中北大學(xué)：研發(fā)出一款新型壓阻式仿生MEMS三維矢量水聽(tīng)器

        聲波仍是目前可以在水下進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男问?水聽(tīng)器也稱(chēng)水聲接收換能器，可以將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),是進(jìn)行水下探測(cè)的關(guān)鍵部件。矢量水聽(tīng)器與標(biāo)量水聽(tīng)器相比可以測(cè)量聲場(chǎng)中的矢量信息,抑制環(huán)境中的各向同性噪聲而成為未來(lái)的發(fā)展方向。
        聲波的頻率越高在在水中的衰減速率越快,隨著對(duì)潛艇探測(cè)距離要求越來(lái)越遠(yuǎn),水聽(tīng)器的工作頻率也越來(lái)越低。UUV等小型搭載平臺(tái)在工作時(shí)不可避免地會(huì)受到海浪、洋流等外部沖擊的影響,水聽(tīng)器可以抑制振動(dòng)干擾是其實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)。要實(shí)現(xiàn)對(duì)潛艇的準(zhǔn)確定位,水聽(tīng)器應(yīng)可以測(cè)量三維空間的聲波信號(hào),再考慮到UUV的搭載能力有限,水聽(tīng)器應(yīng)當(dāng)是一種單片集成三維MEMS水聽(tīng)器。
        中北大學(xué)基于仿生原理提出的壓阻式仿生MEMS矢量水聽(tīng)器,具有體積小、成本低和低頻響應(yīng)特性好的特點(diǎn),在聲納系統(tǒng)中具有較好的應(yīng)用前景。但是當(dāng)前的仿生MEMS矢量水聽(tīng)器不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維空間聲波測(cè)量和抑制振動(dòng)干擾。 針對(duì)此問(wèn)題本文設(shè)計(jì)了單片集成的、可以抑制面內(nèi)振動(dòng)干擾的仿生MEMS三維矢量水聽(tīng)器。
(1)提出了一種可以抑制振動(dòng)干擾的仿生MEMS三維矢量水聽(tīng)器。
水聽(tīng)器是一種“纖毛-支撐塊-八梁”結(jié)構(gòu),纖毛可敏感X方向和Y方向的聲波信號(hào),支撐塊可以敏感Z方向的聲波信號(hào)。通過(guò)封裝,X/Y方向的聲波信號(hào)可以作用到纖毛上而不能作用到支撐塊到上。然而,水聽(tīng)器受到的X/Y方向振動(dòng)干擾可以同時(shí)作用到纖毛和支撐塊上,纖毛和支撐塊對(duì)梁的彎矩可以相互抵消,從而減小了梁表面壓敏電阻所受到的應(yīng)力,有效地降低了水聽(tīng)器受到振動(dòng)干擾輸出的信號(hào)。
(2)建立了抑制面內(nèi)振動(dòng)干擾的仿生MEMS三維矢量水聽(tīng)器數(shù)學(xué)模型。
建立了水聽(tīng)器受到X/Y方向和Z方向聲波信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)時(shí)梁縱向應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型。建立了求解水聽(tīng)器前三階固有頻率的數(shù)學(xué)模型。
(3)抑制面內(nèi)振動(dòng)干擾的仿生MEMS三維矢量水聽(tīng)器的有限元仿真。
仿真分析了梁的長(zhǎng)度、寬度、厚度,纖毛的半徑和高度、支撐塊的長(zhǎng)度和厚度對(duì)水聽(tīng)器性能的影響。綜合考慮不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水聽(tīng)器性能的影響,設(shè)計(jì)了水聽(tīng)器的具體結(jié)構(gòu)尺寸。對(duì)所設(shè)計(jì)的水聽(tīng)器和傳統(tǒng)的水聽(tīng)器進(jìn)行了靜態(tài)、模態(tài)、諧響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)仿真,驗(yàn)證了數(shù)學(xué)理論模型的準(zhǔn)確性。
(4)抑制面內(nèi)振動(dòng)噪聲的仿生MEMS三維矢量水聽(tīng)器的加工。
仿真分析了不同工藝參數(shù)對(duì)加工結(jié)果的影響;制定了水聽(tīng)器芯片的加工流程和工藝參數(shù)并完成了纖毛與芯片的集成。
(5)抑制面內(nèi)振動(dòng)噪聲的仿生MEMS三維矢量水聽(tīng)器測(cè)試。
駐波桶測(cè)試結(jié)果表明,X、Y和Z三個(gè)通道的聲學(xué)靈敏度400Hz時(shí)分別為-182dB、-187dB和-160dB(0dB=1V/μPa),凹點(diǎn)深度分別為34dB、35dB和33dB。振動(dòng)臺(tái)測(cè)試結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的水聽(tīng)器相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的水聽(tīng)器振動(dòng)噪聲靈敏度在100Hz降低了約92%。水聽(tīng)器同時(shí)受到聲波信號(hào)和振動(dòng)干擾時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的水聽(tīng)器可以有效地抑制面內(nèi)振動(dòng)干擾的影響。

