劉云飛,周 瑜,朱曉梟,涂其捷,張學(xué)聰,馮 杰

(中國電子科技集團公司第三研究所,北京 100015)

0 引 言

矢量水聽器可以同時共點感測水下聲場的聲壓標量和質(zhì)點振速矢量信號,相對傳統(tǒng)聲壓水聽器能獲得更全面的聲場信息。此外,矢量水聽器所具有的指向特性使水聲測量系統(tǒng)的線譜檢測能力、抗相干干擾能力以及抗各向同性噪聲的能力得到明顯提高,因而有利于水下目標信號的檢測,是水聲技術(shù)領(lǐng)域重點發(fā)展的研究方向之一[1,2]。隨著水聽器技術(shù)不斷發(fā)展,為滿足水下安靜型目標遠距離檢測識別對水聽器低頻檢測能力不斷提高的需求,低頻化、小型化和集成化是未來矢量水聽器技術(shù)的發(fā)展方向[3]。近年來,基于微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術(shù)研制開發(fā)了電容式、壓阻式、壓電式等多種同振型矢量水聽器,雖然可以剛性固定安裝,避免了傳統(tǒng)同振型矢量水聽器使用不便的問題,但仍為感測聲場加速度信號,信號頻率越低,傳感器響應(yīng)靈敏度越低,因而無法有效探測水下遠距離安靜型目標[4～7]。

本文提出一種MEMS振速型矢量水聽器。該水聽器基于空間聲場—溫度場耦合作用機理,可以直接感測水下聲場質(zhì)點振速信號。相比同振型矢量水聽器,在低頻段具有更優(yōu)的響應(yīng)特性,且體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡潔、可靠性高,無須懸掛安裝,因此，更適合用于水下遠場目標微弱低頻信號的高靈敏度檢測。

1 工作原理分析

振速型矢量水聽器采用一種特殊設(shè)計的微間距金屬鉑絲敏感結(jié)構(gòu)實現(xiàn)聲場質(zhì)點振速感測。工作時,在兩根微間距金屬鉑絲上施加直流電壓,電流通過金屬鉑絲產(chǎn)生焦耳熱,將電能轉(zhuǎn)換為熱能。當無聲波入射時,金屬鉑絲既作為熱源向四周空間熱擴散形成穩(wěn)定對稱的溫度場分布,又作為熱敏單元感測空間溫度。由于對稱的溫度場分布,兩根金屬鉑絲具有相同的初始溫度；當有聲波入射時,聲場傳播引起媒質(zhì)質(zhì)點在平衡點附近振動,遂與兩根金屬鉑絲發(fā)生受迫對流—導(dǎo)熱耦合傳熱[8],從而改變兩鉑絲周圍的空間溫度場分布,導(dǎo)致處于聲波入射方向上、下游的兩根鉑絲的溫度發(fā)生非對稱變化,即處于質(zhì)點振速上游的鉑絲的部分熱量傳遞給下游的鉑絲,此時上游鉑絲的溫度減小,而下游的鉑絲溫度增大,從而使兩鉑絲產(chǎn)生一定的溫度差ΔT,如圖1所示。

圖1 空間溫度場分布受聲場擾動示意

由于敏感結(jié)構(gòu)熱擴散的時間遠小于受迫對流傳熱的時間,測量過程中空間溫度場的分布可以認為是在熱擴散穩(wěn)定的基礎(chǔ)上由聲場傳播媒質(zhì)質(zhì)點振速引起受迫對流造成的溫度擾動。根據(jù)熱力學(xué)定律,構(gòu)建兩根金屬鉑絲傳熱過程的熱力學(xué)方程(略去推導(dǎo)過程),可獲得聲場質(zhì)點振速引起的兩根鉑絲的溫度差為

(1)

基于上述微間距鉑絲對聲場質(zhì)點振速感應(yīng)的熱力學(xué)傳遞方程推導(dǎo),振速型矢量水聽器的響應(yīng)特性與聲場傳播媒質(zhì)的材料特性、金屬鉑絲本身的材料特性,以及微間距鉑絲敏感單元的拓撲結(jié)構(gòu)均密切相關(guān)。選取具有合適材料特性的聲場傳播媒質(zhì),結(jié)合金屬鉑的材料特性,通過優(yōu)化設(shè)計敏感單元的拓撲結(jié)構(gòu)參量,可設(shè)計符合水下聲場質(zhì)點振速響應(yīng)需求的矢量水聽器。

