求。 MEMSܦԍ͜ਖ٨ ळጳ ᆪᨸˍԍཝག Ӝᦡႃ 图 1 MEMS 水听器封装结构示意图 Fig. 1 Schematic diagram of package structure of MEMS hydrophone
第37卷第1期 李俊红等:MEMS压电水听器和矢量水听器研究进展 103 185 10000 频率/Hz 频率/Hz (a)低频段(20Hz~1kHz) (b)高频段(1kHz~20kHz) 图2MEMS水听器频率响应曲线 Fig. 2 Frequency response curve of MEMS hydroph 22MEMs压电矢量水听器 块一般都由体硅刻蚀工艺形成,压电复合悬臂梁主 MEMS压电矢量水听器的核心传感部件是压要包含硅层、氧化层、上下电极和压电层 电加速度计。如图3所示,MEMS压电加速度计主 通过近似解析分析,MEMS压电加速度计的灵 要结构为顶端带有质量块的压电复合悬臂梁。质量敏度Mn可以表示为13 m(l+lm).hp hp/2+a Mn=292p7E)(b3-32+302h)+ (32)号+30+34) 其中,E和Eb分别为压电薄膜和基底层的等效杨 我们通过微加工技术研制了基于ZnO薄膜的 氏模量,h和b分别为压电复合悬臂梁的厚度和宽MEMS压电加速度传感芯片,单个芯片的尺寸约为 度,hp为压电层的厚度,a为压电层与基底接触面6mmx5mm。将制得的MEMS压电加速度计粘 到压电复合悬臂梁中性面的距离,l和lm分别为悬接在材质为铝的同振壳体的底面上,并配有泡沫塑 臂梁的长度和质量块的边长。可见MEMS压电加料浮体,使得平均密度接近1.1g/cm3。图4为封装 度计的灵敏度与压电薄膜的压电系数ga1成正比。后的MEMS压电矢量水听器,测试和实际应用时需 而压电薄膜的g2与压电系数d31成正比,与压电薄将MEMS压电矢量水听器悬挂在弹簧框架结构上 膜的介电常数成反比。MEMS器件中常用的压电薄对所制备的MEMS压电矢量水听器进行了测试,如 膜主要有锆钛酸铅(PZT)薄膜、氧化锌(znO)薄膜图5所示。从图5中可看出在1kHz时等效声压灵 和氮化铝(AIN)薄膜。其中AN薄膜的压电系数最敏度为-2254B(ref.1V/Pa),比同类型的压 低,而常用的PzT薄膜虽然压电系数d31最高,但同阻式MEMS矢量水听器的灵敏度高17dB以上 时它的介电常数也很高,所以ZnO薄膜的压电系数同时也可以看出频率改变一个倍频程,其等效声压 ga1最高,最适合作为MEMS压电加速度传感器的 压电层 底电极 硅悬臂梁 图3MEMS压电矢量水听器传感芯片结构示意图 Fig 3 Schematic diagram of mems piezoelectric 图4MEMS压电矢量水听器 hydrophone sensor chip Fig 4 MEMS Piezoelectric vector hydrophone
第37 卷 第 1期 李俊红等： MEMS压电水听器和矢量水听器研究进展 103 10 100 1000 -225 -220 -215 -210 -205 -200 -195 -190 -185 ༧ஐए/dB(ref. 1V/mPa) ᮠဋ/Hz ᮠဋ/Hz (a) Ͱᮠ(20 Hz~1 kHz) (b) ᰴᮠ (1 kHz~20 kHz) 1000 10000 -250 -240 -230 -220 -210 -200 -190 -180 -170 ༧ஐए/dB(ref. 1V/mPa) 图 2 MEMS 水听器频率响应曲线 Fig. 2 Frequency response curve of MEMS hydrophone 2.2 MEMS压电矢量水听器 MEMS压电矢量水听器的核心传感部件是压 电加速度计。如图3所示，MEMS压电加速度计主 要结构为顶端带有质量块的压电复合悬臂梁。质量 块一般都由体硅刻蚀工艺形成，压电复合悬臂梁主 要包含硅层、氧化层、上下电极和压电层。 通过近似解析分析，MEMS压电加速度计的灵 敏度Ma 可以表示为[13] Ma = 1 2 g31Ep m(l + lm) · hp (Eb 3 ) (h 3 − 3ah2 + 3a 2h) + (Ep 3 ) (h 3 p + 3ah2 p + 3a 2hp) · hp/2 + a b , (1) 其中，Ep 和Eb 分别为压电薄膜和基底层的等效杨 氏模量，h和b分别为压电复合悬臂梁的厚度和宽 度，hp 为压电层的厚度，a为压电层与基底接触面 到压电复合悬臂梁中性面的距离，l 和lm 分别为悬 臂梁的长度和质量块的边长。可见MEMS压电加 速度计的灵敏度与压电薄膜的压电系数g31 成正比。 而压电薄膜的g31 与压电系数d31 成正比，与压电薄 膜的介电常数成反比。MEMS器件中常用的压电薄 膜主要有锆钛酸铅(PZT)薄膜、氧化锌(ZnO) 薄膜 和氮化铝(AlN)薄膜。