硅微矢量水声传感器的封装及测试方法研究

　　安静型潜艇的出现使反潜问题日益受到各主要海军国家的重视,导致传统的水声声呐探测技术受到前所未有的挑战.研究者纷纷探索利用新原理、新技术、新工艺进行水下目标检测.由于矢量水声传感器不但可以提高水声测量系统的抗干扰能力和线谱检测能力,而且可使系统的抗各向同性噪声的能力获得提高,并可藉助相对来说较小的传感器基阵实现低频、远距离、多目标的识别等.因此,矢量水声传感器的研究工作受到国内外的极大重视[1-2].目前国内已经有2种类型的矢量传感器投入工程应用研究:同振式矢量传感器和压差式矢量传感器.其中同振式矢量传感器由于具有体积小、重量轻、低频灵敏度高、指向性好等优点,已被广泛用于声呐浮标系统、拖曳阵、低噪声测量等领域[3].以压电式加速度计或动圈式传感器作为振子的同振型矢量水声传感器,在保证一定灵敏度的前提下传感器随着频率的降低,体积变得越来越大,给矢量水声传感器在低频段的工程应用,特别是在成阵应用方面带来了不便[4].采用压阻原理的微结构矢量水声传感器可以使矢量型水声传感器尺寸微型化.并且,压阻效应的优势是可以测量到零频的低频范围,适用于低频测量,可用于安静型潜艇的探测.因此,在保证灵敏度、指向性指标不变的前提下,利用硅微MEMS对矢量水声传感器在低频段进行小型化研究具有重要的意义.该文在研究低频同振式矢量水声传感器原理的基础上,结合硅微MEMS技术,采用精巧的微结构和新的封装方法,设计并制作了硅微矢量水声传感器,并结合振动台标定和驻波场测试的方法完成了该传感器的低频测试.

　　1 硅微矢量水声传感器工作原理

　　依据同振型矢量水声传感器的工作原理,结合半导体材料的压阻效应,设计出硅微MEMS矢量水声传感器微结构.该结构包括2部分:高精度四梁微结构和刚硬塑料柱体.四梁微结构采用标准的压阻式MEMS工艺加工而成,将压敏电阻放置在四梁的敏感部位,再将刚硬塑料柱体固定在四梁微结构的中心连接体处.传感器微结构如图1所示.

　　由压阻效应原理可知,弹性梁上敏感结构的应变能由压敏电阻的阻值变化来反应.因此,当有水下声信号作用于柱体时,柱体将感受到的声信号传递给敏感结构,使梁产生应力变化,植入其上的压敏电阻的电阻值便发生变化.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.当外加直流激励时,电桥的变化就会被检测出来,从而实现水下声信号的矢量探测.

　　该文所设计的硅微矢量水声传感器是利用四梁微结构上刚硬塑料柱体与介质质点同振来拾取声音信号,它可以感知x以及y方向的信号,因此属于二维同振柱型.在分析其接收性能时,可以把问题看作是声场中的刚硬圆柱在声波作用下的散射问题.由于存在散射,圆柱接收器表面的声压不再等于自由场声压,而等于自由场声压与散射波声压之和.建立如图2所示坐标系.