Микромеханический гидрофон с емкостным считыванием и вязким взаимодействием жидкости и структуры

В работе представлен новый дизайн микромеханического гидрофона с емкостным считыванием. Конструкция представляет собой заполненную жидкостью камеру, ограниченную двумя наборами мембран. «Входные» мембраны расположены по окружности внешней части круглой камеры. Входящий звук формирует захваченную цилиндрическую волну, вызывая механически усиленное движение центральной «сенсорной» мембраны диаметром 1 мм. Материал мембраны — тройной слой LPCVD nitride/oxide/nitride с толщинами пленок 0.1/0.65/0.1 мкм соответственно. Камера заполнена силиконовым маслом с вязкостью 200 cSt. Заполнение жидкостью облегчает требования к конструкции при погружении сенсора, особенно в отношении внешней массовой нагрузки. Для формирования структуры, включая зазор считывания 5 мкм, используются как анодное соединение кремний-стекло, так и припой на основе олова и золота. Система жидкость–структура смоделирована численно и с использованием приближенных аналитических методов. Результаты модели показывают усиление смещения на 28 дБ между движением «входных» мембран и «сенсорной» мембраны. Для преобразования движения мембраны в электрический сигнал используется внешний зарядный усилитель с интегрирующим конденсатором 10 пФ. Средняя измеренная чувствительность системы составляет 0.8 мВ/Па (−180 дБ относительно 1 В/μПа) в диапазоне 300 Гц–15 кГц при приложенном смещении 1.5 В и усилении предусилителя 26 дБ. Предсказанная чувствительность на низких частотах — 0.3 мВ/Па. Измеренная чувствительность демонстрирует значительные разбросы ниже 7 кГц с стандартным отклонением 80%. Измерения лазерной виброметрии указывают на то, что этот разброс может быть вызван упругостью схемы крепления чипа. Выше 10 кГц фоновой шум составляет −100 дБ относительно 1 В/√Гц. Характеристики шума имеют 1/f-зависимость ниже 10 кГц, достигая максимума −50 дБ относительно 1 В/√Гц при 100 Гц.