高灵敏度宽频带阵列式仿生矢量水听器研究

　　0　引言

　　矢量水听器可以同时获取水声场声压和振速的联合信息，广泛应用于水声学的各个领域[1-3]。在不同类型的矢量水听器中，以微机电系统(microelectro　mechanical　system，MEMS)技术为依托，结合仿生学理论和压阻原理研制的MEMS仿生矢量水听器是一种全新的尝试[4-12]。该水听器采用四梁-纤毛结构，具有低频响应好、灵敏度高、体积小、功耗低、“8”字型偶极子指向性等特点，在民船避障、鱼群探测、管道泄漏定位、海洋勘探等领域得到了广泛应用。MEMS矢量水听器仿生微结构的灵敏度与纤毛长度成正比，纤毛长度越长，灵敏度越高;其固有频率与纤毛长度成反比，纤毛越长，固有频率越低[4-12]。正是由于MEMS矢量水听器固有频率和灵敏度之间的相互制约，现有MEMS矢量水听器有效工作频带较窄，无法同时实现高灵敏度宽频带测量。

　　在水声工程测量过程中，待测信号往往包含丰富的频率成分[2]。例如，在各类民用船只避障中，不同障碍物的声信号频率差别很大，有的可能只有几十赫兹，有的几百赫兹。由于单个MEMS矢量水听器频带较窄，难以满足对包含不同频率的宽带待测信号的测量要求。本文以单个MEMS矢量水听器为基础，研究了一种由四个单元构成的2×2单片集成微敏感结构阵列。在综合考虑微结构灵敏度、固有频率的基础上，确定微结构的几何尺寸以及纤毛敏感体的长度，实现了水声信号的宽频带高灵敏度测量。

　　1　微阵列仿生矢量水听器结构设计

　　1.1　MEMS仿生矢量水听器工作原理

　　文献[3]模仿鱼类侧线器官制作水听器的敏感微结构，利用具有高灵敏的压敏电阻代替鱼类感觉器内的感觉细胞，采用光纤代替可动纤毛，设计出MEMS仿生矢量水听器。如图1所示，该结构主要包括四梁硅微压阻微结构和纤毛柱体两部分。

　　当声信号作用于纤毛柱体时，柱体将感受到的声信号传递给敏感结构，在梁上产生应力变化，植入其上的压敏电阻的电阻值发生相应变化。同时，由于四臂惠斯通全桥具有较高的灵敏度、较好的温度补偿性能和较高的输出线性度，因此敏感电阻选用四臂惠斯通全桥方式连接。在外加直流激励下，当声信号作用于纤毛柱体，引起压敏电阻的变化就会被检测出来，从而实现水下声信号的矢量探测。

　　1.2　阵列微结构

　　为进一步提高MEMS矢量水听器灵敏度，拓宽频带，满足其工程化应用的需求，将敏感微结构设计成阵列形式。水听器敏感微结构单元数目的选择应从系统可靠性和资源的合理分配、系统成本、系统体积和加工条件四个方面考虑[13]。综合考虑以上四方面因素，选择2×2矢量水听器敏感微结构构成阵列，同时为了最大限度地提高器件性能，并降低设计、加工难度，该阵列中各四梁纤毛式敏感结构的质量块、梁的厚度(15μm)分别对应 相等，所有 梁的长度(800μm)、梁的宽度(120μm)相同，所有质量块边长相同。各个微结构的不同之处在于纤毛长度，其纤毛长度初步设计为10000，8000，6000和4000μm，如图2所示。