仿海豹胡須的寬頻帶mems矢量水聽器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及MEMS傳感器技術領域，具體是一種仿海豹胡須的寬頻帶MEMS矢量水 聽器。
【背景技術】
[0002] 隨著水聲技術的不斷發(fā)展，在低頻，小角度變化中獲得空間增益，以及精確的給出 水下目標的方位信息，矢量水聽器成為一種必然的選擇。如專利號為200910073993. 4的中 國發(fā)明專利公開的"微機電矢量水聽器"，仿魚類側線系統(tǒng)的MEMS矢量水聽器將聲-電轉換 結構封裝在聚氨酯透聲帽（仿感覺頂）內，并在透聲帽中灌滿硅油（仿組織液）。這種封裝 方式基本解決了聲信號從水中傳遞到探測芯片的纖毛上的難題，雖然在原則上盡量保證透 聲帽、硅油與水的特性阻抗匹配，但由于透聲帽本身存在一個共振峰，位于5Ηζ-1ΚΗζ目標 頻帶范圍內，導致水聽器頻響失真，影響水聽器的工作頻帶。
[0003] 對于仿生纖毛式MEMS矢量水聽器，尚無理想適用的封裝方式，亟需研究和改 進。另一方面，Parylene薄膜在傳感器封裝中有應用潛力，然而，針對振動式微傳感器的 Parylene薄膜封裝應用研究很少，需深入探究。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了提供一種全新封裝結構的水聽器，具體是一種仿海豹胡須的 寬頻帶MEMS矢量水聽器。海豹胡須并沒有像魚類側線系統(tǒng)一樣的感覺頂和組織液，而是 直接在水中探測聲信號，因此信號并不需經過感覺頂和組織液傳遞到纖毛。該水聽器利用 4 μ m的patylene均勾淀積在敏感芯片上。該水聽器實現(xiàn)了 Parylene無透聲帽和硅油的封 裝，可以實現(xiàn)水聽器敏感結構直接在水中的影響，避免水聽器透聲帽的共振峰引入，從而改 善頻響性能。
[0005] 本發(fā)明是通過如下技術方案實現(xiàn)的：
[0006] -種仿海豹胡須的寬頻帶MEMS矢量水聽器，包括內置信號處理電路板的不銹鋼 電路管殼，不銹鋼電路管殼頂部延設有內置導線的縮頸管殼、底部管口插接有連接電纜的 堵頭，縮頸管殼內的導線與不銹鋼電路管殼內的信號處理電路板的輸入端連接，同時信號 處理電路板的輸出端通過導線與堵頭上的電纜連接；縮頸管殼的頂部固接有開設中心通孔 的固定圓盤，固定圓盤上開設有安裝槽，安裝槽內通過聚氨酯無縫隙地粘接安裝有絕緣環(huán) 形托盤，絕緣環(huán)形托盤上設有凸臺，絕緣環(huán)形托盤上靠近邊緣的位置設有環(huán)形卡槽，絕緣環(huán) 形托盤上以其圓心為對稱中心開設有八個貫穿絕緣環(huán)形托盤及凸臺的螺孔，其中任意兩個 螺孔為注油螺孔、剩余六個螺孔為信號螺孔，注油螺孔內安裝有密封螺釘、信號螺孔內安裝 有鍍鎳螺釘，并且各鍍鎳螺釘與縮頸管殼內的導線連接（鍍鎳螺釘不僅起到密封的作用， 而且還起到傳遞數據的作用）；絕緣環(huán)形托盤上的凸臺上安裝有圓形PCB板（圓形PCB板 即印制電路板，又稱印刷電路板、印刷線路板，簡稱印制板，以絕緣板為基材，切成一定尺 寸，其上至少附有一個導電圖形，并布有孔〈如元件孔、緊固孔、金屬化孔等〉，用來代替以 往裝置電子元器件的底盤，并實現(xiàn)電子元器件之間的相互連接），圓形PCB板上正對絕緣環(huán) 形托盤上八個螺孔的位置同樣開設有八個螺孔，并且圓形PCB板通過密封螺釘和鍍鎳螺釘 固定于絕緣環(huán)形托盤的凸臺上，圓形PCB板的中心處安裝有水聽器探測芯片（即：粘結敏 感柱體的四梁微結構，其包括支撐邊框，設于支撐邊框中心并通過四根懸臂梁與支撐邊框 連接的質量塊，垂直固定于質量塊中心的敏感柱體以及設于懸臂梁上的壓敏電阻）；不銹 鋼電路管殼（2)、縮頸管殼、固定圓盤、絕緣環(huán)形托盤、凸臺、水聽器探測芯片均位于同一軸 線上；所述的圓形PCB板和水聽器探測芯片的整體表面沉積Parylene薄膜以形成絕緣封 裝。Parylene材料是一種化學惰性和電絕緣性能優(yōu)異的薄膜材料，對水有極好的阻隔防護 能力，在0. 2 μ m厚時就沒有針孔，5 μ m時能耐1000 V以上直流擊穿電壓，Parylene薄膜作 為絕緣封裝具有高保形性、低滲透性、高絕緣性等優(yōu)點。
