一种新型的MEMS单矢量水听器研究

　　0 引言

　　随着水声探测与反探测的发展,特别是多数潜艇采用消声瓦之后,声呐的工作频率要求下降到约3 kHz以下。这给受到声学基阵尺寸、重量和造价严格限制的深弹声制导系统带来了极大的困难。为了能够在低频、小尺度阵形下获得一定的空间增益,且能给出水下目标精确的方位信息,矢量水听器是一种最佳的选择[1-4]。首先,在于它具有宽带一致的偶极子指向性及低频小尺寸等特点[5];其次,在水声测量系统中,矢量水听器的采用使系统的抗干扰能力和线普检测能力获得提高[6]。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[5],因此矢量水听器的研究工作受到国内外极大重视。

　　目前,矢量水听器急需解决大灵敏度、甚低频检测、矢量水听器的小型化等几个问题。微电子机械系统(MEMS)是微电子技术和精密机械加工技术相结合的产物,具有微型化和集成化的特征[7]。它作为一种全新的交叉学科,由于有着广阔的应用前景,已经成为未来世界发展的重点。将压阻原理、MEMS技术应用于矢量水听器是一种新原理、新方法的尝试[8]。采用压阻原理可以使矢量水听器的探测灵敏度优于压电陶瓷式水听器,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[9]。将MEMS技术引入水声领域,可在传感器的微型化设计方面及阵列集成方面带来益处。因此,展开基于MEMS技术的矢量水听器具有十分重要的意义。本文主要研究利用新型结构、结合压阻原理和MEMS技术制作矢量水听器的可行性,并进行了相关的实验测试。

　　1 柱体声学理论

　　声学理论研究表明[10-11],如果声学刚硬柱体的几何尺寸远远小于声波波长,即kLn1, k是波数,L是刚硬柱体的最大线性尺度,则其在介质中声波作用下作自由运动时,刚硬柱体的振动速度幅值v与声场中柱体几何中心处介质质点的振动速度幅值v0之间存在以下关系:

　　式中:ρ0是介质密度;ρ是刚硬柱体的平均密度。

　　由式可知,当刚硬柱体的平均密度等于介质密度时,其振动速度幅值v与声场中柱体几何中心处介质质点的振动速度幅值v0相同,这样只要有敏感单元能通过刚硬柱体拾取该振动信息即可获得声场中柱体几何中心处介质质点的振动信息。

　　声学刚硬柱体在介质中声波作用下作自由运动时,存在声散射问题。根据理论研究可知,如果声学刚硬柱体的几何尺寸远远小于波长,那么刚硬柱体对声场的干扰可不予考虑[12]。

　　2 水听器的微结构设计与仿真

　　根据柱体声学理论,结合半导体材料的压阻效应,设计出基于MEMS的单矢量水听器微结构,该结构包括高精度四梁微结构和空芯塑料柱体两部分。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,再将空芯塑料柱体固定在四梁微结构的中心连接体处。水听器微结构如图1所示,r为柱体半径;h为柱体高度;l为梁长;w为梁宽;t为梁及中心连接体的厚度;a为中心连接体的边长。