MEMS矢量水聽器減振結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究*

郭 楠,張國軍*,簡澤明,劉夢(mèng)然,張文棟

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

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MEMS矢量水聽器減振結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究*

郭 楠1,2,張國軍1,2*,簡澤明1,2,劉夢(mèng)然1,2,張文棟1,2

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

在MEMS矢量水聽器現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出一種新型減振結(jié)構(gòu),期望利用該封裝結(jié)構(gòu)衰減水聽器工作時(shí)安裝平臺(tái)的振動(dòng)噪聲,削弱安裝平臺(tái)振動(dòng)對(duì)水聽器測(cè)量精度的影響,提高水聽器的抗噪能力。結(jié)合理論分析確定減振材料并采用有限元軟件進(jìn)行仿真,對(duì)矢量水聽器先后采用原有封裝結(jié)構(gòu)和減振封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝,并通過振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)和駐波桶靈敏度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明:該結(jié)構(gòu)可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS矢量水聽器干擾信號(hào)的衰減,同時(shí)基本不影響水聽器的接收靈敏度。

MEMS矢量水聽器;減振;阻尼材料;損耗因數(shù);封裝結(jié)構(gòu)

MEMS矢量水聽器是一種新型的水聲測(cè)量設(shè)備[1]。水下聲源發(fā)出聲波,這些攜帶信息的聲波連同海洋環(huán)境噪聲,通過海洋到達(dá)矢量水聽器或傳感器陣,被矢量水聽器轉(zhuǎn)換為電信號(hào),對(duì)拾取的聲場(chǎng)信息進(jìn)行處理,判斷是否存在目標(biāo),確定目標(biāo)的種類、狀態(tài)參數(shù)等數(shù)據(jù),從而提供所需要的信息。因此,MEMS矢量水聽器具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。目前,基于MEMS技術(shù)的水聽器已趨于成熟化發(fā)展[3-4]。但是,由于其工作環(huán)境復(fù)雜,安裝平臺(tái)多種多樣,在實(shí)際應(yīng)用中由于安裝平臺(tái)等外界設(shè)備振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲(如艦船機(jī)械設(shè)備振動(dòng)噪聲、螺旋槳振動(dòng)噪聲及水動(dòng)力噪聲等)以及海水中的流噪聲都會(huì)對(duì)水聽器敏感探頭造成干擾[5],從而影響了水聽器的信噪比,成為水聽器提取有用信號(hào)的屏障,影響矢量水聽器的靈敏度,進(jìn)而限制了水聽器性能優(yōu)化發(fā)展,使得矢量水聽器在實(shí)際的工程應(yīng)用中存在局限。因此,解決矢量水聽器封裝結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問題十分必要。針對(duì)這一事實(shí),結(jié)合減振原理,本文設(shè)計(jì)了一種減振結(jié)構(gòu),對(duì)現(xiàn)有的MEMS矢量水聽器的封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理化改進(jìn),目的是在不影響水聽器接收靈敏度的前提下實(shí)現(xiàn)矢量水聽器在工程應(yīng)用中減少安裝平臺(tái)振動(dòng)產(chǎn)生的干擾信號(hào)。

1 減振封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 理論依據(jù)

高分子阻尼材料的減振降噪技術(shù)是很普遍的一種處理方法,它通常是將高分子阻尼材料附著在結(jié)構(gòu)件表面,大大提高機(jī)械結(jié)構(gòu)阻尼,利用高分子的粘彈性吸收振動(dòng)能量,并有效地將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉,從而達(dá)到減振目的[6]。橡膠由于它低的可調(diào)正的模量和較高的本征阻尼,大應(yīng)變下不被破壞和在一定變形方式下承載高負(fù)荷的能力等優(yōu)良特性,在工程技術(shù)的很多領(lǐng)域被用來消除振動(dòng)和噪音[7]。在周期性外力作用下,其應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系可用復(fù)數(shù)模量表示如下:

σ=|E*||ε|sin(ωt+δ)

(1)

E*=E′+iE″

(2)

tanδ=E″/E′

(3)

式中:σ為正弦交變應(yīng)力,E*為復(fù)數(shù)模量,ε為應(yīng)變,ω為對(duì)試樣施加外力的頻率,t為時(shí)間,δ為應(yīng)力與應(yīng)變之間的相位角。E′為儲(chǔ)能模量,反映材料變形時(shí)能量儲(chǔ)存的大小,即回彈能力,E″為損耗模量,反映材料變形時(shí)能量損耗的大小。tanδ為損耗因數(shù),反映材料形變過程中損耗能量的能力,因此通常用來表征阻尼材料的阻尼性能。

