硅微仿生矢量水声传感器研制

　　矢量水声传感器是用来测量声场矢量信息的水下换能器,它可以同时测得声场中的声压和质点振速信息,单个传感器就具有矢量指向性,所以具有独特的优点和广泛的应用前景[1-3].仿生学原理表明,生物在亿万年的进化过程中,通过严峻的自然选择,练就了一身独特的本领,形成了许多卓有成效的本领,其小巧性、灵敏性、高效性和可靠性令人惊叹不已,是物理和化学望尘莫及的[4].所以模仿生物体的天然奇特本领,便可创造出意想不到的新技术和新成果.

　　本文基于仿生学鱼类侧线听觉器官的听觉原理,设计出硅微矢量水声传感器结构,用Ansys分析了传感器结构应力分布.并通过压阻式MEMS微结构工艺加工出传感器微结构,最后采用气流静态加载法测试了传感器指向性.

　　1 理论依据

　　1.1 仿生理论

　　由生物学可知,鱼类有种特殊的皮肤感觉器官,叫侧线(如图1所示),具有听觉机能.侧线是鱼类及水生两栖类所特有的皮肤衍生听觉器官,呈沟状或管状,一般称之为侧线管,侧线管内充满黏液,管壁上有纤毛组织,水声信号通过黏液作用在纤毛上,引起纤毛偏斜,纤毛周围的感觉细胞获得刺激,刺激通过侧线神经传递到延脑,从而使鱼类产生听觉,侧线不但可以感受声波,而且具有定向性和连续性,特别是能感受内耳所不能感受到的低频率振动[5].侧线这一特殊听觉器官为设计具有定向性水声传感器提供了原型.

　　1.2 声学理论

　　流体中的声场是一种很特殊的物理场,它兼有标量场和矢量场的特性.声场中,任意一点附近的物质状态可用声压P、密度ρ和介质质点速度v来表示.声场中的声压是标量,但介质质点位移、振速及振动加速度则是矢量.由此可见,声场不但具有标量场的属性,同时具有矢量场的属性,这为设计矢量水声传感器提供了理论依据.声学理论研究表明:声学刚硬柱体的几何尺寸如果远小于声波波长且KL<<1(K为波数,L为柱体的最大几何尺寸),则柱体在声波作用下作自由运动时,其振动速度的幅值V与其周围声介质质点振动幅值V0之间存在以下关系[6]:

　　ρ0为介质密度,ρ为柱体密度,由上式可知:要使柱体的振动与介质质点的振动同步,必须使柱体的密度与介质的密度相同.由声学理论可知平面波声压可表示为:

　　式中k是波矢量,表示声波传播的方向,它与水平面的夹角为a,取值范围为它在水平面内的投影与x轴的夹角为H,取值范围[0,2P].在均匀介质中,声场的运动方程为:

　　将式(3)代入式(2)得:

　　上式是x, y, z轴上的单位矢量,式(4)表明,平面波的声压与质点振速三分量之间仅差一个常数,两者的波形则是一样的,因而对平面波来说,声压与振速是完全相关的.由(4)可得质点振速的三个分量: