基于SOI壓阻式噪聲傳感器的聲學動態(tài)特性分析與設計

史 鑫， 王 偉， 李金平

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

飛行器飛行過程相關的發(fā)動機噪聲、氣動噪聲造成的噪聲環(huán)境，形成的聲壓可達160 dB以上，可以使蒙皮壁板產生很大的局部振動[1]，易導致某些儀器設備性能衰退或發(fā)生故障，嚴重時會造成結構疲勞。因此，外噪聲測量一直是系統(tǒng)設計的重點之一，通過噪聲傳感器測量發(fā)射及飛行過程中外噪聲信號，可為分析研究噪聲環(huán)境及影響提供數據，在此基礎上，進行進一步的分析研究工作，使結構設計可以針對結構疲勞原理實現合理避讓，保證系統(tǒng)安全。由于測量外噪聲信號時噪聲傳感器一般安裝于被測艙體外表面，使用環(huán)境較為惡劣，有時工作溫度較高(瞬時可達200 ℃以上)，此外，為了保證測試精度，不使被測聲場產生畸變，要求噪聲傳感器外形尺寸盡量小[2]。目前，一般可查的噪聲傳感器的工作溫度最高為150 ℃，無法滿足外噪聲測量的需要。采用絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)技術制作的壓阻檢測原理噪聲傳感器，使其在高溫等惡劣環(huán)境下仍具備優(yōu)良的性能[3，4]，且具有體積小、功耗低等特點。SOI高聲壓噪聲傳感器技術采用硅壓阻式原理[5]，當聲信號作用在感聲膜時，由于薄膜發(fā)生形變，引起感聲膜中電阻值發(fā)生變化，通過檢測電路將信號輸出以達到檢測噪聲信號的目的。

本文針對SOI壓阻式噪聲傳感器的動態(tài)測量問題，對SOI感聲膜芯片及聲敏感結構進行了分析與設計，實現了噪聲信號的動態(tài)檢測。

1 感聲膜結構設計與分析

對于噪聲傳感器，頻率特性是設計的重點[6]。SOI噪聲傳感器的頻率特性設計需要考慮2個方面，即感聲膜結構和聲學結構。感聲膜結構，頻率特性主要取決于其固有頻率，因此,在感聲膜結構設計上除考慮外形尺寸，還應同時兼顧動、靜態(tài)參數。通過ANSYS軟件對高聲壓感聲膜結構進行靜態(tài)、動態(tài)分析及參數優(yōu)化技術研究，確定芯片的合理結構和關鍵尺寸。

遵循應力集中的原則，采用梁膜結構，即利用硅膜的剛度系數與其膜厚的立方成正比的原理，只要梁區(qū)較膜區(qū)厚，便會產生足夠的應力集中效應，同時，梁膜結構還可以利用梁的寬度變化進一步得到應力集中效應[7]，結構示意如圖1。其結構特點為力敏電阻應變計制作在應力集中的厚梁區(qū)，膜區(qū)的厚度不受力敏電阻應變計的限制，結構上具有良好的頻響特性，且對噪聲動態(tài)范圍設計可控。通過ANSYS軟件對高聲壓感聲膜結構進行靜態(tài)、動態(tài)分析及參數優(yōu)化，對感聲膜結構的應力分布進行模擬分析，確定了各部分的幾何尺寸和壓敏電阻器的排布方式。

圖1 感聲膜結構示意

圖2 感聲膜結構前三階振型

圖3 感聲膜結構靜態(tài)分布

2 聲敏感結構分析與設計

當感聲膜結構與聲腔結構構成聲敏感結構時，需要考慮各部分聲學結構件的聲學特性，利用聲學特性分析基礎進行聲學結構設計，以保證噪聲傳感器的頻響特性，聲敏感結構如圖4。預設傳感器的諧振頻率為40 kHz。

