硅基MEMS振速型矢量水聽器設(shè)計

劉云飛,周 瑜,朱曉梟,涂其捷,張學(xué)聰,馮 杰

(中國電子科技集團公司第三研究所,北京 100015)

0 引 言

矢量水聽器可以同時共點感測水下聲場的聲壓標(biāo)量和質(zhì)點振速矢量信號,相對傳統(tǒng)聲壓水聽器能獲得更全面的聲場信息。此外,矢量水聽器所具有的指向特性使水聲測量系統(tǒng)的線譜檢測能力、抗相干干擾能力以及抗各向同性噪聲的能力得到明顯提高,因而有利于水下目標(biāo)信號的檢測,是水聲技術(shù)領(lǐng)域重點發(fā)展的研究方向之一[1,2]。隨著水聽器技術(shù)不斷發(fā)展,為滿足水下安靜型目標(biāo)遠(yuǎn)距離檢測識別對水聽器低頻檢測能力不斷提高的需求,低頻化、小型化和集成化是未來矢量水聽器技術(shù)的發(fā)展方向[3]。近年來,基于微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術(shù)研制開發(fā)了電容式、壓阻式、壓電式等多種同振型矢量水聽器,雖然可以剛性固定安裝,避免了傳統(tǒng)同振型矢量水聽器使用不便的問題,但仍為感測聲場加速度信號,信號頻率越低,傳感器響應(yīng)靈敏度越低,因而無法有效探測水下遠(yuǎn)距離安靜型目標(biāo)[4～7]。

本文提出一種MEMS振速型矢量水聽器。該水聽器基于空間聲場—溫度場耦合作用機理,可以直接感測水下聲場質(zhì)點振速信號。相比同振型矢量水聽器,在低頻段具有更優(yōu)的響應(yīng)特性,且體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡潔、可靠性高,無須懸掛安裝,因此，更適合用于水下遠(yuǎn)場目標(biāo)微弱低頻信號的高靈敏度檢測。

1 工作原理分析

振速型矢量水聽器采用一種特殊設(shè)計的微間距金屬鉑絲敏感結(jié)構(gòu)實現(xiàn)聲場質(zhì)點振速感測。工作時,在兩根微間距金屬鉑絲上施加直流電壓,電流通過金屬鉑絲產(chǎn)生焦耳熱,將電能轉(zhuǎn)換為熱能。當(dāng)無聲波入射時,金屬鉑絲既作為熱源向四周空間熱擴散形成穩(wěn)定對稱的溫度場分布,又作為熱敏單元感測空間溫度。由于對稱的溫度場分布,兩根金屬鉑絲具有相同的初始溫度；當(dāng)有聲波入射時,聲場傳播引起媒質(zhì)質(zhì)點在平衡點附近振動,遂與兩根金屬鉑絲發(fā)生受迫對流—導(dǎo)熱耦合傳熱[8],從而改變兩鉑絲周圍的空間溫度場分布,導(dǎo)致處于聲波入射方向上、下游的兩根鉑絲的溫度發(fā)生非對稱變化,即處于質(zhì)點振速上游的鉑絲的部分熱量傳遞給下游的鉑絲,此時上游鉑絲的溫度減小,而下游的鉑絲溫度增大,從而使兩鉑絲產(chǎn)生一定的溫度差ΔT,如圖1所示。

圖1 空間溫度場分布受聲場擾動示意

由于敏感結(jié)構(gòu)熱擴散的時間遠(yuǎn)小于受迫對流傳熱的時間,測量過程中空間溫度場的分布可以認(rèn)為是在熱擴散穩(wěn)定的基礎(chǔ)上由聲場傳播媒質(zhì)質(zhì)點振速引起受迫對流造成的溫度擾動。根據(jù)熱力學(xué)定律,構(gòu)建兩根金屬鉑絲傳熱過程的熱力學(xué)方程(略去推導(dǎo)過程),可獲得聲場質(zhì)點振速引起的兩根鉑絲的溫度差為

(1)