其中AlN薄膜的压电系数最 低，而常用的PZT薄膜虽然压电系数d31 最高，但同 时它的介电常数也很高，所以ZnO薄膜的压电系数 g31 最高，最适合作为MEMS压电加速度传感器的 压电层。 ڱ᧚᠏ SiO2 ᆪ২ᒦ್ ᮇႃౝ अႃౝ ZnO 图 3 MEMS 压电矢量水听器传感芯片结构示意图 Fig. 3 Schematic diagram of MEMS piezoelectric hydrophone sensor chip 我们通过微加工技术研制了基于ZnO薄膜的 MEMS压电加速度传感芯片，单个芯片的尺寸约为 6 mm × 5 mm。将制得的MEMS压电加速度计粘 接在材质为铝的同振壳体的底面上，并配有泡沫塑 料浮体，使得平均密度接近1.1 g/cm3。图4为封装 后的MEMS压电矢量水听器，测试和实际应用时需 将MEMS压电矢量水听器悬挂在弹簧框架结构上。 对所制备的MEMS压电矢量水听器进行了测试，如 图5所示。从图5中可看出在1 kHz时等效声压灵 敏度为−229.5 dB (ref. 1 V/µPa)，比同类型的压 阻式MEMS矢量水听器的灵敏度高17 dB以上[5]。 同时也可以看出频率改变一个倍频程，其等效声压 图 4 MEMS 压电矢量水听器 Fig. 4 MEMS piezoelectric vector hydrophone
座用卢学 2018年1月 灵敏度改变约6dB,这一变化规律也是所有加速度度计灵敏度的1.5倍,再加上电极串联,最终加速度 计矢量水听器所共有的规律。MEMS压电矢量水听计的灵敏度将有明显提高。以有三个U形槽的加速 器由于所使用的换能材料的换能效率高,所以相对度计芯片为例,灵敏度将是原来的6倍,而封装后的 于MEMS压阻式矢量水听器,灵敏度得到明显提MEMS压电矢量水听器的灵敏度将提高近16dB 高。但灵敏度还需要进一步提高,才能满足实用化若U形槽数量增加为10个,则灵敏度将提高24dB。 的要求。 MEMS加速度计 >-225 -230 图6具有串联结构的MEMS压电矢量水听器芯片 结构示意图 频率/Hz Fig. 6 Schematic diagram of a MEMS piezoelec- 5MEMS压电矢量水听器的等效声压灵敏度频 tric vector hydrophone with separated electrodes 率响应 Fig. 5 The equivalent acoustic pressure sensitivity of MEMS piezoelectric vector hydrophone 页电极 U形槽 3MEMS压电矢量水听器结构和工艺改进 底电极 为了进一步提高MEMS矢量水听器的灵敏度, 我们对其结构、制备工艺和压电薄膜性能等方面进 行了改进。首先在工艺方面,现有的MEMS压电矢 量水听器的灵敏度要明显低于理论分析结果,造成 这个现象的一个重要原因是制备工艺的限制,使矢 图7具有U形槽结构的MEMS压电矢量水听 量水听器的结构没有满足理论分析的优化结构要 芯片结构示意图 求。所以需要对体硅刻蚀和压电厚膜刻蚀等工艺进 ig. 7 Schematic diagram of meMS piezoelectric vector hydrophone with U grooves structure 行改进,以提高灵敏度。在结构方面,如图6所示我 们把多个MEMS压电加速度计粘接在一绝缘板上 提高氧化锌压电薄膜的压电系数,是提高 并通过硅铝丝进行电连接,使多个加速度计在电学MEMS矢量水听器灵敏度的另外一个重要方法,研 串联。这样,从理论上讲,n个加速度计进行串联,究表明掺钒后氧化锌薄膜的压电系数将会提高 则最终加速度计的灵敏度就会提高n倍。从而,使个数量级,也将意味着最终的水听器的灵敏度将 最终封装后的MEMS压电矢量水听器的灵敏度得提高20dB。我们对掺钒氧化锌薄膜进行了研究,研 到提高4。在单个MEMS压电加速度计芯片方面 制出成分均一的薄膜,后续的研究正在进行中。通 我们也作了改进。如图7所示,通过在压电复合悬 过以上的结构优化和工艺改进,MEMS压电矢量水 臂梁上刻蚀U形槽,使原来单个的压电复合悬臂梁听器的灵敏度有望得到明显提高。 变成多个独立的、共用一个质量块的压电复合悬臂 4结论 梁,并且多个独立悬臂梁上的压电换能器被串联起 来。通过模拟分析可知,采用U形槽结构后,每个 MEMS压电水听器和矢量水听器具有无源、噪 独立的压电悬臂梁加速度计的灵敏度是原来加速音低、结构简单等优点。研制了基于氧化锌薄膜的
