西门子针对MEMS水声传感器封装的声振耦合仿真技术研究_东南大学.pdf
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针对MEMS水声传感器封装的声振耦合仿真技术研究
石晶晶
1
，黄晓东
1*
， 朱明
2
，刘文
2*
（1. 东南大学 MEMS教育部重点实验室，江苏 南京 210096；
2. 西门子工业软件有限公司，北京 100102）
摘
要:提出了一种针对MEMS矢量水声传感器封装结构的多物理量耦合仿真技术，通过耦合声学有限元仿真技术，以揭示传感
器封装对传感器带宽及灵敏度等关键性能的影响和规律以及传感器在水下工作环境中的声场分布情况。首先建立传感器封装
水下仿真模型，对其进行多物理场耦合仿真，分析封装结构对传感器模态及灵敏度的影响。并研究了传感器封装内部和外部
的声场分布情况，得到声场在空间内的分布规律，得到声源信号透过封装之后的衰减损失约为0.5
dB。最后，比较了封装材料对传感器性能的影响，得出当封装结构和尺寸一定时，传感器的带宽和灵敏度为一对固有矛盾
的结论，为优化传感器封装设计提供理论指导。
关键词:MEMS矢量水声传感器；封装；有限元仿真；声振耦合
Abstract: A multiphysics coupling simulation technology for the package structures of MEMS vector hydrophone is presented by
using an acoustic simulation software. The impact of sensor packaging on the key performance of the sensor and the sound field
distribution underwater were investigated by acoustic coupling Finite Element Method. Firstly, this paper established the encapsulation
model of sensor, and analyzed the influence of the encapsulation structure on the modal and bandwidth. Then the distribution of sound
field in space was studied to calculate the attenuation of the sound source signal after it has passed through the package, about 0.5 dB.
Finally, comparison of the effects of different package structure materials on the sensor performance showed the conclusion that when
the package size is certain, first-order resonance frequency and sound field attenuation is a pair of inherent contradictions, and this
conclusion will provide guidance for optimizing sensor package design.
Key words: MEMS vector hydrophone ; package ; Finite Element Method ; acoustic vibration coupling
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*电子邮箱：xdhuang@seu.edu.cn, wenliu@siemens.com。
声纳设备是水下目标探测的重要手段，随着潜艇减振降噪技术的发展以及对水下目标距离
和定位精度要求的不断提高，对声纳设备的性能提出越来越高的要求。水声传感器是声纳系统
的重要组成部分，水声传感器的性能将直接决定声纳系统的精度和准确性
[1]
。1996年，美国学
者Howard.K为了满足美国海军需要，将微机电系统技术(MEMS)应用到水声传感器的研发中，
研制出了两款8 cm
3
微型水声传感器
[2]
。近年来由于MEMS水声传感器体积小、成本低、刚性安装等优点，引起了国
内外水声领域学者的关注
[3-
4]
，然而目前MEMS水声传感器的发展仍然有一系列问题，比如灵敏度低、响应带宽窄、抗噪声
差等
[5]
，因此研发前期需要进行合适的仿真研究，这对于指导和优化水声传感器的设计、缩短
研发周期具有重要的意义。
MEMS水声传感器应用于水下环境中必须要能够适应水下环境的复杂性。由于海水的导电
性，传感器芯片不能直接应用于海水中，必须对其进行绝缘封装；其次，封装还要保证外界的声
信号能够尽可能的透过封装外壳而没有太大的衰减，以免降低传感器的灵敏度，因此必须有良
好的透声性；另外，考虑到传感器应用于深海环境，封装必须能够耐高静水压等问题。然而，由
于封装结构自身的机械特性和声学特性也会影响到传感器芯片的关键性能，比如传感器的有
效带宽和灵敏度，因此封装技术成为阻碍水听器进一步提高性能的关键技术之一
[6]
。目前针对
水下声学传感器封装的仿真研究大部分只考虑封装结构的固有机械特性
[7-
8]
，大多数情况下声场和结构之间的耦合关系可以忽略，但是在水下环境中流体对结构的反作
用比较大，需要考虑流体和结构的耦合关系，否则计算出的结果将不准确
[9]
，因此器件的工作
带宽严重依赖于声振耦合的频率，而不取决于结构自身的特征频率。为了解决目前针对水声传
感器封装仿真过程中存在的问题，本文从提高MEMS矢量水声传感器的灵敏度、增大带宽两个
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