一种新型MEMS矢量水听器的设计

　　0　引言

　　水声是海洋中信息传播的主要载体，水下探测、定位与导航、目标识别、通信等水下作业都必须借助于水声技术来完成。作为一种重要的水下探测装置，声呐的出现在民用方面逐渐发挥重要的作用[1-2]。

　　当前的声纳系统多采用水听器通过组阵的方式来确定被探测目标的方位，存在两方面的缺点：

　　1)成本高。目前的民用声纳系统一套约为70～120万人民币，这对一般民用船只只能是望而生畏。

　　2)性能受限。当前声纳系统要实现远距离探测，必须增大基阵尺寸，且维修不方便。要改良声呐系统，首先必须对声呐上的水听器性能进行改进，微机电系统(MEMS)矢量水听器以高性能、低成本的优势顺应了目前的发展趋势和需求[3]。

　　MEMS技术是在微电子技术的基础上发展起来的一种新技术，融合了硅微加工和精密机械加工等多种微加工技术，可实现单芯片三维传感一次集成，适合低成本大批量生产[4-5]。针对国内对高灵敏、小体积及造价低的矢量水听器的迫切应用需求的现状，提出了一种新型的双“T”型MEMS矢量水听器，该敏感单元结构可以一体化加工，且加工成本低，适合大批量生产，易于阵列化。此新型矢量水听器的提出对开展低成本、高性能MEMS矢量水听器的研究有重大意义。

　　1　声学理论

　　流体中的声场是一种很特殊的物理场，它兼有标量场和矢量场的特性。声场中，任意一点附近的物质状态可用声压P、密度ρ和介质质点速度珗v来表示。声场中的声压是标量，但介质质点位移、振速及振动加速度是矢量。由此可见，声场不但具有标量场的属性，同时具有矢量场的属性，这为设计矢量水听器提供了理论依据。声学理论研究表明，声学柱体的几何尺寸如果远小于声波波长且KL1(K为波数，L为柱体的最大几何尺寸)，则柱体在声波作用下作自由运动时，其振动速度的幅值v与其周围声介质质点振动幅值v0间的关系为[6]

　　式中：ρ0为介质密度;

　　ρ1为柱体的平均密度。

　　由式(1)可知，当ρ1等于或接近ρ0时，其v与声场中柱体几何中心处介质质点的v0相同或接近，这样只要有敏感单元能通过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，如果声学柱体的几何尺寸远小于波长，那么柱体对声场的干扰可不予考虑[7]。

　　2　水听器微结构设计与仿真

　　2.1　结构设计

　　文献[8]介绍了一种“MEMS仿 生矢量 水听器”，该水听器的结构如图1所示。图中，仿生纤毛固定于四梁-中心连接体的中央(即四梁交叉处)，压阻敏感单元分别设置于四梁的边缘处。