單片集成陣列式MEMS矢量水聽(tīng)器設(shè)計(jì)與仿真

薛 南，張國(guó)軍，申 輝，王萬(wàn)軍，陳桂英，許 嬌

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051;2.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，山西太原 030051）

單片集成陣列式MEMS矢量水聽(tīng)器設(shè)計(jì)與仿真

薛 南1，2，張國(guó)軍1，2，申 輝1，王萬(wàn)軍1，2，陳桂英1，許 嬌1

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051;2.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，山西太原 030051）

針對(duì)當(dāng)前對(duì)MEMS矢量水聽(tīng)器高可靠性、寬頻帶的迫切要求，設(shè)計(jì)了2×2單片集成陣列式MEMS矢量水聽(tīng)器。矢量水聽(tīng)器單片集成陣列化可以提高水聽(tīng)器一致性，大幅度降低水聽(tīng)器的制造成本。在理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)Ansys軟件完成對(duì)陣列微敏感結(jié)構(gòu)機(jī)械特性和頻率特性的仿真，確定壓阻惠斯通電橋的布置及連接方式。對(duì)于水聽(tīng)器的研究和應(yīng)用有重要意義。

MEMS技術(shù);矢量水聽(tīng)器;Ansys仿真

TP565.1

A

0 引言

聲吶系統(tǒng)的核心技術(shù)是水聽(tīng)器的陣列技術(shù)。傳統(tǒng)聲吶陣列的陣元由標(biāo)量水聽(tīng)器組成來(lái)確定被探測(cè)目標(biāo)的方位，但其陣列孔徑較大，直接影響探測(cè)精度和距離。同時(shí)，聲吶設(shè)備對(duì)水聽(tīng)器陣元一致性要求高，需從大批量水聽(tīng)器中挑選一致性很好的器件組成基陣，直接加大其加工難度和成本［1］。矢量水聽(tīng)器在成陣方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，不但在低頻輻射噪聲中的指向性很突出，而且矢量水聽(tīng)器基陣體積較?。?］。此外，矢量水聽(tīng)器成陣可以獲得比傳統(tǒng)的標(biāo)量水聽(tīng)器成陣更高的陣增益，減小陣列孔徑，從而可以探測(cè)更遠(yuǎn)的距離［3］。

傳統(tǒng)的矢量水聽(tīng)器陣列多是同振矢量水聽(tīng)器陣列，由多個(gè)加速度計(jì)組合封裝而成，性能指標(biāo)受制于內(nèi)部加速度計(jì)，且體積較大，很難滿足小型化設(shè)計(jì)要求。MEMS矢量水聽(tīng)器是基于壓阻效應(yīng)，采用仿生學(xué)原理，同時(shí)把MEMS技術(shù)和水聲原理相結(jié)合制作的一款新型矢量水聽(tīng)器具有體積小、批量制造一致性好、靈敏度高、低頻特性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)［4］。

采用MEMS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)單芯片傳感陣列一次集成，其成本低且加工制作方便，尤其適合批量化生產(chǎn)［5］。因此，應(yīng)用MEMS技術(shù)使矢量水聽(tīng)器單片集成陣列化不但可以大幅度降低水聽(tīng)器的制造成本，而且可以使得水聽(tīng)器的一致性更好，對(duì)聲吶陣列的研究與應(yīng)用有非常重要的意義。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)為2×2 MEMS矢量水聽(tīng)器敏感微結(jié)構(gòu)構(gòu)成傳感陣列，梁厚×梁寬×梁長(zhǎng)為12μm×120μm×1 200μm，如圖1所示。2×2 MEMS矢量水聽(tīng)器敏感微結(jié)構(gòu)包括外框，懸臂梁以及與懸臂梁厚度相同的質(zhì)量塊，4個(gè)質(zhì)量塊的中心位置處分別垂直設(shè)有直徑相同、長(zhǎng)相同的仿生柱體。根據(jù)仿生原理，4個(gè)仿生柱體的密度與水密度相同或相近［6］，同時(shí)每根懸臂梁的端部和根部分別通過(guò)離子注入形成阻值相等的壓敏電阻。

圖1 敏感單元微結(jié)構(gòu)陣列Fig.1 Array of sensitivemicro-structure

當(dāng)有聲音信號(hào)時(shí)，仿生柱體將接收到的聲音信號(hào)傳遞給陣列敏感微結(jié)構(gòu)，使懸臂梁發(fā)生形變，導(dǎo)致懸臂梁上壓敏電阻阻值的改變，從而引起該2×2陣列敏感微結(jié)構(gòu)上惠斯通電橋輸出的變化，最終檢測(cè)出水下聲信號(hào)。

2 仿真

2.1 靜力分析

靜力分析是在結(jié)構(gòu)上加載固定不變的載荷，分析結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力變化的結(jié)果［7］。Ansys中建立有限元模型，對(duì)陣列敏感微結(jié)構(gòu)模型的邊框及背面施加全約束，在仿生柱體上沿Y方向施加1 Pa載荷。陣列敏感微結(jié)構(gòu)懸臂梁上的應(yīng)力分布云圖如圖2(a）所示，由該圖可看出最大應(yīng)力出現(xiàn)在Y懸臂梁的兩端。通過(guò)提取路徑，獲得Y懸臂梁上表面x，y，z方向上各點(diǎn)的應(yīng)力曲線，如圖2(b）所示。由圖可知，Y懸臂梁上y方向最大應(yīng)力為4 459.9 Pa，遠(yuǎn)小于硅的屈服強(qiáng)度7 000 MPa。

圖2 應(yīng)力云圖和Y懸臂梁上x(chóng)、y、z方向應(yīng)力曲線Fig.2 Stress nephogram and Stress curves in the direction of x、y、z in the y cantilever beam

2.2 橫向靈敏度分析

對(duì)于矢量水聽(tīng)器來(lái)說(shuō)，橫向靈敏度將直接影響矢量水聽(tīng)器的凹點(diǎn)深度。因此，橫向靈敏度分析對(duì)陣列式MEMS矢量水聽(tīng)器的研制具有重要的意義。為盡量降低陣列式MEMS矢量水聽(tīng)器的橫向靈敏度，本文設(shè)計(jì)的陣列敏感微結(jié)構(gòu)采用中心對(duì)稱的形式。為檢驗(yàn)抑制的效果，對(duì)陣列敏感微結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真。

沿仿生柱體Y方向加載1 Pa載荷，通過(guò)提取路徑可以得到Y(jié)懸臂梁上的正應(yīng)力和X懸臂梁上的正應(yīng)力，如圖3所示。

圖3 Y懸臂梁上的正應(yīng)力和X懸臂梁上的正應(yīng)力Fig.3 Normal stress in the y cantilever beam and Normal stress in the x cantilever beam

可以看出，X懸臂梁上正應(yīng)力曲線遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Y方向懸臂梁上縱應(yīng)力曲線，而且根據(jù)X懸臂電阻的對(duì)稱變化，X方向的輸出為0，可以較好地抑制橫向效應(yīng)。由于X、Y懸臂梁對(duì)稱，仿生柱體在X方向的載荷作用下可得到相同的分析結(jié)果。

沿仿生柱體Z方向加載1 Pa載荷，X，Y懸臂梁的位移、應(yīng)力分布沿梁的中線基本對(duì)稱。通過(guò)Ansys路徑分析，獲得X，Y懸臂梁上表面x，y，z方向上各點(diǎn)的應(yīng)力曲線，如圖4所示。

圖4 X懸臂梁應(yīng)力曲線圖和Y懸臂梁應(yīng)力曲線圖Fig.4 Stress curves in x cantilever beam and stress curves in ycantilever beam

其中，①號(hào)線表示該路徑上x(chóng)方向應(yīng)力，②號(hào)線表示該路徑上y方向應(yīng)力，③號(hào)線表示該路徑上z方向應(yīng)力。從圖4可看出，X，Y懸臂梁上的應(yīng)力曲線以質(zhì)量塊為中心呈對(duì)稱分布，即懸臂梁上的電阻是對(duì)稱變化的，因此X，Y懸臂梁上組成的惠斯通全橋電路輸出為0，可以很好抑制Z方向的干擾。

2.3 模態(tài)分析

從模態(tài)分析的結(jié)果中可以得出結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率和振型，進(jìn)行模態(tài)分析可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振或以特定頻率進(jìn)行振動(dòng)，關(guān)系到器件可以使用的頻率范圍［8］。

陣列敏感微結(jié)構(gòu)1～4階模態(tài)的振型如圖5所示。

圖5 前4階模態(tài)振型圖Fig.5 The first4 ordermodal shapes

模態(tài)分析結(jié)果如表1所示。

表1 模態(tài)分析結(jié)果Tab.1 Results ofmodal analysis

由于陣列敏感微結(jié)構(gòu)集成的仿生柱體長(zhǎng)度一致，因此從理論上說(shuō)，陣列敏感微結(jié)構(gòu)4個(gè)單元的仿生柱體的共振頻率應(yīng)該相同、振型一致，然而仿真存在的誤差性導(dǎo)致各單元的共振頻率相差1 Hz左右，因此出現(xiàn)了圖5中四單元振型的先后順序，但不影響結(jié)果的分析。從表1可以看出，前8階頻率為四單元陣列敏感微結(jié)構(gòu)工作模態(tài)的頻率，工作模態(tài)以外的其他模態(tài)均為干擾運(yùn)動(dòng)，前8階頻率和9～10階的工作頻率差距很大，因此可以有效降低交叉耦合。

2.4 諧響應(yīng)分析

在陣列敏感微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)諧響應(yīng)分析預(yù)知敏感微結(jié)構(gòu)的固有頻率，克服因共振以及其他的受迫振動(dòng)給陣列敏感微結(jié)構(gòu)帶來(lái)的有害結(jié)果。圖6為陣列式MEMS矢量水聽(tīng)器敏感微結(jié)構(gòu)的諧響應(yīng)分析結(jié)果，橫坐標(biāo)為施加的正弦載荷的頻率，縱坐標(biāo)為懸臂梁上某一點(diǎn)的縱向應(yīng)力、位移值。由圖中仿真結(jié)果可以看出，仿生柱體的諧振頻率在1 200 Hz，對(duì)應(yīng)的最大縱向應(yīng)力為900E4 Pa，最大位移為0.95μm。

圖6 應(yīng)力隨頻率變化曲線和位移隨頻率變化曲線Fig.6 Stress curves changes with frequency change and displacement curves with frequency change

3 壓阻電橋布置及連接

采用Ansys對(duì)敏感單元各個(gè)懸臂梁上受到的應(yīng)力進(jìn)行提取路徑仿真分析，可以得到懸臂梁上應(yīng)力的具體值。壓敏電阻布置的原則是使電阻盡量放在應(yīng)力最大的區(qū)域，且該區(qū)域應(yīng)力線性分布［9］。如圖7所示，距離梁根部或端部小于80μm的區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力呈非線性變化，盡管此區(qū)域的縱向應(yīng)力最大，但不是壓敏電阻的理想布置位置，因此在設(shè)計(jì)中，壓敏電阻放置在距離梁根部或端部80μm處。

圖7 Y懸臂梁應(yīng)力分布圖及電阻布置區(qū)Fig.7 Stress pattern of y cantilever beam and the area of piezotransistors

圖8所示為四單元陣列敏感微結(jié)構(gòu)懸臂梁上電阻連接方式，它由阻值相同的32個(gè)壓敏電阻連接成2個(gè)獨(dú)立的惠斯通電橋電路。其中R1x～R4x(x=1～4）共16個(gè)電阻連接成一個(gè)X軸的惠斯通電橋，R5x～R8x(x=1～4）共16個(gè)電阻連接成一個(gè)Y軸的惠斯通電橋。4個(gè)單元懸臂梁上X，Y兩路的惠斯通電橋分別采用并聯(lián)方式，形成檢測(cè)電路。

圖8 陣列敏感微結(jié)構(gòu)電阻布置及連接示意圖Fig.8 Arrangement of piezotransistors in the array of sensitive micro-structure and the diagram of connection

從理論上分析，通過(guò)設(shè)計(jì)此惠斯通電橋的連接方式，可以保證當(dāng)陣列敏感微結(jié)構(gòu)其中某一單元失效或損壞時(shí)，陣列敏感微結(jié)構(gòu)仍有輸出，且輸出值不變，即不影響敏感微結(jié)構(gòu)的整體性能，從而提高了MEMS矢量水聽(tīng)器的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了2×2單片集成陣列水聽(tīng)器的敏感微結(jié)構(gòu)，并通過(guò)Ansys軟件完成對(duì)其的仿真分析，包括靜力分析、橫向靈敏分析、模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。在仿真分析的基礎(chǔ)上，確定壓敏電阻及壓阻惠斯通電橋的布置。單片集成陣列式水聽(tīng)器的設(shè)計(jì)對(duì)于提高M(jìn)EMS矢量水聽(tīng)器可靠性和拓寬頻響范圍的研究有非常重要的意義，希望為MEMS矢量水聽(tīng)器的工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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Design and simulation of array type MEMS vector hydrophone on a chip

XUE Nan1，2，ZHANG Guo-jun1，2，SHEN Hui1，WANGWan-jun1，2，CHEN Gui-ying1，XU Jiao1
(1.North University of China Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China;2.North University of China，Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measuremet.Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

Aiming at the urgent demand of higher reliability and wider frequency band of MEMS vector hydrophone，a kind of 2×2 array type MEMS vector hydrophone on a chip is designed，which can improve consistency of hydrophone and decrease themanufacturing cost.On the basis of theoretical analysis，this paper simulates the sensitivemicro-structure'mechanical characteristic and frequency characteristic by ANSYS.The arrangement of piezoresistive wheatstone bridge and its connection mode are confirmed.It is meaningful for the study on hydrophone and its applications.

MEMS technology;vector hydrophone;Ansys simulation

1672－7649(2014）04－0078－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.015

2013－05－28;

2013－06－27

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011AA040404）;國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61127008/F040703）

薛南(1989－）男，碩士研究生，主要從事MEMS水聲傳感器的研究與應(yīng)用。