圖1 單自由度振動(dòng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)模型

(4)

式中ωA為減振器的共振頻率,ξ為減振器的阻尼比,ξ=C/C0(C0為臨界阻尼)。

在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上按式(4)可作出圖2所示的傳遞率和頻率特性曲線。由圖可見,當(dāng)ω很小時(shí),傳遞率接近1;當(dāng)ω=ωA時(shí),出現(xiàn)共振,傳遞率將達(dá)最大值,這時(shí)不僅不能減振,而且使外來振幅得到擴(kuò)大;當(dāng)ω>1.41ωA時(shí),傳遞率|η|<1,出現(xiàn)了減振效果,ω越大,減振效果越好。

圖2 傳遞率和頻率特性曲線

由此可見,減振器設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)力求減小ωA,以擴(kuò)大減振器的有效減振區(qū)。當(dāng)ω=ωA時(shí)代入式(5)后得

(5)

由式(5)可見,tanδ越大,|η|將越小。欲改善減振器在共振區(qū)的性能,則應(yīng)選擇高阻尼粘彈材料制成橡膠元件,它可大為改善這一特性。

依據(jù)上述原理,采用聚氨酯橡膠作為減振材料。聚氨酯是一類具有實(shí)用價(jià)值的阻尼材料[8],是由軟段和硬段組成的嵌段共聚物,在其大分子之間靜電力很強(qiáng),還有大量氫鍵存在。這些分子間作用力除直接影響力學(xué)性能外,還能促進(jìn)硬段聚集,產(chǎn)生適當(dāng)?shù)奈⑾喾蛛x結(jié)構(gòu),因而具有較高的tanδ。此外,還可通過調(diào)正配比和設(shè)計(jì)減振結(jié)構(gòu)和形狀來改變減振器結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼,增加聚氨酯分子鏈間的摩擦,使損耗因數(shù)tanδ提高,以得到在一定的變形方式下和頻率范圍內(nèi)所需的阻尼性能。

1.2 減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

MEMS矢量水聽器的封裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示,當(dāng)有水下聲信號(hào)作用于水聽器的透聲帽時(shí),透聲帽將會(huì)通過內(nèi)部的硅油把相應(yīng)的聲音信號(hào)傳遞給纖毛引起纖毛擺動(dòng),由于纖毛粘接在敏感微結(jié)構(gòu)上,從而將感受到的聲信號(hào)傳遞給敏感微結(jié)構(gòu)上的壓阻敏感單元,使梁產(chǎn)生應(yīng)力變化,植入其上的壓敏電阻的電阻值便發(fā)生變化,檢測(cè)這一變化即可實(shí)現(xiàn)水下聲信號(hào)的矢量探測(cè)[9-11]。敏感微結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 矢量水聽器的減振封裝結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 敏感微結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 軟支座結(jié)構(gòu)示意圖

由于硬支座起著連接敏感微結(jié)構(gòu)和水聽器外殼的關(guān)鍵作用,工作時(shí)安裝平臺(tái)的振動(dòng)噪聲將經(jīng)過水聽器外殼傳播至敏感微結(jié)構(gòu),進(jìn)而干擾了水聽器對(duì)于有用信號(hào)的提取。針對(duì)這一問題,采用聚氨酯減振橡膠,設(shè)計(jì)了一種減振核心器件——軟支座(圖5),將現(xiàn)有封裝結(jié)構(gòu)中的硬支座替換為文中設(shè)計(jì)的軟支座。減振封裝結(jié)構(gòu)由軟支座、連接在軟支座頂部的上底座以及連接在軟支座底部的下底座3部分組成。

根據(jù)彈簧減振機(jī)理[12],將軟支座設(shè)計(jì)為環(huán)式彈性元件,上下分別為連接單元和支撐單元,中間部分鏤空設(shè)計(jì)。在彈性體筒壁上設(shè)計(jì)呈上下層分布的支撐住,兩層之間交叉45°,對(duì)應(yīng)成兩端固定、中間受載的應(yīng)變梁,提供一定的壓縮量,可緩沖外界工作平臺(tái)傳來的機(jī)械振動(dòng)。在應(yīng)力作用下,該應(yīng)變梁可簡化成矩形超靜定梁,即緩沖單元和平衡單元作為整體可簡化為由8個(gè)超靜定梁組成。根據(jù)超靜定梁定義,在受到集中載荷時(shí),超靜定梁的自由端的端部只有移動(dòng),沒有轉(zhuǎn)動(dòng),即產(chǎn)生S形變形,能保證水聽器封裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

