简泽明，张国军，刘梦然，郭 楠，张文栋

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051;2.中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原030051)

0 引 言

当前，各军事强国都认识到对制海权的控制在未来战争中起到了举足轻重的作用。面对水下安全日益严峻的形势，矢量水听器作为声纳系统的核心器件，其性能优劣直接决定声纳系统的好坏［1］。水听器的性能主要取决于灵敏度、工作频带和指向性。纤毛式MEMS 仿生矢量水听器现有封装为聚氨酯透声帽封装结构，但是封装结构的固有机械特性耦合作用于水听器MEMS 芯片上，导致水听器频率响应起伏较大，并在透声帽的共振频率处出现峰值，对芯片拾振特性产生影响［2］。

本文对现有聚氨酯透声帽封装进行优化设计，提出嵌入式透声帽封装结构。现有纤毛材质采用光纤［3］，在综合考虑灵敏度和共振频率的基础上，提出一种新材料(碳棒)作为纤毛材质。通过实验对上述2 个方面优化后的水听器进行性能测试，结果表明:在25 ～300 Hz，300 ～1 000 Hz 优化后的水听器灵敏度分别提高35，10 dB，共振峰明显后移，拓宽了工作频带，且指向性良好。

1 水听器的工作原理

中北大学研制的MEMS 仿生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，如图1 所示。其芯片以硅片为材料，由采用标准压阻式硅微机械工艺加工成的四梁臂硅微结构和固定于四梁中心的刚硬柱状体组成，四梁臂上通过扩散工艺加工有8 只阻值相等的力敏电阻器，并连接成2 个惠斯通电桥，结构模型如图2 所示。力敏电阻器的分布和惠斯通电桥如图3 和图4 所示。当水下声音信号作用于鱼类侧线器官的神经丘感觉器时，可动纤毛会发生偏斜，从而使感觉细胞获得刺激，刺激通过感觉神经纤维，经侧线神经传递到延脑，从而使鱼类对水下声音信号获得感知。因此，声信号通过水介质透过封装结构直接作用于刚硬塑料柱体(模仿可动纤毛)使其偏斜进而带动力敏电阻器(模仿感觉细胞)感知信号，实现水下声音信号的探测［4～7］。

图1 传感器的仿生结构示意图Fig 1 Diagram of bionic structure of sensor

图2 微结构模型图Fig 2 Microstructure model

图3 力敏电阻器的分布图Fig 3 Distribution of pressure sensitive resistor

图4 惠斯通电桥图Fig 4 Wheatstone bridge

2 优化设计理论与仿真分析

2.1 纤毛优化设计

在声—电换能基础结构中，纤毛起到了感知声波的作用，并将介质质点的振动传递给四梁微结构。因此，纤毛材料的合理选择对水听器的性能(灵敏度和频响)影响甚大。

本文利用ANSYS 软件对微结构进行有限元仿真分析，纤毛的材料分别选用碳棒和光纤，材料属性如表1 所示，建立的模型如图5 所示。沿y 轴负半轴方向加载1 Pa 的载荷进行静态分析，得到不同纤毛材料的应力曲线如图6 所示。

表1 不同纤毛材料属性Tab 1 Properties of different cilium materials

图5 芯片有限元模型图Fig 5 Finite element model of chip

图6 不同纤毛材料梁上应力分布Fig 6 Stress distribution on beam with different materials of cilium

由图6 可知，当纤毛材料为碳棒时，y 轴的最大应力为2.9×105Pa，比选光纤作纤毛时应力大9 000 Pa。

一端固定的纤毛本身也存在一个特征频率，为了使得该频率远离纤毛—四梁微结构的特征频率，对纤毛的几何尺寸还要有一定的要求。参照一段固定悬臂梁模型，可知一阶共振频率f 与纤毛的长度L、半径a、材料密度ρ 及弹性模量E 有关［8～9］:

将两种材料的属性值代入式(1)，得到各种材料的一阶共振频率与纤毛长度的关系，如图7 所示。为了既满足水听器的低频工作性能，又兼顾一定的工作频带(f 须大于4 000 Hz)，综合考虑灵敏度和工作频带，应选取长度为5 mm的碳棒作为纤毛材料。

