簡澤明，張國軍，劉夢然，郭 楠，張文棟

(1.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051;2.中北大學 電子測試技術重點實驗室，山西 太原030051)

0 引 言

當前，各軍事強國都認識到對制海權的控制在未來戰(zhàn)爭中起到了舉足輕重的作用。面對水下安全日益嚴峻的形勢，矢量水聽器作為聲納系統(tǒng)的核心器件，其性能優(yōu)劣直接決定聲納系統(tǒng)的好壞［1］。水聽器的性能主要取決于靈敏度、工作頻帶和指向性。纖毛式MEMS 仿生矢量水聽器現有封裝為聚氨酯透聲帽封裝結構，但是封裝結構的固有機械特性耦合作用于水聽器MEMS 芯片上，導致水聽器頻率響應起伏較大，并在透聲帽的共振頻率處出現峰值，對芯片拾振特性產生影響［2］。

本文對現有聚氨酯透聲帽封裝進行優(yōu)化設計，提出嵌入式透聲帽封裝結構?，F有纖毛材質采用光纖［3］，在綜合考慮靈敏度和共振頻率的基礎上，提出一種新材料(碳棒)作為纖毛材質。通過實驗對上述2 個方面優(yōu)化后的水聽器進行性能測試，結果表明:在25 ～300 Hz，300 ～1 000 Hz 優(yōu)化后的水聽器靈敏度分別提高35，10 dB，共振峰明顯后移，拓寬了工作頻帶，且指向性良好。

1 水聽器的工作原理

中北大學研制的MEMS 仿生矢量水聽器敏感單元是仿魚側線神經丘感覺器官設計而成，如圖1 所示。其芯片以硅片為材料，由采用標準壓阻式硅微機械工藝加工成的四梁臂硅微結構和固定于四梁中心的剛硬柱狀體組成，四梁臂上通過擴散工藝加工有8 只阻值相等的力敏電阻器，并連接成2 個惠斯通電橋，結構模型如圖2 所示。力敏電阻器的分布和惠斯通電橋如圖3 和圖4 所示。當水下聲音信號作用于魚類側線器官的神經丘感覺器時，可動纖毛會發(fā)生偏斜，從而使感覺細胞獲得刺激，刺激通過感覺神經纖維，經側線神經傳遞到延腦，從而使魚類對水下聲音信號獲得感知。因此，聲信號通過水介質透過封裝結構直接作用于剛硬塑料柱體(模仿可動纖毛)使其偏斜進而帶動力敏電阻器(模仿感覺細胞)感知信號，實現水下聲音信號的探測［4～7］。

圖1 傳感器的仿生結構示意圖Fig 1 Diagram of bionic structure of sensor

圖2 微結構模型圖Fig 2 Microstructure model

圖3 力敏電阻器的分布圖Fig 3 Distribution of pressure sensitive resistor

圖4 惠斯通電橋圖Fig 4 Wheatstone bridge

2 優(yōu)化設計理論與仿真分析

2.1 纖毛優(yōu)化設計

在聲—電換能基礎結構中，纖毛起到了感知聲波的作用，并將介質質點的振動傳遞給四梁微結構。因此，纖毛材料的合理選擇對水聽器的性能(靈敏度和頻響)影響甚大。

本文利用ANSYS 軟件對微結構進行有限元仿真分析，纖毛的材料分別選用碳棒和光纖，材料屬性如表1 所示，建立的模型如圖5 所示。沿y 軸負半軸方向加載1 Pa 的載荷進行靜態(tài)分析，得到不同纖毛材料的應力曲線如圖6 所示。

表1 不同纖毛材料屬性Tab 1 Properties of different cilium materials

圖5 芯片有限元模型圖Fig 5 Finite element model of chip

圖6 不同纖毛材料梁上應力分布Fig 6 Stress distribution on beam with different materials of cilium

由圖6 可知，當纖毛材料為碳棒時，y 軸的最大應力為2.9×105Pa，比選光纖作纖毛時應力大9 000 Pa。

一端固定的纖毛本身也存在一個特征頻率，為了使得該頻率遠離纖毛—四梁微結構的特征頻率，對纖毛的幾何尺寸還要有一定的要求。參照一段固定懸臂梁模型，可知一階共振頻率f 與纖毛的長度L、半徑a、材料密度ρ 及彈性模量E 有關［8～9］:

將兩種材料的屬性值代入式(1)，得到各種材料的一階共振頻率與纖毛長度的關系，如圖7 所示。為了既滿足水聽器的低頻工作性能，又兼顧一定的工作頻帶(f 須大于4 000 Hz)，綜合考慮靈敏度和工作頻帶，應選取長度為5 mm的碳棒作為纖毛材料。

