纖毛式MEMS矢量水聽(tīng)器研究.pdf

1、隨著艦船減振降噪技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的聲納探測(cè)技術(shù)受到前所未有的挑戰(zhàn)，各主要海軍國(guó)家紛紛探索基于新效應(yīng)、新原理、新工藝的新型換能器進(jìn)行水下聲目標(biāo)檢測(cè)。目前，水下目標(biāo)檢測(cè)手段主要是利用聲壓標(biāo)量水聽(tīng)器及其陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)，這時(shí)只能獲得聲場(chǎng)的聲壓標(biāo)量信息，不能獲得水質(zhì)點(diǎn)的振速、加速度等聲場(chǎng)的矢量信息。另外，對(duì)于小尺寸水下武器平臺(tái)（如水雷，深水炸彈等），由于自身空間的限制，聲壓水聽(tīng)器陣在低頻段很難獲得有效陣增益和波束寬度，繼而影響到其探測(cè)距離與定位精度。

2、然而，近年發(fā)展起來(lái)的矢量水聽(tīng)器可藉助單個(gè)水聽(tīng)器或較小的陣列實(shí)現(xiàn)水下聲目標(biāo)甚低頻、遠(yuǎn)距離探測(cè)與定位，因而倍受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。矢量水聽(tīng)器按拾振工作原理主要分為同振式、聲壓梯度式、動(dòng)圈式等，雖然它們各自的工作原理不相同，但都有對(duì)于聲信號(hào)的檢測(cè)具有“8”字型余弦指向性的共同特點(diǎn)。MEMS矢量水聽(tīng)器是近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一款微型水聽(tīng)器，相對(duì)于其它矢量水聽(tīng)器具有小體積、低成本、剛性安裝等優(yōu)勢(shì)，非常適合應(yīng)用于水下小尺寸武器平臺(tái)。然而，當(dāng)前MEMS矢量

3、水聽(tīng)器發(fā)展也存在一系列瓶頸問(wèn)題，如靈敏度低、響應(yīng)頻帶窄、等效本底噪聲聲壓級(jí)高、抗流激噪聲差等。本文針對(duì)MEMS矢量水聽(tīng)器所存在的諸多技術(shù)難題開(kāi)展了一系列攻關(guān)研究。
　　針對(duì)前期提出的纖毛式MEMS矢量水聽(tīng)器聲—電轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)，建立了相應(yīng)力學(xué)模型，從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)應(yīng)力及共振頻率與微結(jié)構(gòu)幾何尺寸之間解析關(guān)系式，依據(jù)公式定性分析出同一種微結(jié)構(gòu)的靈敏度與共振頻率是一對(duì)固有矛盾。為解決該矛盾，提出了微結(jié)構(gòu)多重應(yīng)力集中的方法，目的是通過(guò)應(yīng)力集

4、中將多種不同微結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)折衷集中在一種結(jié)構(gòu)上，得到相對(duì)于其中某一微結(jié)構(gòu)既提高靈敏度又拓展頻響帶寬的完美結(jié)果。同時(shí)，提出了纖毛集成低密度小球方案，目的是利用低密度小球來(lái)增大聲波的接收面積，大幅提高纖毛式MEMS矢量水聽(tīng)器的靈敏度，同時(shí)微結(jié)構(gòu)的共振頻率也不能降低太多。針對(duì)以上多重應(yīng)力集中微結(jié)構(gòu)和纖毛集成低密度小球兩種微結(jié)構(gòu)分別建立了有限元流固耦合模型，利用ansys仿真軟件，分析并驗(yàn)證了兩種結(jié)構(gòu)的可行性。
　　針對(duì)本文提出的多重應(yīng)力集

5、中微結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜且為MEMS非標(biāo)準(zhǔn)加工工藝的難題，開(kāi)發(fā)出一套完整的MEMS加工工藝流程，重點(diǎn)解決了應(yīng)力槽刻蝕，壓敏電阻布置，歐姆接觸及前后微結(jié)構(gòu)體硅刻蝕等關(guān)鍵工藝。在此基礎(chǔ)上利用L-Edit軟件繪制出光刻掩膜版圖交付加工單位，并成功加工出纖毛式MEMS矢量水聽(tīng)器芯片。然后，基于專用微系統(tǒng)集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了纖毛與MEMS矢量水聽(tīng)器芯片的二次集成。
　　針對(duì)纖毛式MEMS矢量水聽(tīng)器芯片應(yīng)用于水中必須解決其絕緣、耐壓、透聲等封裝問(wèn)題

6、，提出了將纖毛式MEMS矢量水聽(tīng)器密封于透聲帽（其中透聲帽中充滿絕緣、傳聲介質(zhì)油）的封裝方式和“桔瓣式”支撐結(jié)構(gòu)?；谟邢拊抡婧驮囼?yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，深入研究透聲帽對(duì)纖毛式MEMS矢量水聽(tīng)器性能的影響。給出了彈性模量越小、厚度越薄的材料制作透聲帽對(duì)纖毛式MEMS矢量水聽(tīng)器靈敏度損失越小的結(jié)論，雖然透聲帽自身的一階固有頻率也會(huì)越低，從而造成纖毛式MEMS矢量水聽(tīng)器整體頻響曲線變化復(fù)雜。“桔瓣式”支撐結(jié)構(gòu)則可以有效提高透聲帽的一階固有頻率

7、，同時(shí)起到防碰撞效果。
　　針對(duì)前期纖毛式MEMS矢量水聽(tīng)器在海試過(guò)程中抗流激噪聲差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了微型導(dǎo)流罩，測(cè)試表明該微型導(dǎo)流罩雖然對(duì)纖毛式MEMS矢量水聽(tīng)器的靈敏度略有降低（在1kHz以下的低頻最大損失3dB），但對(duì)流激噪聲抑制明顯，從而能夠大幅提高纖毛式MEMS矢量水聽(tīng)器的信噪比。為了減小后續(xù)電路所引起的噪聲，設(shè)計(jì)了微弱信號(hào)提取電路，測(cè)試結(jié)果表明該板級(jí)電路噪聲譜級(jí)小于-140dB（80Hz以上）。
　　最后，對(duì)纖毛式M

8、EMS矢量水聽(tīng)器的靈敏度，指向性，量程，抗振動(dòng)等主要性能進(jìn)行了室內(nèi)校準(zhǔn)測(cè)試，并完成了新安江湖試和青島海試。測(cè)試結(jié)果表明：多重應(yīng)力集中的纖毛式MEMS矢量水聽(tīng)器相對(duì)于前期MEMS矢量水聽(tīng)器靈敏度提高了6~15dB，頻響范圍由20Hz~500Hz拓展到20Hz~1kHz，等效本底噪聲聲壓級(jí)降低了10~25dB。所設(shè)計(jì)的微型導(dǎo)流罩，典型環(huán)境試驗(yàn)和海試結(jié)果表明可以顯著抑制流激噪聲，大幅提高信噪比，為纖毛式MEMS矢量水聽(tīng)器的工程應(yīng)用奠定了技術(shù)基