基于仿生水听器的回声测距方法

　　仿生学研究主要是通过反复的观察，了解生物的工作原理，并对其优异能力进行模仿和实践，并以此为基础提出设计思想，并将它应用到技术系统[1]。因为仿生学设计的系统具有非常优越的性能，因此受到广大科学研究者的青睐。国内外很多家研究机构通过模仿鱼类侧线器官、蟋蟀的听觉纤毛设计并制造了多种压阻式仿生微传感器[2]。文献[3]介绍了一种仿生矢量水听器的原理及结构，双T型矢量水听器就是以这种结构为基础而设计的。

　　1 仿生结构设计

　　鱼类侧线听觉器官的工作原理简单归纳为: 当声音信号作用于侧线器官的神经丘感觉器时，感觉顶发生形变，促使顶内的粘液流动，引起可动纤毛偏斜，刺激了感觉细胞，刺激通过感觉神经传递到脑部，从而使鱼类对水下声音信号获得感知。根据此原理，设计了如图1所示的水听器基础结构。该结构用硅梁模仿可动纤毛，用硅梁根部的压敏电阻模仿感觉细胞。因此只要硅梁能够获取水下声音信号的信息，就可以通过压敏电阻变化实现水下声音信号的探测。

　　具体设计时，采用双梁代替单梁，电桥由原来的1/4桥变为差动半桥，可使灵敏度增加一倍。

　　2 T型矢量水听器芯片结构设计

　　2.1 最大应力对微结构尺寸的影响

　　当声波入射时，梁受到振动信号的影响，就会顺着声波入射方向发生弯曲，其所受最大应力计算公式为

　　设定q为0.001N/m 载荷加载在纤毛微梁时，梁上最大应力与梁长Hr，梁厚h1和梁宽w1的变化趋势如图2所示。

　　从图2可以看出梁上最大应力随着梁长的增加而增加，随梁的厚度和宽度增加而减小。因此可以通过增加梁长，减小梁厚和梁宽来增大最大应力。

　　2.2 谐振频率对微结构的影响

　　根据振动学理论棒振动谐振频率的计算公式[4]:

　　可以得出纤毛悬臂梁的共振频率只与梁长和梁厚有关，而与梁宽无关; 其变化关系如图3所示。

　　根据传感器的工作原理，传感器的工作频段在一阶固有频率以下才能尽量使得结构的频响一致，工作稳定。因此，要尽量提高敏感单元的一阶固有频率。通过增加梁厚、缩短梁长可以提高梁的一阶共振频率。但提高固有频率会降低梁上的应力变化，导致T型矢量水听器的灵敏度降低，因此必须设计一个合理的纤毛参数，使其既满足测试频带要求，又有适中的灵敏度。

　　通过多次设计分析，设定纤毛梁尺寸定为:3500μm×130μm×10μm(梁×长梁宽×梁厚) 。

　　2.3 压敏电阻的设计