圖4 聲敏感結構示意

根據聲學特性進行電—力—聲類比[8]，p為聲波產生的作用在感聲膜上的聲壓，Mm為感聲膜的質量，Cm為感聲膜的力順(Cm=1/Km，Km為感聲膜的剛度系數)，Rm為其力阻，V1為感聲膜背面的腔體體積，其在線路中表現為聲順Ca，Ma和Ra為腔體后面小孔的聲學質量和聲阻，類比線路如圖5，聲壓p可以類比為電路中的電壓E，力學質量和聲學質量類比為電感量L，力阻和聲阻類比為電阻值R，力順和聲順類比為電容值C，聲場中流體的體積速度U類比電路中的電流I，根據電路可知

I=E/Z

(1)

其中

(2)

可見由于電感和電容的存在，導致類比電流在不同頻率上響應不一致，因此,聲腔的頻率特性與1/|Z|有關。對于噪聲傳感器，要求其頻響曲線變化平坦，需對感聲結構的力學和聲學元件參數進行優(yōu)化設計，以減小頻率對聲阻抗的影響。

圖5 聲腔類比線路

(3)

其中

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

力阻參數(阻尼系數)利用二階系統(tǒng)的阻尼特性確定，當感聲膜在聲信號作用下運動時，空氣膜在感聲膜與聲腔結構之間作擠壓流動產生阻尼，阻尼系數為

(10)

式中A為感聲膜的寬度，m；L為感聲膜的長度，m；K(A/L)為感聲膜寬長比的函數，當A=L，K(A/L)=0.421 7；h為聲腔的高度，m；μ為空氣粘滯系數,Pa·s。

若聲腔結構具有n個聲孔，當感聲膜上下振動時，空氣膜通過n個聲孔流入、流出聲腔結構，阻尼系數為

(11)

根據二階系統(tǒng)，調整阻尼，可使阻尼比ξ=0.7，可使系統(tǒng)的工作帶寬、響應時間、穩(wěn)定性等達到最佳狀態(tài)，阻尼比為

(12)

當膜的結構確定后，系統(tǒng)的臨界阻尼系數確定，通過調整聲腔高度，聲孔的個數調整阻尼系數，使阻尼比ξ=0.7。結合聲學特性，通過調整聲腔、聲孔的尺寸，改變聲容、聲阻特性，進一步調整聲腔的頻率特性。經過上述分析，確定聲腔的結構，如圖6，聲孔個數25，聲孔直徑0.15 mm，聲孔長度0.46 mm，聲腔的高度0.04 mm。頻率特性如圖7。圖7中的諧振頻率為62.83 kHz，滿足諧振頻率的要求。利用二階系統(tǒng)動態(tài)特性及聲學特性對聲腔結構動態(tài)特性進行分析及設計，通過改變聲腔的結構參數可以調整聲腔的頻率特性。采用激光打孔加工聲敏感結構。

圖6 聲腔結構示意

圖7 聲腔的頻率特性

3 動態(tài)測試

對感聲膜芯片與聲敏感結構玻璃基座進行靜電鍵合，用硅膠將封裝后的芯片粘接于測試管殼，如圖8。

圖8 封裝后測試的噪聲傳感器芯片

利用激波管測量敏感結構的諧振頻率。將被測階段樣品密封安裝在激波管前端，激波管產生一階躍壓力，用數據采集器記錄芯片輸出波形，經過傅立葉變換，其諧振頻率為102 kHz左右。將被測樣品密封安裝在聲校準器中，由聲校準器產生標準聲壓級的聲信號作用在傳感器上，測得頻響曲線如圖9。在30～8 000 Hz頻率范圍內,帶內不平度為±1 dB，經過測試，結果表明:制作的敏感結構能夠滿足高聲壓級的噪聲檢測要求。

圖9 頻響曲線

4 結 論

動態(tài)測試結果表明：制作的SOI噪聲傳感器能夠滿足高聲壓級的噪聲檢測要求。在對聲場模型分析基礎上建立噪聲檢測模型，確定通過檢測感聲膜的受力情況實現對噪聲信號的測量。利用聲學特性分析基礎進行聲學結構設計，感聲膜與聲腔匹配結構封裝成聲敏感結構，使噪聲傳感器具有良好的動態(tài)檢測特性。

參考文獻:

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