一种新型压阻式硅微仿生矢量水听器的设计

　　随着世界各国对海岸线国防建设的加强及对反潜问题的重视,声纳系统作为海上作战侦察的重要武器,发挥着举足轻重的作用。低频检测、高信噪比检测一直是声纳系统的一个发展趋势,新型水声换能器的研究更是海军声纳技术发展的一个关键内容[1]。

　　矢量水听器是水声换能器中接收换能器的一种,它将水下的声信号转换成电信号,主要用来测量水下介质声场中质点运动的矢量信号,如位移、振动速度和振动加速度的传感器。在水声测量系统中,矢量水听器的采用使系统的抗相干干扰能力和线谱检测能力获得提高[2];另外,采用单个小尺寸的组合传感器通过联合信号处理,可实现目标方位的声压、振速联合估计[3-4];从能量检测的角度讲,矢量水听器的采用使系统的抗各向同性噪声的能力获得提高,并可实现远场多目标的识别等。因此矢量水听器的研究工作很有意义。

　　本文提出了一种应用仿生学理论,利用MEMS加工技术设计的一种压阻式矢量水听器,期望提高矢量水听器的低频灵敏度,以应用于水声探测领域。

　　1 结构设计及有限元仿真

　　1.1 矢量水听器的结构设计

　　本文所设计的矢量水听器是根据仿生学理论,依据鱼类特殊的皮肤感觉器官)))侧线所具有的听觉特性,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,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[5-6]。将侧线的这种特性用于矢量水听器的设计中,这就为设计具有低频检测、高指向性的矢量水听器提供了理论基础。

　　本文所设计的矢量水听器的结构如图1所示,主要包括两部分:四梁硅微压阻式微结构和空芯晶体光纤。其中用光纤代替纤毛,不仅有指向性的作用,还可提高微结构的灵敏度。在设计中用四梁硅微压阻式微结构代替纤毛周围的感觉细胞,同时利用同振原理实现水下声信号的探测。该结构主要采用标准MEMS工艺加工而成,封装后再将晶体光纤固定在四梁微结构的中心。

　　四梁硅微压阻式微结构采用四梁结构,由梁和质量块组成的系统经过受力分析表明梁的根部为最大应力区,主敏感元件放置在梁的根部,可以感知加速度引起质量块运动导致的应力变化;另外在靠近质量块的位置放一个从敏感单元,可以消除温度对器件性能的影响,还可以实现零位补偿。

　　矢量水听器微结构的俯视图如图2所示,中心处是光纤位置,每根梁的梁根部放一个主敏感单元,如图2中R1、R4、R5、R8,每根粱上靠近质量块的位置放一个从敏感单元,如图2中的R2、R6、R3、R7,然后将横向梁上的四个电阻R1、R2、R3、R4构成一个惠斯通电桥,同一根梁上的两个压敏电阻R1、R2(R3、R4)组成该惠斯通电桥中的一条路;同理,将纵向梁上四个电阻R5、R6、R7、R8构成另一个惠斯通电桥,电桥的输出分别为X方向和Y方向的信号UX,UY,如图3所示。从而将梁的应变转换成电阻的变化,最终通过信号处理电路和分析计算得到电阻的变化。