104 2018 年 1 月 灵敏度改变约6 dB，这一变化规律也是所有加速度 计矢量水听器所共有的规律。MEMS压电矢量水听 器由于所使用的换能材料的换能效率高，所以相对 于MEMS 压阻式矢量水听器，灵敏度得到明显提 高。但灵敏度还需要进一步提高，才能满足实用化 的要求。 100 1000 -250 -245 -240 -235 -230 -225 -220 ܦԍ༧ஐए/dB(ref. 1 V/mPa) ᮠဋ/Hz 图 5 MEMS 压电矢量水听器的等效声压灵敏度频 率响应 Fig. 5 The equivalent acoustic pressure sensitivity of MEMS piezoelectric vector hydrophone 3 MEMS压电矢量水听器结构和工艺改进 为了进一步提高MEMS矢量水听器的灵敏度， 我们对其结构、制备工艺和压电薄膜性能等方面进 行了改进。首先在工艺方面，现有的MEMS压电矢 量水听器的灵敏度要明显低于理论分析结果，造成 这个现象的一个重要原因是制备工艺的限制，使矢 量水听器的结构没有满足理论分析的优化结构要 求。所以需要对体硅刻蚀和压电厚膜刻蚀等工艺进 行改进，以提高灵敏度。在结构方面，如图6所示我 们把多个MEMS压电加速度计粘接在一绝缘板上， 并通过硅铝丝进行电连接，使多个加速度计在电学 上串联。这样，从理论上讲，n个加速度计进行串联， 则最终加速度计的灵敏度就会提高n倍。从而，使 最终封装后的MEMS压电矢量水听器的灵敏度得 到提高[14]。在单个MEMS压电加速度计芯片方面， 我们也作了改进。如图7所示，通过在压电复合悬 臂梁上刻蚀U形槽，使原来单个的压电复合悬臂梁 变成多个独立的、共用一个质量块的压电复合悬臂 梁，并且多个独立悬臂梁上的压电换能器被串联起 来。通过模拟分析可知，采用U形槽结构后，每个 独立的压电悬臂梁加速度计的灵敏度是原来加速 度计灵敏度的1.5倍，再加上电极串联，最终加速度 计的灵敏度将有明显提高。以有三个U形槽的加速 度计芯片为例，灵敏度将是原来的6倍，而封装后的 MEMS压电矢量水听器的灵敏度将提高近16 dB。 若U形槽数量增加为10个，则灵敏度将提高24 dB。 MEMSҫᤴएᝠ n˔ ळጳ ळጳ 图 6 具有串联结构的 MEMS 压电矢量水听器芯片 结构示意图 Fig. 6 Schematic diagram of a MEMS piezoelectric vector hydrophone with separated electrodes series ᮇႃౝ अႃౝ 6ॎയ ;O0ԍႃᘙᒛ 图 7 具有 U 形槽结构的 MEMS 压电矢量水听器 芯片结构示意图 Fig. 7 Schematic diagram of MEMS piezoelectric vector hydrophone with U grooves structure 提高氧化锌压电薄膜的压电系数，是提高 MEMS矢量水听器灵敏度的另外一个重要方法，研 究表明掺钒后氧化锌薄膜的压电系数将会提高一 个数量级[15]，也将意味着最终的水听器的灵敏度将 提高20 dB。我们对掺钒氧化锌薄膜进行了研究，研 制出成分均一的薄膜，后续的研究正在进行中。通 过以上的结构优化和工艺改进，MEMS压电矢量水 听器的灵敏度有望得到明显提高。 4 结论 MEMS压电水听器和矢量水听器具有无源、噪 音低、结构简单等优点。研制了基于氧化锌薄膜的
第37卷第1期 李俊红等:MEMS压电水听器和矢量水听器研究进展 105 MEMS压电水听器和矢量水听器。测试结果表明通 Zhou X F, Che L F, Liang S L, et al. Design and fabrica- 过封装获得的硅微压电水听器,灵敏度为-192dB tion of a MEMS capacitive accelerometer with fully sym- f.1V/Pa),通过传感芯片结构和工艺改进 metrical double-sided H-shaped beam structure]. Micro electron.Eng,2015,131(1):51-57 MEMS压电水听器的灵敏度可达到-180dB左右,DaiG,LiM,HexP,etal. Thermal drift analysis us- 满足了实用化需求。MEMS压电矢量水听器等效 ing a multiphysics model of bulk silicon MEMS capaci- 声压灵敏度为-229.5dB(ref.1V/uPa),比同类 tive accelerometer[J]. Sens. Actuators, A, 2011, 172(2) 369-378. 型压阻式MEMS矢量水听器的灵敏度高17dB。为 问]李俊红,魏建辉,马军,等.ZnO薄膜硅微压电矢量水听器 了进一步提高MEMS矢量水听器的灵敏度,在结 声学学报,2016,41(3):273-280 构、压电薄膜和微加工工艺方面都做了改进。