一种新型三维MEMS电容式矢量水听器研制

　　0 引言

　　矢量水听器一般由声压水听器与直接或间接测量振速的传感器复合而成，能够同时共点的测量水下声标量和矢量( 声压梯度、质点振速、加速度、位移或声强等) 信息[1]。它可以同时获得多种声场信息，而且具有良好的低频指向性，能够抑制各向同性噪声等特点。另外，基于远场目标检测和安静型潜艇探测而言，需要低频段的矢量水听器[2]，即需要矢量水听器具有低频检测能力。同时，随着目标信号的减弱，高灵敏度检测问题也变得非常迫切[3]。

　　一种差分电容原理、硅基 MEMS 敏感结构的矢量水听器被提过。该矢量水听器的拾振方式为柱体同振式[4]，特点为高分辨、高灵敏度检测、甚低频检测、宽动态范围且易于集成。该矢量水听器可用于海洋环境监测、目标或其他水声探测系统。

　　1 敏感芯片设计

　　由于单边活动的电容传感器随着测量范围的增大，相应的误差也增大。在实际应用中，为了提高这类传感器灵敏度、提高测量范围和减小非线性误差，敏感结构采用差动式电容[5]，如图1所示。

　　若活动极板的初始位置距两个固定极板的距离均为d0，则固定极板l和活动极板3之间的电容与固定极板2和活动极板3之间的初始电容相等，若令其为C0，当活动极板3在被测物体作用下向固定极板2移动Δd时，则位于中间的活动极板到两侧的固定极板的距离分别为

　　活动极板和两个固定极板构成电容分别为

　　当二者形成差动式电容器时，其等效电容为

　　由式(5)可见电容的变化量与位移Δd成非线性关系，但微小量检测中，如线膨胀测量等，一般都可以略去高次项，那么就得到式(6)、式(7)，输出特性得到改善。

　　灵敏度s为[6]

　　芯片的弹性敏感元件为对称的“四梁-惯性质量”结构，中间惯性质量对加速度具有敏感特性，将加速度信号转换成惯性质量的位移量，惯性质量相对上下极板间的距离发生变化，通过检测电容量的变化实现加速度的测量。采用的对称结构可以消除横向效应的影响，并且四悬臂梁结构在惯性质量产生位移时，只有四个梁产生弯曲变形，惯性质量基本保持不变，这可以消除电容可动极板各点位移量不同所引起的输出非线性问题。为了进一步提高灵敏度采用一种折叠梁弹性结构，该结构的优点是可以增大惯性质量的位移量，使电容可动极板产生的电容变化量增大，从而提高灵敏度，如图2所示。

　　采用有限元方法，用 ANSYS 软件对上述结构进行仿真。先建立矢量水听器微结构的ANSYS模型，然后对敏感芯片的弹性敏感元件进行建模和特性分析。采用的材料为单晶硅，其杨氏模量E=1.7×10¹¹Pa，泊松比为0.278，密度为2.33×103kg/m³。模型结构为四个固支的折叠梁-惯性质量结构，如图3所示，惯性质量结构尺寸长3436μm，宽3436μm，厚60μm。在结构的四梁端面施加约束，通过模态分析，得到该结构的频率为4754Hz。