工作時(shí),安裝平臺(tái)的振動(dòng)噪聲將通過外支座向MEMS水聽器內(nèi)部的敏感微結(jié)構(gòu)傳播。根據(jù)上述減振原理,通過調(diào)節(jié)配比和加工條件,可以增大軟支座的損耗因數(shù),大大增加整個(gè)系統(tǒng)的阻尼,噪聲經(jīng)過軟支座減振結(jié)構(gòu)時(shí),聚氨酯高分子材料的粘彈性將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉,從而削弱安裝平臺(tái)的干擾信號(hào)對(duì)水聽器內(nèi)部敏感微結(jié)構(gòu)的影響。

2 減振結(jié)構(gòu)仿真

MEMS矢量水聽器主要依靠檢測(cè)植入敏感微結(jié)構(gòu)梁上的壓敏電阻的阻值變化所引起的輸出電壓的變化來獲得所需的聲源信息。因此,引入的減振結(jié)構(gòu)不能削弱敏感微結(jié)構(gòu)梁對(duì)于應(yīng)力的感知能力,否則會(huì)降低MEMS矢量水聽器接收信號(hào)的能力。

為了驗(yàn)證分析設(shè)計(jì)的正確性,進(jìn)一步優(yōu)化矢量水聽器的封裝結(jié)構(gòu),采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行靜力分析。分別創(chuàng)建原有硬支座模型和減振軟支座模型,仿真過程中用到的材料屬性參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性參數(shù)

分析時(shí),在纖毛單側(cè)施加1 Pa的聲壓,以比較兩種封裝結(jié)構(gòu)下矢量水聽器敏感微結(jié)構(gòu)梁對(duì)有用信號(hào)的采集能力。減振軟支座封裝結(jié)構(gòu)的有限元圖如圖6所示,梁上應(yīng)力如圖7所示。

由圖7比較可知,原有結(jié)構(gòu)和減振結(jié)構(gòu)梁上應(yīng)力值基本相同,分別約為72 071 Pa和71 499 Pa,說明了減振結(jié)構(gòu)基本不影響矢量水聽器對(duì)有用信號(hào)的采集,即不影響靈敏度。

圖6 軟支座封裝的有限元圖

圖7 梁上應(yīng)力仿真結(jié)果對(duì)比圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)

對(duì)同一只矢量水聽器,先后采用原有封裝結(jié)構(gòu)和本文設(shè)計(jì)的減振封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝,如圖8所示。采用傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)BK3629及其配套儀器進(jìn)行測(cè)試,如圖9所示。

振動(dòng)臺(tái)提供的振動(dòng)噪聲模擬水聽器工作時(shí)安裝平臺(tái)振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲,采用掃頻的方法在固定g值的條件下,測(cè)試出兩種封裝結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)曲線。受實(shí)驗(yàn)條件限制,測(cè)試的最低頻率為25 Hz,測(cè)試范圍為25 Hz～2 kHz,測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖8 原有封裝結(jié)構(gòu)與減振封裝結(jié)構(gòu)的矢量水聽器

圖9 振動(dòng)臺(tái)測(cè)試

圖10 振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可見,采用軟支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝的水聽器比原有的硬支座封裝形式水聽器輸出幅值減小了大約10倍,表明采用減振封裝結(jié)構(gòu)的水聽器對(duì)于安裝平臺(tái)的振動(dòng)噪聲具有明顯的減振效果。

3.2 駐波桶測(cè)試

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的減振封裝結(jié)構(gòu)對(duì)于MEMS矢量水聽器的接收靈敏度的影響,分別測(cè)試圖8中的采用原有封裝形式和減振封裝形式先后進(jìn)行封裝的矢量水聽器的接收靈敏度。測(cè)試過程在駐波桶校準(zhǔn)裝置中進(jìn)行(圖11),駐波桶標(biāo)準(zhǔn)裝置由鎖相放大器、電子開關(guān)、前置放大器、功率放大器、聲源、校準(zhǔn)管和垂直回轉(zhuǎn)裝置組成。