设计 LI Junhong, WEI Jianhui, MA Jun, et al. Zno thin film piezoelectric micromachined vector hydrophone[J].Acta 了具有串联结构的MEMS压电矢量水听器,理论 Acustica,2016,41(3):273-280. 上将n个传感芯片串联,灵敏度就会提高n倍。设同格雷戈里T.A.科瓦奇,微传感器和微执行器全书国张文 计了具有U形槽的压电复合悬臂梁MEMS矢量水 栋,译.北京:科学出版社,2003 7李俊红.压电薄膜及硅微压电换能器的研究D)-北京:中国 听器,采用U形槽结构后,每个独立的压电悬臂梁 科学院声学研究所,2009 加速度计的灵敏度是原来加速度计灵敏度的1.5倍,陈宏,鲍敏杭.硅微结构加速度传感器空气阻尼的研究半 再加上电极串联,最终加速度计的灵敏度将有明显 导体学报,1995,16(12):921-927 Chen Hong, Bao Minhang. Air damping of micromechan- 提高。对掺钒ZnO薄膜进行了研究,可望提高水听 ical silicon accelerometers[J].J. Semicond, 1995, 16(12) 器灵敏度20dB。通过采用深度反应离子刻蚀工艺 形成合理质量块大小,改进氧化锌沉积和图形化工 9 Zou Q, Tan W, Kim E S, et al. Single and tri- axis piezoelectric-bimorph accelerometers J].J. Microelec- 艺,沉积厚度合理的压电薄膜,最终制备出结构更 tromech.Syst.,2008,17(1):45-57 加合理的MEMS矢量水听器。预计可提高灵敏度10《电子工业技术词典》编辑委员会.电子工业技术词典(上 40dB~50dB,如能实现最终将能达到矢量水听器 册川M]北京:国防工业出版社,1980:第6章,6-8 实用化的要求 l马军,郝震宏,徐联,等.MEMS压电水听器的研究(C小2007 促进西部发展声学学术交流会,张家界,2007 [12 Li J H, Wang C H, Ren W, et al. ZnO thin film piezoelec- 致谢感谢吕宁研究生和李东宁研究生在MEMS tric micromachined microphone with symmetric compos- 压电加速度计研制中所做的工作。 ite vibrating diaphragm[J]. Smart Mater. Struct, 2017, 26(5):1-10 [13] Lu N, Li J H, Liu M W, et al. Design of MEMS piezo- electric vector hydrophone[J]. Key Eng. Mater, 2013 参考文献 562-565:1143-1148 14汪承灏,李俊红,魏建辉,等.具有串联结构的MEMS压电 陈丽洁.微型矢量水听器研究[D哈尔滨:哈尔滨工程大学, 矢量水听器及其制备方法:中国,10108193801101414P] 2016-05-04 [2 Guan L G, Zhang G J, Xu J, et al. Design of T-shape [15] Yang Y C, Song C, Wang X H, et al. Giant piezoelec- vector hydrophone based on MEMS[J]. Sens. Actuators tric d33 coefficient in ferroelectric vanadium doped Zno A,2012,188(1):35-40 films[J. Appl. Phys. Lett., 2008, 92(1):1-3
第37 卷 第 1 期 李俊红等： MEMS压电水听器和矢量水听器研究进展 105 MEMS压电水听器和矢量水听器。测试结果表明通 过封装获得的硅微压电水听器，灵敏度为−192 dB (ref. 1 V/µPa)，通过传感芯片结构和工艺改进， MEMS压电水听器的灵敏度可达到−180 dB左右， 满足了实用化需求。MEMS压电矢量水听器等效 声压灵敏度为−229.5 dB (ref. 1 V/µPa)，比同类 型压阻式MEMS矢量水听器的灵敏度高17 dB。为 了进一步提高MEMS矢量水听器的灵敏度，在结 构、压电薄膜和微加工工艺方面都做了改进。设计 了具有串联结构的MEMS压电矢量水听器，理论 上将n个传感芯片串联，灵敏度就会提高n倍。设 计了具有U形槽的压电复合悬臂梁MEMS矢量水 听器，采用U形槽结构后，每个独立的压电悬臂梁 加速度计的灵敏度是原来加速度计灵敏度的1.5倍， 再加上电极串联，最终加速度计的灵敏度将有明显 提高。对掺钒ZnO薄膜进行了研究，可望提高水听 器灵敏度20 dB。通过采用深度反应离子刻蚀工艺 形成合理质量块大小，改进氧化锌沉积和图形化工 艺，沉积厚度合理的压电薄膜，最终制备出结构更 加合理的MEMS矢量水听器。