MEMS仿生矢量水听器封装结构的设计与研究

　　MEMS技术是一个新兴技术领域，由中北大学研制的MEMS仿生矢量水听器把MEMS技术、仿生学原理和水声原理相结合[1]，具有体积小，矢量性，刚性安装，易于组阵等特点，具有良好的应用前景。该矢量水听器敏感单元是仿鱼侧线神经丘感觉器官设计而成，与传统的利用压电、电容、动圈式磁电等原理的振动传感器制成的同振矢量水听器的惯性工作方式不同，而是声波通过水介质透过封装结构直接作用于敏感纤毛使其偏斜进而带动敏感元件感知信号的[2-4]。由于封装结构的固有机械特性对该MEMS芯片声学耦合特性很大，长期以来封装技术一直是困扰着该水听器进一步工程化应用的关键技术之一，文献[5]中设计的仿生封装结构虽然实现了水听器的仿生工作方式，但是衡量水听器性能的两个重要技术指标灵敏度与带宽响应并不理想，封装后的水听器灵敏度只有-200dB; 带宽响应范围只在5Hz～800Hz频段内。这种组装结构显然不能很好的满足工程需要。文献[6]中设计的封装结构虽然拓展了工作频带到2kHz，但灵敏度仍然偏低，只有-197.7dB。

　　本文从提高MEMS仿生矢量水听器的灵敏度、拓宽频带响应入手，利用ansys有限元软件和virtual. lab软件的acoustic模块对封装结构仿真分析，通过试验验证确定封装结构的合理性和可行性。

　　1 水听器的结构和工作方式[1-4]

　　MEMS仿生矢量水听器结构如图1所示，由仿生纤毛、中心连接体、高精度敏感梁、压敏电阻、支架组成。在高精度敏感梁上排布有压敏电阻并连成惠斯通电桥。

　　当水听器仿生纤毛受到水中声波作用时，仿生纤毛会通过与之相连的中心连接体带动高精度敏感梁运动并产生形变，梁的形变会直接导致梁上压敏电阻阻值的变化，进而带来惠斯通电桥输出电压的变化，通过对电压信号的处理获得声场矢量信息。

　　2 水听器封装结构的设计

　　为分析封装结构和水听器灵敏度与带宽响应的关系，本文设计三种封装结构，通过仿真和试验进行对比分析，以确定封装结构的合理性。

　　水听器仿生纤毛的直径为180μm，封装结构透声帽的直径设计为25mm，后者尺寸约为前者的139倍，透声帽内部空间相对仿生纤毛而言可以近似为广域空间，根据声学理论，可以建立三层封装理论模型，具体分析过程见参考文献[6]。只根据三层理论模型设计的透声帽封装结构模型如图2所示，透声帽和帽内填充物的材料分别为聚氨酯[7-8]和硅油。

　　由于封装结构的固有频率对水听器的工作带宽响应有很大影响，为拓展水听器带宽响应，必须使封装结构的固有频率远离水听器的工作频率上限。由弹性理论可知，自由振动时物体的固有频率表示为: