一种新型MEMS矢量水听器的设计

水听器提供了理 论 依 据。 声 学 理 论 研 究 表 明，声 学
柱体的几何尺寸如果远小于声波波长且 ＫＬ１ （Ｋ 为波数，Ｌ 为柱 体 的 最 大 几 何 尺 寸），则 柱 体 在 声 波
作用下作自由运动时，其 振 动 速 度 的 幅 值ｖ 与 其 周 围声介质质点振动幅值ｖ０ 间的关系为［６］
当前的声纳系统多采用水听器通过组阵的方式 来 确 定 被 探 测 目 标 的 方 位 ，存 在 两 方 面 的 缺 点 ：
１）成 本 高。 目 前 的 民 用 声 纳 系 统 一 套 约 为 ７０～１２０万人民 币，这 对 一 般 民 用 船 只 只 能 是 望 而 生畏。
２）性能 受 限。 当 前 声 纳 系 统 要 实 现 远 距 离 探
测 ，必 须 增 大 基 阵 尺 寸 ，且 维 修 不 方 便 。 要 改 良 声 呐 系 统 ，首 先 必 须 对 声 呐 上 的 水 听 器 性 能 进 行 改 进 ，微 机电系统（ＭＥＭＳ）矢 量 水 听 器 以 高 性 能、低 成 本 的 优势顺应了目前的发展趋势和需求 。 ［３］
ＭＥＭＳ技术是 在 微 电 子 技 术 的 基 础 上 发 展 起 来的一种新技术，融 合 了 硅 微 加 工 和 精 密 机 械 加 工 等多种微加工技术，可 实 现 单 芯 片 三 维 传 感 一 次 集 成，适合 低 成 本 大 批 量 生 产 。 ［４－５］ 针 对 国 内 对 高 灵 敏、小体积及造价低 的 矢 量 水 听 器 的 迫 切 应 用 需 求 的现状，提出了一种新型的双“Ｔ”型 ＭＥＭＳ 矢 量 水 听 器 ，该 敏 感 单 元 结 构 可 以 一 体 化 加 工 ，且 加 工 成 本 低 ，适 合 大 批 量 生 产 ，易 于 阵 列 化 。 此 新 型 矢 量 水 听
１８０ ｍ．Ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｃｔｏｒ ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ ｗａｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ａｎｄ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏ－
ｐｈｏｎｅ ｗｅｒｅ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｗａｓ －１７５ｄＢ ａｔ １ｋＨｚ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｒａｎｇｅｄ ｆｒｏｍ １００ Ｈｚ ｔｏ ４ｋＨｚ，ｐｏｓｓｅｓｓｉｎｇ ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｐａｔｔｅｒｎ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍ ｏｆ“８”ｓｈａｐｅ．
图 ２ 双 “Ｔ”型 敏 感 单 元 及 电 桥 连 接 示 意 图
２．２ 有 限 元 模 拟 采用有限元分析软 件 ＡＮＳＹＳ 对 双 “Ｔ”型 结 构
进行仿真。对于尺寸的确定要考虑加工工艺的可行 性和稳定性，同 时 还 要 使 谐 振 频 率 满 足 要 求。 在 此 基础上，本文设计的 敏 感 单 元 结 构 的 梁 厚 × 梁 宽 × 梁 长 为 ２０μｍ×１３０μｍ×３ ５００μｍ。
（１．中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室 ，山西 太原 ０３００５１；２．中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原 ０３００５１） 摘 要：针对国内对高灵敏、小体积、造价低的矢量水听器迫切应用需求的现状，提出了一种新型的双“Ｔ”型 微 机电系统（ＭＥＭＳ）矢量水听器。该敏感单元结构可一体化加工，且加工 成 本 低，适 合 大 批 量 生 产，易 于 阵 列 化。 采 用 ＡＮＳＹＳ仿真，得出１阶共振频率为１ ８４０ Ｈｚ，压敏电阻 位 置 距 离 梁 根 部 １８０μｍ。对 此 结 构 进 行 声 学 封 装 与 测 试，测试结果表明，该水听器在１ｋＨｚ的灵敏度达到－１７５ｄＢ，工作频段为１００ Ｈｚ～４ｋＨｚ，具有良好的“８”指向性。 关 键 词 ：矢 量 水 听 器 ；微 机 电 系 统 （ＭＥＭＳ）；封 装 与 测 试 ；ＡＮＳＹＳ 中 图 分 类 号 ：ＴＮ４０；ＴＢ５６５．１ 文 献 标 识 码 ：Ａ
器”，该水听器的 结 构 如 图 １ 所 示。 图 中，仿 生 纤 毛 固 定 于 四 梁 －中 心 连 接 体 的 中 央 （即 四 梁 交 叉 处 ），压 阻敏感单元分别设置于四梁的边缘处。
图 １ 纤 毛 ＋ 四 梁 微 结 构 芯 片
经检 验，该 矢 量 水 听 器 具 有 矢 量 探 测 和 高 灵 敏 的优势。但按照 当 前 国 内 外 ＭＥＭＳ 加 工 工 艺 的 加 工 能 力 ，四 梁 微 结 构 和 仿 生 纤 毛 是 无 法 一 体 化 成 型 ，
第３４卷 第１期
压 电 与 声 光
２０１２年０２月
ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ ＆ ＡＣＯＵＳＴＯＯＰＴＩＣＳ
文 章 编 号 ：１００４－２４７４（２０１２）０１－００８９－０４
Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１２
