仿生水听器设计、制造与测试

　　MEMS技术集成了微电子技术和精密机械加工技术两者的优点。在一个衬底上同时集成传感器,信号处理电路,执行器,构成微小的系统。相对于宏观的机电传感器，MEMS技术具备3个突出的优点，即高灵敏度、低噪声和微体积。同时MEMS器件基于集成电路制造工艺采用批量生产，有效地降低了传感器的制作成本。MEMS技术的发展把信息系统的微型化，多功能化，智能化和可靠性水平提高到新的高度。MEMS作为近20a发展起来全新的领域，在各个领域有着广泛的发展前景，世界各发达国家都将MEMS做为未来科技发展的重点方向[1]。

　　采用压阻原理利用MEMS技术制作矢量水听器可以使传感器尺寸微型化，探测灵敏度达到-185dB,同时利用压阻效应可以测量低频信号到零频的带宽范围，这为海洋声学和声纳系统的发展提供了一种新原理、新方法。由于MEMS加工工艺技术与半导体平面工艺兼容,因此可以在硅片上同时制作敏感检测部分与信号处理电路部分, 实现单片集成，甚至系统集成。同时，由于制作过程中工艺都是通用工艺，因此加工制作方便，尤其适合批量制作，这不但可以大幅度降低水听器的制造成本， 而且可以使得水听器的一致性更好，正好满足阵列集成时要求单个水听器一致性好的要求[2]。

　　1 设计

　　根据鱼类侧线细胞探测水中声波振动原理,本文提出一种新型微纤毛式水听器，利用聚氨酯模拟鱼类侧线细胞的细胞壁作为透声和保护的作用、硅油模拟细胞液作为传声介质，微梁模拟可动纤毛来拾取声波振动信号，结构如图1所示。纤毛式水声传感器的检测部分就是制作在微梁上压阻,在声波作用下通过微梁的变形，导致压敏电阻阻值发生变化，这样就可以通过电桥电路将声波信号转化为电信号输出，达到检测水声信号的功能。

　　声学理论研究表明[1],声学刚性柱体在水中声波作用下运动时, 其振速幅值V与声场中刚性柱体处介质质点的振动速度幅值V0之间的关系为：

　　式中：ρ0是介质密度;ρ軃是刚硬纤毛的平均密度。

　　在实际设计时，我们用两根末端连接在一起的平行仿生纤毛式悬臂梁代替单根纤毛，如图2所示，与单纤毛结构相比, 采用这种结构有以下优点：

　　(1) 灵敏度提高1倍;

　　(2) 抗过载冲击性能好;

　　(3) 横向灵敏度小，正对声源时输出最大，具有指向性;

　　(4) 使纤毛柱体的密度与传声介质的密度一致，达到最佳的拾振效果。

　　根据图2所示, 压阻微梁的根部连接在外围固定框架上,在每根微梁的根部通过扩散工艺形成声波检测用的压敏电阻,在框架上制作了同样形状、同样大小的参考电阻,声波检测单元是由微梁上压阻和参考电阻组成，检测电阻一起构成惠斯通电桥。 当有声波作用在硅片平面内时，由图我们可以得出传感器的输出为：