MEMS仿生矢量水听器优化设计

　　矢量水听器由于能够提供声场的矢量信息而成为当前国内外换能器领域研究的热点. Leslie等[1]将水听器安装在刚性的球形壳体中来测量水质点的振速，证实了水听器在低频段有较好的指向性. 美国伊利诺斯州立大学的Fan等[2]通过模仿鱼类侧线器官的工作原理，研制出了微流量传感器. 波恩大学的Izadi等[3]受鱼类侧线原理的启发， 研究了纤毛式仿生微传感器.国内主要以哈尔滨工程大学、612厂、715所、声学所等单位为主积极进行矢量水听器技术研究，进行了大量湖海试，并初步实现了工程应用[4-6]. 但由于当前矢量水听器主要是同振式的，应用起来不太方便，且都是采用多个加速度计组合的方式实现空间声信号的探测，大大增加了矢量水听器的体积，且组合结构基准面的选择、对称性和浮力平衡的精度问题也将直接影响水听器的指向性能[7-8].

　　文献[9-11]提出了一种MEMS仿生矢量水听器，将MEMS技术与仿生学引入到传统的水声换能器领域，实现了矢量水听器的小型化，且可刚性安装，得到国内同行专家的关注. 然而，该水听器的接收灵敏度偏低(灵敏度为-197.7dB)，且幅频响应波动较大. 为此，本文改善了纤毛材料及纤毛与四梁微结构二次集成的问题，并设计了一种“半油半酯” 的新型封装结构，旨在通过封装改进提高水听器的灵敏度和改善其频响曲线.

　　1 MEMS仿生矢量水听器原理

　　MEMS仿生矢量水听器根据鱼类侧线的听觉仿生学原理设计， 仿生敏感结构包括四梁微结构和纤毛(密度与水一致)两部分. 四梁微结构由4个垂直的悬臂梁和位于4梁两端的8个压敏电阻组成. 水听器的微结构如图1所示， 纤毛固定于四梁微结构的中央，实物[9-11]如图2所示. 其工作原理如下：当声波引起纤毛的振动，四梁微结构内部产生形变，导致十字梁上压敏电阻变化，通过惠斯通电桥提取十字梁根部压敏电阻的变化，从而获得声源的方位和强度信息.

　　2 MEMS仿生矢量水听器优化

　　MEMS仿生矢量水听器优化主要包括两方面：声-电转换微结构中纤毛材料及纤毛与四梁微结构二次集成方式的优化; 声学封装的优化. 本文对这两方面的优化进行了详细分析.

　　2.1 声-电转换结构的优化

　　2.1.1 纤毛材料对灵敏度和频响的影响

　　在声-电换能基础结构中，纤毛起到了感知声波的作用，并将介质质点的振动传递给四梁微结构. 如果纤毛密度太大，水质点的振动将不能完全激励起纤毛的振动;如果纤毛密度太小，纤毛的振动将不能充分传递给十字梁结构，且纤毛自身的共振频率太低，限制了水听器的工作频带. 为此，纤毛材料的合理选择对水听器的性能(灵敏度和频响)，特别是工作频带，影响甚大.