MEMS矢量水听器定位误差分析与测试

　　0　引言

　　矢量水听器在海洋工程和海洋开发中有着广泛的应用前景。矢量水听器不但可以测量声场中的标量声压，还可测出声场中的介质质点的振速，通过声波在各个方向的振速来确定声源的方位。影响矢量水听器定位精度的主要因素有系统自身声速通道灵敏度误差和海洋环境参数测量误差等。而这种矢量传感器声速通道灵敏度误差会严重影响到矢量水听器的定位精度，需对其进行细致的分析和标定。本文针对一种微机械电子(MEMS)矢量水听器的工作原理和误差来源进行分析和测试，通过试验验证了仿真结果，提出了一种可行的解决方法，有效地解决了单矢量水听器的误差，在矢量水听器批量化制造和工程应用中具有指导意义。

　　1　矢量传感器工作原理与误差来源

　　根据声学振动原理及微结构拾振条件，制作出MEMS仿生矢量水听器微结构[1]。该矢量水听器的拾振结构由四梁-中心连接体微结构和纤毛拾振柱体两部分组成，其中纤毛柱体垂直固定于四梁-中心连接体的中央(即四梁交叉处)，压阻敏感单元分别布置于四梁的应力最大处，其MEMS芯片结构如图1所示。

　　当外界声波作用到纤毛柱体时，纤毛会带动梁发生变形，导致梁上应力分布产生变化;根据压阻效应原理可知，布置在梁上的压敏电阻的阻值会发生变化，从而达到利用电阻变化反映外界声波作用。布置在梁上的电阻通过电桥电路连接，由每个轴向对称梁上的4个电阻组成一个惠斯通电桥电路如图2所示，这样可在x、y方向各形成一桥路，分别检测x、y方向的声波振速分量。如通过纤毛拾取沿x方向声波时，梁上的应力分布就会产生变化，若R1和R3处对应的主要是张应力，电阻阻值变大;则R2和R4处对应的主要是压应力，电阻阻值变小;而R5、R6、R7和R8处是剪应力起主要作用。在梁宽远大于梁厚的情况下，剪应力相对于正应力很小，完全可忽略，故此时只有x方向电桥有输出。考虑到该结构x、y方向的对称性，故x方向的分析也适合y方向。微结构电阻变化示意图如图3所示[2]。

　　当梁上有应力变化时，梁上的电阻产生变化，x方向电桥输出为

　　根据微加工扩散控制和精确控制电阻布置位置可得R1=R2=R3=R4=R，则式(1)化简为

　　同理可得y方向的电桥输出。由声学理论可知，平面波声压[1]可表示为

　　式中k为波矢量，表示声波传播的方向，它与水平面的夹角为α，它在水平面内的投影与x轴的夹角为θ，如图4所示。

　　声场在均匀介质中运动方程为