2.2 透聲帽封裝優(yōu)化設計

本文通過提高透聲帽的剛度來提高其共振頻率(為了不影響其透聲性能，厚度不變)，從而拓寬矢量水聽器的工作頻帶。設計出硬支撐體嵌入式透聲帽結構，即在四瓣剛性支撐體之間注入聚氨酯材料，形成硬支撐體與聚氨酯鑲嵌結構，結構示意圖如圖8 所示。

圖7 一階共振頻率隨纖毛長度的變化Fig 7 First-order resonance frequency change with length of cilium

圖8 嵌入式帽結構示意圖Fig 8 Diagram of embedded encapsulation structure

利用ANSYS 有限元軟件輔助分析，通過仿真獲得聚氨酯帽封裝結構和嵌入式封裝結構的固有頻率。聚氨酯帽和嵌入式封裝一階模態(tài)如圖9 所示，且一階頻率分別為874，4 116 Hz。

圖9 不同封裝結構仿真圖Fig 9 Simulation diagram of different packaging structure

3 水聽器的測試

對加工好的水聽器樣機進行靈敏度和指向性測試。在駐波桶中，分別對優(yōu)化前纖毛為光纖的桔瓣式封裝和優(yōu)化后纖毛為碳棒的嵌入式封裝水聽器進行靈敏度測試。為保證結果的準確性，兩種不同封裝水聽器各制作3 支。測試封裝示意圖如圖10 所示。

圖10 水聽器封裝實物圖Fig 10 Physical map of hydrophone packaging

3.1 靈敏度的測試

靈敏度校準測試采用比較法校準的原理。將待測傳感器與標準水聽器置于駐波筒內水下深度分別為d0，d，并將待測水聽器最大輸出方向對準聲波入射方向，實際測量過程中，兩者設定為同一深度，即d0=d(如圖11 所示)。由于管中為駐波聲場，管中任意一點聲壓滿足1/p∝sin kd 的關系(其中k 為波數，k=2π/λ)，因此，被測水聽器的靈敏度Mx 為［10，11］

圖11 測試安裝示意圖Fig 11 Diagram of test setup

其中，Ux為被測水聽器的開路電壓有效值，Mx為被測水聽器的接收靈敏度，p0可以通過測量標準水聽器的開路電壓得到。駐波筒測試現場圖如圖12 所示。測試頻帶選擇25～1 000 Hz，以1/3 倍頻程所得頻率點對MEMS 水聽器進行靈敏度的標定，根據測試結果繪制優(yōu)化前纖毛為光纖的聚氨酯透聲帽封裝和優(yōu)化后纖毛為碳棒的嵌入式透聲帽封裝的水聽器頻響曲線對比圖如圖13 所示。測試結果表明:在25～300 Hz，優(yōu)化后的水聽器靈敏度提高了5 dB，在300～1 000 Hz，優(yōu)化后水聽器靈敏度提高10 dB，優(yōu)化后水聽器的共振峰明顯后移，拓寬了水聽器的工作頻帶。

3.2 指向性測試

對優(yōu)化后的纖毛為碳棒的嵌入式封裝水聽器進行指向性測試。指向性的測量同樣采用圖11 所示的駐波測量裝置。由于管中聲場是垂直分布的，只需沿水平軸對被校矢量水聽器進行旋轉，記錄旋轉角度θ 和矢量水聽器的開路電壓eθ，同時記錄最大方向水聽器的輸出電壓值emax，歸一化的指向性函數表達式

圖12 為駐波筒測試現場圖Fig 12 Standing wave tube test site

圖13 優(yōu)化前后水聽器頻響曲線對比圖Fig 13 Comparison of frequency response curve of hydrophone before and after optimization

根據公式(3)，對所測數據進行歸一化處理，得到水聽器的指向性圖。圖14 為測試頻率是100 Hz 時，水聽器指向性圖。測試結果表明:具有很好的“8”字型指向性，凹點深度達到了38 dB，且指向性曲線平滑。

圖14 水聽器指向性示意圖Fig 14 Directivity patterns of hydrophone

4 結 論

本文從兩個方面對現有水聽器進行優(yōu)化，一是用碳棒代替光纖作為水聽器纖毛材料，二是提出嵌入式透聲帽封裝結構。用ANSYS 軟件分別對優(yōu)化前和優(yōu)化后的結構進行仿真分析，并通過實驗測試，在25～300 Hz，優(yōu)化后的水聽器靈敏度提高了5 dB，在300～1 000 Hz，優(yōu)化后水聽器靈敏度提高10 dB，優(yōu)化后水聽器的共振峰明顯后移，拓寬了水聽器的工作頻帶，為水聽器進一步的發(fā)展和工程應用奠定了基礎。

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