2 仿真設(shè)計

微間距鉑絲的穩(wěn)定空間溫度場擴散分布和聲場質(zhì)點振速引起的受迫對流擾動,將通過聲、溫多物理場耦合仿真技術(shù)進行有限元仿真分析,具體的設(shè)計參數(shù)如表1～表3。

表1 金屬鉑材料特性

表2 聲傳播介質(zhì)特性

表3 拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

如圖2所示為微間距金屬鉑絲上施加5 V直流電壓后,由于焦耳熱效應(yīng)形成的空間溫度場分布,以及在聲波入射后兩根鉑絲發(fā)生溫度交換而形成溫度差ΔT,該仿真曲線與圖1數(shù)值計算曲線相吻合。此外,對微間距鉑絲敏感結(jié)構(gòu)在10～1 000 Hz入射聲波頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)特性進行了仿真,如圖3所示(其中縱軸靈敏度做了歸一化處理)。從圖3中可以看到,與傳統(tǒng)同振型矢量水聽器不同,振速型矢量水聽器的響應(yīng)靈敏度并不隨頻率降低而衰減。

圖2 兩根鉑絲溫度差ΔT隨入射聲波聲壓變化

圖3 微間距鉑絲敏感結(jié)構(gòu)幅頻響應(yīng)特性仿真曲線

3 傳感器制作與測試

MEMS振速型矢量水聽器敏感芯片制備工藝流程主要包括：1)在硅襯底上利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)工藝沉積絕緣支撐層薄膜；2)光刻定義傳感器敏感元件拓撲結(jié)構(gòu)；3)電子束蒸發(fā)及剝離(lift-off)形成金屬鉑絲敏感結(jié)構(gòu)；4)硅襯底各向異性濕法腐蝕形成流體通路溝槽。圖4所示為基于該工藝流程制備的MEMS矢量水聽器敏感芯片6 in晶元及Die實物圖。

圖4 矢量水聽器敏感芯片6英寸晶元和Die實物

如圖5所示為裝配好的MEMS振速型矢量水聽器設(shè)計及實物圖。透聲外殼采用與海水特性聲阻抗匹配性較好的聚氨酯材料制作,內(nèi)部填充蓖麻油作為敏感芯片的工作介質(zhì),其沸點較高(313 ℃),且與海水的聲阻抗值非常接近,可有效減小聲波通過不同介質(zhì)時的傳輸損耗,并保證傳感器在水下環(huán)境中的正常工作。

圖5 MEMS振速型矢量水聽器設(shè)計及實物

采用駐波桶振動液柱法對水聽器進行校準測試,結(jié)果如圖6所示。在駐波桶內(nèi),根據(jù)駐波聲場聲壓、振速分布理論,矢量水聽器振速通道等效聲壓靈敏度MU可表示為[9,10]

圖6 MEMS振速型矢量水聽器等效聲壓靈敏度頻率特性曲線

MU=20log(EU/EP)+20log(sin(kd0)/cos(kd))+MPref

(2)

式中EU為待測矢量水聽器振速通道輸出電壓信號,EP為參考標準水聽器輸出電壓信號,d為待測矢量水聽器距離液面深度,d0為參考標準水聽器距離液面深度,k為波數(shù),MPref為參考聲壓水聽器靈敏度dB值,MU為待測矢量水聽器振速通道等效聲壓靈敏度dB值。

由圖6可知,MEMS振速型矢量水聽器在低頻段具有較為平坦的響應(yīng)特性,20 Hz處的等效聲壓靈敏度為-207 dB(ref.1V/μPa)。測試表明,振速型矢量水聽器的響應(yīng)靈敏度并未隨著入射聲波頻率的降低而有所衰減,這種響應(yīng)特性是傳統(tǒng)同振型矢量水聽器所無法比擬的。

4 結(jié)束語

本文提出一種MEMS振速型矢量水聽器。經(jīng)過振動液柱法測試,驗證了該矢量水聽器可以直接測量水下聲場質(zhì)點振速信號,20 Hz處等效聲壓靈敏度達到-207 dB,且低頻段具有較為平坦的頻率響應(yīng)特性。與同振型矢量水聽器相比,這種MEMS振速型矢量水聽器具有更優(yōu)的低頻響應(yīng)特性。