一种新型 ＭＥＭＳ矢量水听器的设计
许 姣１，２，李 俊１，张 国 军１，２，石 归 雄２，张 文 栋１，２
ｖ＝ρ０２ρ＋０ρ１ｖ０
（１）
式中：ρ０ 为 介 质 密 度；ρ１ 为 柱 体 的 平 均 密 度。 由 式
（１）可知，当ρ１ 等于或接பைடு நூலகம்ρ０ 时，其ｖ 与声场中柱体
几何中心处介质质点的ｖ０ 相同或接近，这 样 只 要 有
敏感单元能通过柱体拾取该振动信息即可获得声场
中柱体几何中心处介质质点的振动信息。声学柱体
谐响应分析用于确定线性结构在承受随时间按 正弦规律变化 的 载 荷 时 的 稳 态 响 应。 由 图 ３（ｂ）可 知，该结构的谐振频率为１ ８４０ Ｈｚ。
第１期
许 姣等：一种新型 ＭＥＭＳ矢量水听器的设计
９１
图 ３ 有 限 元 仿 真 结 果
３ ＭＥＭＳ 水 听 器 的 封 装 与 测 试
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｎｏｖｅｌ Ｖｅｃｔｏｒ Ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＥＭＳ
ＸＵ Ｊｉａｏ１，２，ＬＩ Ｊｕｎ１，ＺＨＡＮＧ Ｇｕｏｊｕｎ１，２，ＳＨＩ Ｇｕｉｘｉｏｎｇ２，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｎｄｏｎｇ１，２
（１．Ｋｅｙ Ｌａｂ．ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｓｔ ＆ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｌａｂ．，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）
必 须 分 体 实 现 ，即 两 者 分 别 加 工 ，然 后 再 集 成 。 二 次 集成不但使芯片的 一 致 性 难 以 保 证，且 模 态 不 易 模 拟控制，因此必然会 降 低 矢 量 水 听 器 在 矢 量 探 测 和 高灵敏上的优势。
根 据 声 学 理 论 ，结 合 半 导 体 材 料 的 压 阻 效 应 ，设 计出基于 ＭＥＭＳ 的双“Ｔ”型矢量水听器敏感单元。 基于当前的 ＭＥＭＳ加工工艺，该敏感单元可一体化 加工制造。结构如图２（ａ）所 示，以 垂 直 固 定 于 长 方 体基座上的长方体 立 柱 代 替 纤 毛，以 设 置 在 长 方 体 立柱根部的 应 变 压 敏 电 阻 Ｒ１、Ｒ２ 代 替 纤 毛 周 围 的 感觉细胞。同样模 仿 鱼 类 侧 线 听 觉 原 理，当 有 信 号 作 用 于 长 方 体 立 柱 时 ，长 方 体 立 柱 会 产 生 应 力 、应 变 变化，从 而 导 致 Ｒ１、Ｒ２ 发 生 变 化，使 由 Ｒ１、Ｒ２ 与 基 准电阻 Ｒ３、Ｒ４ 连 接 构 成 的 惠 斯 通 电 桥 的 输 出 发 生 变化，如 图 ２（ｂ）所 示。 根 据 惠 斯 通 电 桥 的 输 出 变 化 ，实 现 对 水 下 声 信 号 的 方 位 、声 压 大 小 的 测 量 。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｕｒｇｅｎｔ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｍａｌｌ ｖｏｌｕｍｅ ａｎｄ ｉｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅ ｖｅｃｔｏｒ ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ ｉｎ
ｄｏｍｅｓｔｉｃ，ａ ｎｏｖｅｌ ｄｏｕｂｌｅ Ｔ－ｓｈａｐｅｄ ｖｅｃｔｏｒ ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃａｎ ｂｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ
首先采用 ＳＯＬＩＤ４５ 单 元 对 实 体 模 型 进 行 静 力 学分析，沿ｚ 方向给仿生纤毛施加 １Ｐａ载荷。 由硅 微压阻式传感器工 作 原 理 可 知，应 将 压 敏 电 阻 分 布 在梁上应力线性度 好 的 地 方，为 了 得 到 最 佳 的 排 布 位置，通过 ＡＮＳＹＳ提取路径的方法，得到单梁上的 应 力 分 布 曲 线 如 图 ３（ａ）所 示 。 通 过 图 ３（ａ）可 发 现 ， 应 力 分 布 基 本 是 线 性 的 ，不 过 在 梁 的 根 部 有 跳 动 ，所 以压阻应该避开 这 个 区 域 进 行 排 布。 为 此，将 梁 上 的压敏电阻布置在距根部１８０μｍ 的中心位置处。
（１９７７－），男 ，讲 师 ，硕 士 ，主 要 从 事 水 声 学 的 研 究 。
９０
压 电 与 声 光
２０１２ 年
器的提出对开展低成本、高性能 ＭＥＭＳ矢量水听器 的研究有重大意义。
１ 声 学 理 论
流体 中 的 声 场 是 一 种 很 特 殊 的 物 理 场，它 兼 有
标量场和矢量场 的 特 性。 声 场 中，任 意 一 点 附 近 的
在介质中声波作用 下 作 自 由 运 动 时，存 在 声 散 射 问
题。根据理论研究 可 知，如 果 声 学 柱 体 的 几 何 尺 寸
远小于波长，那么柱体对声场的干扰可不予考虑 。 ［７］
２ 水 听 器 微 结 构 设 计 与 仿 真
２．１ 结 构 设 计 文献 ［８］介 绍 了 一 种 “ＭＥＭＳ 仿 生 矢 量 水 听