2.2 透声帽封装优化设计

本文通过提高透声帽的刚度来提高其共振频率(为了不影响其透声性能，厚度不变)，从而拓宽矢量水听器的工作频带。设计出硬支撑体嵌入式透声帽结构，即在四瓣刚性支撑体之间注入聚氨酯材料，形成硬支撑体与聚氨酯镶嵌结构，结构示意图如图8 所示。

图7 一阶共振频率随纤毛长度的变化Fig 7 First-order resonance frequency change with length of cilium

图8 嵌入式帽结构示意图Fig 8 Diagram of embedded encapsulation structure

利用ANSYS 有限元软件辅助分析，通过仿真获得聚氨酯帽封装结构和嵌入式封装结构的固有频率。聚氨酯帽和嵌入式封装一阶模态如图9 所示，且一阶频率分别为874，4 116 Hz。

图9 不同封装结构仿真图Fig 9 Simulation diagram of different packaging structure

3 水听器的测试

对加工好的水听器样机进行灵敏度和指向性测试。在驻波桶中，分别对优化前纤毛为光纤的桔瓣式封装和优化后纤毛为碳棒的嵌入式封装水听器进行灵敏度测试。为保证结果的准确性，两种不同封装水听器各制作3 支。测试封装示意图如图10 所示。

图10 水听器封装实物图Fig 10 Physical map of hydrophone packaging

3.1 灵敏度的测试

灵敏度校准测试采用比较法校准的原理。将待测传感器与标准水听器置于驻波筒内水下深度分别为d0，d，并将待测水听器最大输出方向对准声波入射方向，实际测量过程中，两者设定为同一深度，即d0=d(如图11 所示)。由于管中为驻波声场，管中任意一点声压满足1/p∝sin kd 的关系(其中k 为波数，k=2π/λ)，因此，被测水听器的灵敏度Mx 为［10，11］

图11 测试安装示意图Fig 11 Diagram of test setup

其中，Ux为被测水听器的开路电压有效值，Mx为被测水听器的接收灵敏度，p0可以通过测量标准水听器的开路电压得到。驻波筒测试现场图如图12 所示。测试频带选择25～1 000 Hz，以1/3 倍频程所得频率点对MEMS 水听器进行灵敏度的标定，根据测试结果绘制优化前纤毛为光纤的聚氨酯透声帽封装和优化后纤毛为碳棒的嵌入式透声帽封装的水听器频响曲线对比图如图13 所示。测试结果表明:在25～300 Hz，优化后的水听器灵敏度提高了5 dB，在300～1 000 Hz，优化后水听器灵敏度提高10 dB，优化后水听器的共振峰明显后移，拓宽了水听器的工作频带。

3.2 指向性测试

对优化后的纤毛为碳棒的嵌入式封装水听器进行指向性测试。指向性的测量同样采用图11 所示的驻波测量装置。由于管中声场是垂直分布的，只需沿水平轴对被校矢量水听器进行旋转，记录旋转角度θ 和矢量水听器的开路电压eθ，同时记录最大方向水听器的输出电压值emax，归一化的指向性函数表达式

图12 为驻波筒测试现场图Fig 12 Standing wave tube test site

图13 优化前后水听器频响曲线对比图Fig 13 Comparison of frequency response curve of hydrophone before and after optimization

根据公式(3)，对所测数据进行归一化处理，得到水听器的指向性图。图14 为测试频率是100 Hz 时，水听器指向性图。测试结果表明:具有很好的“8”字型指向性，凹点深度达到了38 dB，且指向性曲线平滑。

图14 水听器指向性示意图Fig 14 Directivity patterns of hydrophone

4 结 论

本文从两个方面对现有水听器进行优化，一是用碳棒代替光纤作为水听器纤毛材料，二是提出嵌入式透声帽封装结构。用ANSYS 软件分别对优化前和优化后的结构进行仿真分析，并通过实验测试，在25～300 Hz，优化后的水听器灵敏度提高了5 dB，在300～1 000 Hz，优化后水听器灵敏度提高10 dB，优化后水听器的共振峰明显后移，拓宽了水听器的工作频带，为水听器进一步的发展和工程应用奠定了基础。

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