[0007] 進一步的，所述的固定圓盤的外徑為39mm、高為5mm，其上的安裝槽直徑為35mm ; 所述的絕緣環(huán)形托盤的直徑為35mm、高9mm，其上的環(huán)形卡槽寬為6mm、深為1mm，其上的凸 臺直徑為20mm、高為4mm〇
[0008] 所述的Parylene薄膜的厚度為4 μ m。理論上Parylene薄膜的厚度越小越好，但 是也要考慮起到的絕緣性能，目前常用于MEMS器件絕緣的厚度是2-4 μ m，但是本申請通過 不斷的實驗發(fā)現(xiàn)，Parylene薄膜的厚度為4 μπι時效果最好而且最可靠，而2 μπι左右時有 些滲透現(xiàn)象。
[0009] 本發(fā)明水聽器在工作時，
[0010] 當水聲信號直接傳遞到探測芯片上，在平面聲場中，聲壓為：p(t，X) =pael(Mtkx)……（1)，其中pa是聲源聲壓，ω是圓頻率，k是波速（k = J
c，c為聲速）。聲壓梯度可以得到： 質點 .0 振動位移：
其中P為介質密
度。因此聲壓梯度和頻率的關系： 以分貝的形式表示： )
[0011] 本發(fā)明仿海豹胡須的寬頻帶MEMS矢量水聽器簡稱為WIVH，傳統(tǒng)仿魚類側線系統(tǒng) 的MEMS矢量水聽器簡稱為LLIVH。假設聲源的聲壓強度為IPa，可以得到有無聚氨酯透聲 帽質點振動的幅度，如圖2所示，可以看到聚氨酯的共振峰為480Hz。因此，有無聚氨酯透 聲帽的聲壓梯度可以得到，如圖3所示。也可看到其增長的趨勢，WIVN:6dB/頻程，LLIVH : 12dB/頻程。并且，也去除了硅油的影響。結構在液體中振動，受到液體的阻力為Ffluid，由 兩部分構成，一是結構帶動周圍液體同振所需施加的力，與加速度成正比，二是液體的振動 阻尼力，與速度成正比。
其中mfluid為附加質量，kflui^ 振動阻尼系數，這兩者與液體的密度、粘度以及結構尺寸、表面能（在水中表現(xiàn)為疏水性） 相關。
[0012] 對于二階系統(tǒng)振動，可以用強迫阻尼振動彈簧-質量模型的運動微分方程 來表不： 綜合公式（5)和公式（6) CN 105181118 A 說明書 3/5 頁
V 可得：
其中，m為系統(tǒng)等效質 量，ω〇為無阻尼情況下系統(tǒng)固有頻率，POsincot為外加在微器件上簡諧激勵信號，
[0013] 可得頻率響應幅值為：
[0015] 可得，僅當O 5 ζ 5 0. 707的情況下，頻率響應幅值存在極值，即系統(tǒng)會發(fā)生共 振，諧振頻率與阻尼的關系為：
[0017] 對于Parylene薄膜封裝前后，結構所處液體由硅油（粘度0· 05Pa · s)換成了海 水（粘度〇.〇〇〇89Pa· s)，結構表面由塑料、Si02、Si、金換成了 Parylene材料，由此會引起 附加質量和振動阻尼的變化，導致諧振頻率隨之加大，也就是拓寬頻帶，改變頻響特性。
[0018] 表1不同界面的接觸角
[0020] 同理，增大Parylene薄膜疏水性，使得水聽器在海水中振動時的附加質量和振動 阻尼降低，從而提高水聽器諧振頻率。
[0021] 同時，對水聽器進行了測試：絕緣特性測試，振動臺測試，以及頻響測試。絕緣測試 如圖4所示，把Parylene封裝后的水聽器放在海水中測試器電阻，時間長達40小時，結果 表明懸臂梁上的電阻幾乎沒有變化。
[0022] 基于壓阻效應的MEMS矢量水聽器本質上是檢測聲場的振動信號，并且