矢量水听器的芯片级减震结构的设计

　　声纳是江河湖海中轮船的耳目，而水听器[1 -2]是决定声纳性能好坏的关键部件—感知并转换部分。

　　海洋中有各种各样背景噪声[3]，包括流噪声、海浪声、船舶和鱼等生物的活动声音。而在这为数众多的背景噪声中要数由海浪、涡流、船体在风浪下的摇摆等引起的流噪声最为严重和厉害。水听器在理想的消声水池中有很高的灵敏度，但海试时性能都会大打折扣。当目标信号源有一定距离，信号本身比较微弱时，在经过一定距离的衰减之后，便被湮没在流噪声之中。于是流噪声便成为了提取有用信号的屏障，成为了限制水听器性能优化发展和工程应用的瓶颈。流噪声主要是以脉冲冲击的方式干扰水听器的正常工作。一旦水听器拾取了含有大量流噪声的信号，要想在后续的电路处理中滤除流噪声便甚为困难和麻烦。而冲击客观存在无法避免，常见解决办法就是弹性安装。目前的矢量水听器在工程应用时，一般都需采用柔性连接。例如，哈尔滨工程大学的贾志富教授1997年成功研制的同振球形声压梯度水听器[4]，该水听器用加速度计作为敏感元件放置在一个刚硬的直径6厘米的球壳内，并通过悬置装置的柔性连接将球壳置于声场中。但外接软连接既无法做到微型化，又极易导致声散射。尤其是组成阵列时，无法保证一致性和稳定性。为此，设计重点放在水听器的内部结构上，笔者受此启发，进行了合理化改进，目的是使水听器在抗冲击的同时不影响接收灵敏度。

　　1 抗流传感器的设计与工作原理

　　抗流矢量水听器的芯片级减震敏感体如图1所示，包含在半导体衬底中部采用半导体体刻蚀技术刻蚀成的内外圈两对弹簧、内中外三框架、十字形悬臂梁结构和四梁交叉处的质量块。其中内中框架通过内圈两个弹簧相连，外中框架通过外圈两个弹簧相连，两对弹簧方向垂直; 微型柱状体垂直固定于十字形悬臂梁结构的中央(即四梁交叉处的质量块上)，该微型柱状体选用密度与水的密度相近的材料; 十字形悬臂梁结构的四梁端部上设置有转换元件，该转换元件为硅微应变压敏电阻[5-6]，经MEMS工艺[7]加工出，4个应变压敏电阻为P型等值电阻(无形变时)，且按[110]晶向布置，连接构成惠斯通电桥。所述的弹簧、框架和十字形悬臂梁结构一次集成，保证了一致性和稳定性。

　　通过惠斯通电桥，将电阻的变化转换为电压的变化，以此实现对水下声信号的方向、声压大小的测量，这就是此种传感器的检测原理。其具体的结构及工作原理，张文栋等人在相关文献中已详尽阐述[8-10]。与现有无弹簧结构相比，所不同的是该减震结构的十字梁四周连接有弹簧，当水流冲击时，会引起弹簧发生形变，弹簧像减震器一样有效的缓解了水流的压力，从而大大提高了抗冲击的能力。