圖文展示1：纖毛結(jié)構(gòu)的參數(shù)對(duì)諧振頻率和應(yīng)力的影響分析。

(a) 微結(jié)構(gòu)敏感機(jī)理示意圖；(b) 不同纖毛結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)諧振頻率的影響；(c) 不同纖毛結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)梁上ZUI大應(yīng)力的影響
圖a為OVH對(duì)聲音信號(hào)敏感的機(jī)理示意圖。在該聲電換能器結(jié)構(gòu)中，聲波將介質(zhì)顆粒的振動(dòng)傳遞到仿生纖毛結(jié)構(gòu)上中，因此，纖毛結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水聽(tīng)器的性能有很大的影響，對(duì)纖毛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全參數(shù)優(yōu)化分析是非常有必要的。圖b為通過(guò)模態(tài)分析得到的共振頻率與纖毛各結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，從中可看出，共振頻率隨纖毛半徑、內(nèi)球半徑的增加而增大，隨纖毛高度、外球半徑的降低而減小。圖c為通過(guò)靜力分析得到的梁上ZUI大應(yīng)力與纖毛各結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，隨著纖毛高度、外球半徑的增加，梁上ZUI大應(yīng)力顯著增大。這些結(jié)果可為纖毛的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，尋求*結(jié)構(gòu)。

圖文展示2：敏感微結(jié)構(gòu)梁上應(yīng)力的仿真和比較。

(a) 外部應(yīng)力沿X方向作用到纖毛上時(shí)十字梁上應(yīng)力分布圖；(b) 不同結(jié)構(gòu)的水聽(tīng)器梁上應(yīng)力分布比較

在確定纖毛的微結(jié)構(gòu)參數(shù)之后，沿著X梁的方向?qū)ξ⒔Y(jié)構(gòu)施加一外部載荷，得到整個(gè)微結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布如上圖a所示。可見(jiàn)，x方向梁上應(yīng)力ZUI大的區(qū)域分布在梁的根部附近，y方向的梁上基本無(wú)應(yīng)力產(chǎn)生，從而可以實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)的矢量探測(cè)。圖b為不同結(jié)構(gòu)的纖毛式水聽(tīng)器梁上應(yīng)力比較圖，相比于之前報(bào)道的LVH、CuVH和WIVH，可以看出OVH的ZUI大應(yīng)力明顯更高，這意味著OVH的靈敏度要高于其他同類(lèi)型的水聽(tīng)器。

圖文展示3：OVH十字梁敏感微結(jié)構(gòu)的MEMS工藝流程圖。

十字梁是MEMS水聽(tīng)器的關(guān)鍵部位之一，十字梁上分布著壓敏電阻，梁的尺寸參數(shù)將直接影響水聽(tīng)器的性能。因此，采用MEMS微納制造工藝來(lái)加工十字梁結(jié)構(gòu)，其具體工藝流程如上圖所示。主要步驟包括：1.對(duì)SOI片進(jìn)行雙面熱氧化；2.進(jìn)行DI一次光刻，窗口部分留40nm厚的SiO2；3.硼粒子輕摻雜；4.第二次光刻，硼離子重?fù)诫s；5.移除表面SiO2，退火；6.金屬濺射，第三次光刻，形成歐姆接觸區(qū)域；7.第四次光刻，刻蝕纖毛孔；8.第五次光刻，正面刻蝕梁結(jié)構(gòu)；9.第六次光刻，背面刻蝕，釋放梁結(jié)構(gòu)。

圖文展示4：OVH的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

(a) 十字梁微結(jié)構(gòu)在顯微鏡下的照片，十字梁、壓敏電阻、金屬線(xiàn)以及纖毛孔清晰可見(jiàn)；(b) 集成到十字梁結(jié)構(gòu)上的聽(tīng)石狀纖毛； (c) 集成到PCB板和封裝管殼中的芯片；(d) 接收靈敏度-頻率響應(yīng)曲線(xiàn)；(e) 100 Hz指向性圖，3dB極寬為87°；(f) 10 MPa靜水壓力測(cè)量裝置； (g) 經(jīng)10MPa測(cè)試后的聽(tīng)石狀纖毛結(jié)構(gòu)； (h) 10MPa壓力測(cè)試下獲取的數(shù)據(jù)

圖a-c展示了OVH的制造封裝圖。圖a為顯微鏡下的十字梁敏感微結(jié)構(gòu)照片，梁結(jié)構(gòu)懸空，壓敏電阻分布在梁表面。圖b為聽(tīng)石狀纖毛與十字梁結(jié)構(gòu)集成圖。圖c為封裝好的OVH實(shí)物圖。圖d為不同MEMS水聽(tīng)器的接收靈敏度-頻率響應(yīng)曲線(xiàn)圖?？梢杂?jì)算得到，在測(cè)量范圍內(nèi)，OVH的平均等效聲壓靈敏度達(dá)到了-173.8 dB (0 dB@1 V/μPa)，該靈敏度相比于LVH、CuVH和WIVH，分別增加了3.2dB、7.5dB和13.6dB。圖e為100 Hz時(shí)OVH的指向性圖，呈現(xiàn)出典型的余弦指向性，3 dB極寬為87°。圖f-h為對(duì)OVH進(jìn)行的耐靜水壓力測(cè)試，在對(duì)OVH施加10MPa的靜水壓力后，聽(tīng)石狀纖毛微結(jié)構(gòu)形狀并未改變（圖g），且從OVH的輸出信號(hào)中可清晰地分辨出施加在打壓桶壁上的敲擊信號(hào)，驗(yàn)證了OVH在10MPa水壓力下工作的可行性。

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