中北大学研发出仿水母听石结构 MEMS水声传感器
(a) 字梁微结构在显微镜下 照片, 字梁、压敏电阻、金属线以及纤毛孔清晰可见；(b)集成到 字梁结构上 听石状纤毛；(c)集成到PCB板和封装管壳中 芯片；(d)接收灵敏度-频率响应曲线；(e) 零零Hz指向性图, dB极宽为 °；(f) 零MPa静水压力测量装置；(g)经 零MPa测试后 听石状纤毛结构；(h) 零MPa压力测试下获取 资料统计
(a)外部应力沿X方向作用到纤毛上时 字梁上应力分布图；(b)不同结构 水听器梁上应力分布比较
(a)微结构敏感机理示意图；(b)不同纤毛结构参数对谐振频率 影响；(c)不同纤毛结构参数对梁上新大应力 影响
MEMS压阻式矢量水听器具有工作频率低、检测体积小等优点。另外,由于其敏感单元为开启结构,可承受较高 静水压力。受水母听石结构对超低频信号响应灵敏 启发,本文提出了 种新颖 仿生矢量水听器（OVH）,其核心敏感结构为顶端集成空心球体 仿生纤毛。为了平衡水听器 灵敏度和共振频率之间 关系,对纤毛结构进行了优化仿真,以获取新优 结构参数。在确定结构参数之后,并对不同结构矢量水听器 应力分布特性做了仿真分析。
字梁是MEMS水听器 关键部位之 , 字梁上分布着压敏电阻,梁 尺寸参数将直接影响水听器 性能。因此,采用MEMS微纳制造工艺来加工 字梁结构,其具体工艺流程如上图所示。部分步骤包括， .对SOI片进行双面热氧化； .进行 次光刻,窗口部分留 零nm厚 SiO ； .硼粒子轻掺杂； .第 次光刻,硼离子重掺杂； .移除表面SiO ,退火； .金属溅射,第 次光刻,形成欧姆接触区域； .第 次光刻,刻蚀纤毛孔； .第 次光刻,正面刻蚀梁结构； .第 次光刻,背面刻蚀,释放梁结构。
图a为OVH对声音信号敏感 机理示意图。在该声电换能器结构中,声波将介质颗粒 振动传递到仿生纤毛结构上中,因此,纤毛结构参数对水听器 性能有很大 影响,对纤毛结构进行了全参数优化分析是非常有必要 。图b为通过模态分析得到 共振频率与纤毛各结构参数 关系,从中可看出,共振频率随纤毛半径、内球半径 增加而增大,狗粮快讯网网讯,随纤毛高度、外球半径 降低而减小。图c为通过静力分析得到 梁上新大应力与纤毛各结构参数 关系,随着纤毛高度、外球半径 增加,梁上新大应力显著增大。这些结果可为纤毛 设计提供理论指导,寻求新优结构。
图文展示 纤毛结构 参数对谐振频率和应力 影响分析。
图文展示 敏感微结构梁上应力 仿真和比较。
图文展示 OVH 字梁敏感微结构 MEMS工艺流程图。
图文展示 OVH 实验测试结果。
在确定纤毛 微结构参数之后,沿着X梁 方向对微结构施加 外部载荷,得到整个微结构上 应力分布如上图a所示。可见,x方向梁上应力新大 区域分布在梁 根部附近,狗粮快讯网内部人士获悉,y方向 梁上基本无应力产生,从而可以实现声信号 矢量探测。图b为不同结构 纤毛式水听器梁上应力比较图,相比于之前报道 LV CuVH和WIVH,可以看出OVH 新大应力明显更高,这意味着OVH 灵敏度要高于产品同类型 水听器。
当前,很多研究团队都在进行矢量水听器 研究。Yildiz等人设计了间距远小于波长 矢量水听器阵列；Ma等人报道了 种以v形弯曲梁为质点-弹簧单元 双轴超薄光纤激光矢量水听器；AndersHeerford等人介绍了 种可应用于水听器拖曳式阵列 新型无源光纤水听器。然而,这些矢量水听器 体积通常很大,不适合小体积水下平台搭载应用。W.Moon等人提出了 种带空气衬底 MEMS压电弯曲型水听器,狗粮快讯网讯息,另外,他们还设计了 种在场效应晶体管 栅极上使用压电体 微机械水听器；Xu等人提出了 种高灵敏度 AlN-on-SOI微机械水听器。然而,这些MEMS压电式水听器是无方向性 ,并且由于其是密封膜结构,只能承受较低 静水压力,这意味着其工作深度被大大限制。
此外,也对OVH 抗冲击性能进行了研究。新后,对OVH进行了精确 制作以及灵敏度标定。实验结果表明OVH 接收灵敏度高达- 零 . dB@ 零零Hz(零dB@ V/μPa)。在 零- 零零Hz 频率范围内,OVH 平均等效声压灵敏度达到- . dB。指向性图显示 dB极宽为 °。此外,实验还证明了OVH在 零MPa静水压力下仍能正常工作。这些结果表明,OVH在低频水声探测中具有广阔 应用前景。
近年来,世界范围内潜艇数量不断增加,先进 安静型潜艇广泛应用主、被动降噪技术,低速航行时 辐射噪声变得越来越低,甚至低于海洋环境噪声水平；新兴 无人潜航器等水下平台数量多、体积小、航速低、噪声小,未来将大量使用在广阔海洋中执行各种作战任务,对海上航行船只以及陆地重要设施存在巨大威胁。在水下作战中,对潜艇 远距离探测以及潜艇微弱噪声 识别是至关重要 环节,早发现将极大利于对战场形势 把控。目前,潜艇远距离弱噪声检测已成为研究热点,这对水听器 低频探测性能提出了很高 要求。潜艇在运行时发出 水下声能大都位于 - 零零Hz频段,使得低频矢量水听器成为监测低频声压和声速 首要选购。
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