预计可提高灵敏度 40 dB∼50 dB，如能实现最终将能达到矢量水听器 实用化的要求。 致谢 感谢吕宁研究生和李东宁研究生在MEMS 压电加速度计研制中所做的工作。 参 考 文 献 [1] 陈丽洁. 微型矢量水听器研究 [D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2006. [2] Guan L G, Zhang G J, Xu J, et al. Design of T-shape vector hydrophone based on MEMS[J]. Sens. Actuators, A, 2012, 188(1): 35–40. [3] Zhou X F, Che L F, Liang S L, et al. Design and fabrication of a MEMS capacitive accelerometer with fully symmetrical double-sided H-shaped beam structure[J]. Microelectron. Eng., 2015, 131(1): 51–57. [4] Dai G, Li M, He X P, et al. Thermal drift analysis using a multiphysics model of bulk silicon MEMS capacitive accelerometer[J]. Sens. Actuators, A, 2011, 172(2): 369–378. [5] 李俊红, 魏建辉, 马军, 等. ZnO 薄膜硅微压电矢量水听器 [J]. 声学学报, 2016, 41(3): 273–280. LI Junhong, WEI Jianhui, MA Jun, et al. ZnO thin film piezoelectric micromachined vector hydrophone[J]. Acta Acustica, 2016, 41(3): 273–280. [6] 格雷戈里 T. A. 科瓦奇. 微传感器和微执行器全书 [M]. 张文 栋, 译. 北京: 科学出版社, 2003. [7] 李俊红. 压电薄膜及硅微压电换能器的研究 [D]. 北京: 中国 科学院声学研究所, 2009. [8] 陈宏, 鲍敏杭. 硅微结构加速度传感器空气阻尼的研究 [J]. 半 导体学报, 1995, 16(12): 921–927. Chen Hong, Bao Minhang. Air damping of micromechanical silicon accelerometers[J]. J. Semicond., 1995, 16(12): 921–927. [9] Zou Q, Tan W, Kim E S, et al. Single and triaxis piezoelectric-bimorph accelerometers[J]. J. Microelectromech. Syst., 2008, 17(1): 45–57. [10] 《电子工业技术词典》编辑委员会. 电子工业技术词典 (上 册)[M]. 北京: 国防工业出版社, 1980: 第 6 章, 6–8. [11] 马军, 郝震宏, 徐联, 等. MEMS 压电水听器的研究 [C]. 2007’ 促进西部发展声学学术交流会, 张家界, 2007. [12] Li J H, Wang C H, Ren W, et al. ZnO thin film piezoelectric micromachined microphone with symmetric composite vibrating diaphragm[J]. Smart Mater. Struct., 2017, 26(5): 1–10. [13] Lu N, Li J H, Liu M W, et al. Design of MEMS piezoelectric vector hydrophone[J]. Key Eng. Mater., 2013, 562–565: 1143–1148. [14] 汪承灏, 李俊红, 魏建辉, 等. 具有串联结构的 MEMS 压电 矢量水听器及其制备方法: 中国, 110108193801101414[P]. 2016-05-04. [15] Yang Y C, Song C, Wang X H, et al. Giant piezoelectric d33 coefficient in ferroelectric vanadium doped ZnO films[J]. Appl. Phys. Lett., 2008, 92(1): 1–3
