聲波仍是目前可以在水下進行遠距離傳輸?shù)男问?水聽器也稱水聲接收換能器，可以將聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號,是進行水下探測的關(guān)鍵部件。矢量水聽器與標量水聽器相比可以測量聲場中的矢量信息,抑制環(huán)境中的各向同性噪聲而成為未來的發(fā)展方向。
        聲波的頻率越高在在水中的衰減速率越快,隨著對潛艇探測距離要求越來越遠,水聽器的工作頻率也越來越低。UUV等小型搭載平臺在工作時不可避免地會受到海浪、洋流等外部沖擊的影響,水聽器可以抑制振動干擾是其實際應(yīng)用的基礎(chǔ)。要實現(xiàn)對潛艇的準確定位,水聽器應(yīng)可以測量三維空間的聲波信號,再考慮到UUV的搭載能力有限,水聽器應(yīng)當是一種單片集成三維MEMS水聽器。
        中北大學基于仿生原理提出的壓阻式仿生MEMS矢量水聽器,具有體積小、成本低和低頻響應(yīng)特性好的特點,在聲納系統(tǒng)中具有較好的應(yīng)用前景。但是當前的仿生MEMS矢量水聽器不能同時實現(xiàn)三維空間聲波測量和抑制振動干擾。 針對此問題本文設(shè)計了單片集成的、可以抑制面內(nèi)振動干擾的仿生MEMS三維矢量水聽器。
(1)提出了一種可以抑制振動干擾的仿生MEMS三維矢量水聽器。
水聽器是一種“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,支撐塊可以敏感Z方向的聲波信號。通過封裝,X/Y方向的聲波信號可以作用到纖毛上而不能作用到支撐塊到上。然而,水聽器受到的X/Y方向振動干擾可以同時作用到纖毛和支撐塊上,纖毛和支撐塊對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,有效地降低了水聽器受到振動干擾輸出的信號。
(2)建立了抑制面內(nèi)振動干擾的仿生MEMS三維矢量水聽器數(shù)學模型。
建立了水聽器受到X/Y方向和Z方向聲波信號、振動信號時梁縱向應(yīng)力的數(shù)學模型。建立了求解水聽器前三階固有頻率的數(shù)學模型。
(3)抑制面內(nèi)振動干擾的仿生MEMS三維矢量水聽器的有限元仿真。
仿真分析了梁的長度、寬度、厚度,纖毛的半徑和高度、支撐塊的長度和厚度對水聽器性能的影響。綜合考慮不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對水聽器性能的影響,設(shè)計了水聽器的具體結(jié)構(gòu)尺寸。對所設(shè)計的水聽器和傳統(tǒng)的水聽器進行了靜態(tài)、模態(tài)、諧響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)仿真,驗證了數(shù)學理論模型的準確性。
(4)抑制面內(nèi)振動噪聲的仿生MEMS三維矢量水聽器的加工。
仿真分析了不同工藝參數(shù)對加工結(jié)果的影響;制定了水聽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)振動噪聲的仿生MEMS三維矢量水聽器測試。
駐波桶測試結(jié)果表明,X、Y和Z三個通道的聲學靈敏度400Hz時分別為-182dB、-187dB和-160dB(0dB=1V/μPa),凹點深度分別為34dB、35dB和33dB。振動臺測試結(jié)果表明本文設(shè)計的水聽器相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的水聽器振動噪聲靈敏度在100Hz降低了約92%。水聽器同時受到聲波信號和振動干擾時的實驗結(jié)果表明,本文設(shè)計的水聽器可以有效地抑制面內(nèi)振動干擾的影響。

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

(a) 微結(jié)構(gòu)敏感機理示意圖；(b) 不同纖毛結(jié)構(gòu)參數(shù)對諧振頻率的影響；(c) 不同纖毛結(jié)構(gòu)參數(shù)對梁上ZUI大應(yīng)力的影響
圖a為OVH對聲音信號敏感的機理示意圖。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)對水聽器的性能有很大的影響，對纖毛結(jié)構(gòu)進行了全參數(shù)優(yōu)化分析是非常有必要的。圖b為通過模態(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)計提供理論指導，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十字梁上應(yīng)力分布圖；(b) 不同結(jié)構(gòu)的水聽器梁上應(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，得到整個微結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布如上圖a所示?？梢?，x方向梁上應(yīng)力ZUI大的區(qū)域分布在梁的根部附近，y方向的梁上基本無應(yīng)力產(chǎn)生，從而可以實現(xiàn)聲信號的矢量探測。圖b為不同結(jié)構(gòu)的纖毛式水聽器梁上應(yīng)力比較圖，相比于之前報道的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型的水聽器。

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)將直接影響水聽器的性能。因此，采用MEMS微納制造工藝來加工十字梁結(jié)構(gòu)，其具體工藝流程如上圖所示。主要步驟包括：1.對SOI片進行雙面熱氧化；2.進行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，硼離子重摻雜；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的實驗測試結(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、金屬線以及纖毛孔清晰可見；(b) 集成到十字梁結(jié)構(gòu)上的聽石狀纖毛； (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；(e) 100 Hz指向性圖，3dB極寬為87°；(f) 10 MPa靜水壓力測量裝置； (g) 經(jīng)10MPa測試后的聽石狀纖毛結(jié)構(gòu)； (h) 10MPa壓力測試下獲取的數(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為聽石狀纖毛與十字梁結(jié)構(gòu)集成圖。圖c為封裝好的OVH實物圖。圖d為不同MEMS水聽器的接收靈敏度-頻率響應(yīng)曲線圖?？梢杂嬎愕玫?，在測量范圍內(nèi)，OVH的平均等效聲壓靈敏度達到了-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OVH進行的耐靜水壓力測試，在對OVH施加10MPa的靜水壓力后，聽石狀纖毛微結(jié)構(gòu)形狀并未改變（圖g），且從OVH的輸出信號中可清晰地分辨出施加在打壓桶壁上的敲擊信號，驗證了OVH在10MPa水壓力下工作的可行性。

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