混合集成型压阻式矢量水听器设计

　　0 引言

　　在水声检测传感器技术方面,矢量水听器的重要作用已被大家所认知而受到普遍关注[1,2]。新型压阻式矢量检测传感器由于其在原理方面和制作技术方面具有技术创新性而受到高度关注,新技术和新原理的采用可以使矢量水听器在小型化设计方面取得突破,并且有良好的低频特性及高的声压接收灵敏度。其技术内容已在文献[3, 4]中详细论述过,并申报国家专利。集成型矢量水听器是在压阻原理矢量水听器的设计基础上,将利用体微机械加工工艺与半导体平面工艺制作出的用于敏感声信号的半导体声敏感芯片与前端信号处理电路进行混合集成,实现敏感、放大同步进行,最后通过封接实现小尺寸的矢量检测单元。尺寸微小的矢量检测单元,可以通过组合形成一维、二维、三维矢量水听器及复合矢量水听器。集成型矢量水听器与以往矢量水听器相比在尺寸、本底噪声、信号质量、应用组合方面优势更为明显,使其在声纳系统的实际工程应用中获得更大方便。

　　1 混合集成型压阻式矢量水听器设计技术

　　当声波在声场中沿一定方向传播时,将引起声场中介质质点的振动,矢量水听器本质上检测的是水介质质点的振动,据此可以建立声学检测模型及力学拾振模型。描述压阻式矢量水听器(工作)原理,以及压阻效应工作原理的内容详见文献[1]。压阻式矢量水听器的声敏感部分由半导体硅材料制作,在硅片上可以通过半导体工艺中的扩散工艺或离子注入工艺先做出半导体应变电阻,然后通过微机械加工工艺制作出植有掺杂电阻的梁结构和用于产生位移的质量结构。当声振动引起水听器振动时(当水听器外壳跟随声场质点振动时),由于梁结构的存在,质量结构相对于外壳产生相对运动,梁上产生变形。通过半导体应变电阻,当结构发生变形时,电阻率发生变化。应变电阻可以将梁的应变转换成电阻的变化。最后通过电路检测方法将电阻的变化引出,这样声振动信号就转换成可检测电信号。

　　集成设计就是将敏感检测部分与信号处理电路通过混合集成电路工艺集成到一个基板上,形成整体功能单元的过程。其设计实现过程中首先要考虑设计兼容性及工艺兼容性问题,可从灵敏度和频率响应两个主要指标进行分析。

　　1.1灵敏度问题

　　混合集成型压阻式矢量水听器的灵敏度可以叙述为结构灵敏度与电路检测灵敏度的乘积。

　　式中,Ms为混合集成型压阻式矢量水听器的灵敏度;A为结构灵敏度系数;k为电路检测灵敏度。

　　1.1.1 结构灵敏度

　　对于声敏感结构部分,当结构设计参数确定后其结构灵敏度及频率响应特性就确定了,对于设计并制作完成的四臂梁惯性敏感单元,其结构部分产生的应变表述为