在測(cè)試過程中,將待測(cè)水聽器和標(biāo)準(zhǔn)水聽器處于水下同一深度,MEMS矢量水聽器的x方向和y方向輸出波形如圖12所示,得到原有封裝結(jié)構(gòu)和減振封裝結(jié)構(gòu)靈敏度對(duì)比曲線如圖13所示。

圖13 兩種封裝結(jié)構(gòu)的水聽器接收靈敏度對(duì)比曲線

圖11 靈敏度測(cè)試

由測(cè)試結(jié)果可見,原有封裝結(jié)構(gòu)(硬支座矢量水聽器)輸出波形毛刺較多,波形不平滑,說明核心器件以外的安裝平臺(tái)振動(dòng)噪聲較大,而采用本設(shè)計(jì)的減振封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝的MEMS矢量水聽器輸出波形清晰平整,說明加入減振器的水聽器對(duì)安裝平臺(tái)產(chǎn)生的干擾信號(hào)進(jìn)行了衰減處理。而從靈敏度對(duì)比曲線可以看出,采用減振封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝的水聽器的接收靈敏度并未產(chǎn)生顯著下降,這就說明本文設(shè)計(jì)的減振封裝結(jié)構(gòu)可以在基本不影響水聽器接收靈敏度的前提下有效吸收安裝平臺(tái)振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲,減弱外界無用信號(hào)干擾,提高了接收到的聲信號(hào)的質(zhì)量,進(jìn)而改善了MEMS矢量水聽器的適應(yīng)性。

4 結(jié)論

本文在MEMS矢量水聽器的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)制作了一種MEMS矢量水聽器用的減振封裝結(jié)構(gòu),旨在削減矢量水聽器在工程應(yīng)用中由于安裝平臺(tái)等外界噪聲對(duì)水聽器的干擾。通過ANSYS仿真,優(yōu)化現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加減振軟支座結(jié)構(gòu),并通過振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)和靈敏度測(cè)試,表明本優(yōu)化設(shè)計(jì)具有可行性,能有效提高水聽器抵抗安裝平臺(tái)噪聲干擾的能力,同時(shí)基本不影響其接收靈敏度,從而使得MEMS矢量水聽器更能適應(yīng)水下惡劣的環(huán)境。

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Design and Research on MEMS Vector Hydrophone’s Vibration-Isolation Packaging Structure*

GUONan1,2,ZHANGGuojun1,2*,JIANZeming1,2,LIUMengran1,2,ZHANGWendong1,2

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory of Science and Technology on Electronic Test and Measurement,North University of China,Taiyuan 030051,China)

A novel vibration-isolation packaging structure is designed based on the existing structure of MEMS vector hydrophone. It is desirable that this novel structure can isolate the vibration noise caused by working platform and improve the anti-noise ability of hydrophone. This novel structure is made of polyurethane(PU)rubber which is manufactured with a certain proportion. According to the size of existing hydrophone,the geometry dimensions are determined. The hydrophone is fabricated in the form of original packaging structure firstly and then in vibration-isolation packaging structure. The shaking table test and sensitivity test are conducted. The results show that the vibration-isolation packaging structure can effectively isolate the interference signal produced by working platform without affecting the sensitivity of hydrophone obviously.

MEMS vector hydrophone;vibration-isolation;damping material;loss factor;packaging structure

郭 楠(1991-),女,山西陽泉人,碩士研究生,主要從事微納器件研究及傳感器相關(guān)結(jié)構(gòu)研究,精密儀器及機(jī)械專業(yè),guonan0902@163.com;

張國軍(1977-)副教授,2001年7月畢業(yè)于華北工學(xué)院自動(dòng)控制系并留校任教,同年9月被派往清華大學(xué)微電子系進(jìn)修微電子專業(yè)。2003年,考取中北大學(xué)精密儀器與機(jī)械專業(yè)研究生,2004.7～2006.7在中國科學(xué)院聲學(xué)研究所做有關(guān)穿孔板結(jié)構(gòu)非線性聲學(xué)方面的研究工作,2012年,在西北工業(yè)大學(xué)攻讀博士,1099963431@qq.com。

項(xiàng)目來源:國家863項(xiàng)目(2013AA09A412);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61127008);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51205374)

2014-09-24 修改日期:2014-12-13

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.03.007

TP565.1

A

1004-1699(2015)03-0336-06