基于上述微間距鉑絲對聲場質(zhì)點振速感應(yīng)的熱力學(xué)傳遞方程推導(dǎo),振速型矢量水聽器的響應(yīng)特性與聲場傳播媒質(zhì)的材料特性、金屬鉑絲本身的材料特性,以及微間距鉑絲敏感單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均密切相關(guān)。選取具有合適材料特性的聲場傳播媒質(zhì),結(jié)合金屬鉑的材料特性,通過優(yōu)化設(shè)計敏感單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參量,可設(shè)計符合水下聲場質(zhì)點振速響應(yīng)需求的矢量水聽器。

2 仿真設(shè)計

微間距鉑絲的穩(wěn)定空間溫度場擴散分布和聲場質(zhì)點振速引起的受迫對流擾動,將通過聲、溫多物理場耦合仿真技術(shù)進行有限元仿真分析,具體的設(shè)計參數(shù)如表1～表3。

表1 金屬鉑材料特性

表2 聲傳播介質(zhì)特性

表3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

如圖2所示為微間距金屬鉑絲上施加5 V直流電壓后,由于焦耳熱效應(yīng)形成的空間溫度場分布,以及在聲波入射后兩根鉑絲發(fā)生溫度交換而形成溫度差ΔT,該仿真曲線與圖1數(shù)值計算曲線相吻合。此外,對微間距鉑絲敏感結(jié)構(gòu)在10～1 000 Hz入射聲波頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)特性進行了仿真,如圖3所示(其中縱軸靈敏度做了歸一化處理)。從圖3中可以看到,與傳統(tǒng)同振型矢量水聽器不同,振速型矢量水聽器的響應(yīng)靈敏度并不隨頻率降低而衰減。

圖2 兩根鉑絲溫度差ΔT隨入射聲波聲壓變化

圖3 微間距鉑絲敏感結(jié)構(gòu)幅頻響應(yīng)特性仿真曲線

3 傳感器制作與測試

MEMS振速型矢量水聽器敏感芯片制備工藝流程主要包括：1)在硅襯底上利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)工藝沉積絕緣支撐層薄膜；2)光刻定義傳感器敏感元件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；3)電子束蒸發(fā)及剝離(lift-off)形成金屬鉑絲敏感結(jié)構(gòu)；4)硅襯底各向異性濕法腐蝕形成流體通路溝槽。圖4所示為基于該工藝流程制備的MEMS矢量水聽器敏感芯片6 in晶元及Die實物圖。

圖4 矢量水聽器敏感芯片6英寸晶元和Die實物

如圖5所示為裝配好的MEMS振速型矢量水聽器設(shè)計及實物圖。透聲外殼采用與海水特性聲阻抗匹配性較好的聚氨酯材料制作,內(nèi)部填充蓖麻油作為敏感芯片的工作介質(zhì),其沸點較高(313 ℃),且與海水的聲阻抗值非常接近,可有效減小聲波通過不同介質(zhì)時的傳輸損耗,并保證傳感器在水下環(huán)境中的正常工作。

圖5 MEMS振速型矢量水聽器設(shè)計及實物

采用駐波桶振動液柱法對水聽器進行校準(zhǔn)測試,結(jié)果如圖6所示。在駐波桶內(nèi),根據(jù)駐波聲場聲壓、振速分布理論,矢量水聽器振速通道等效聲壓靈敏度MU可表示為[9,10]

圖6 MEMS振速型矢量水聽器等效聲壓靈敏度頻率特性曲線

MU=20log(EU/EP)+20log(sin(kd0)/cos(kd))+MPref

(2)

式中EU為待測矢量水聽器振速通道輸出電壓信號,EP為參考標(biāo)準(zhǔn)水聽器輸出電壓信號,d為待測矢量水聽器距離液面深度,d0為參考標(biāo)準(zhǔn)水聽器距離液面深度,k為波數(shù),MPref為參考聲壓水聽器靈敏度dB值,MU為待測矢量水聽器振速通道等效聲壓靈敏度dB值。

由圖6可知,MEMS振速型矢量水聽器在低頻段具有較為平坦的響應(yīng)特性,20 Hz處的等效聲壓靈敏度為-207 dB(ref.1V/μPa)。測試表明,振速型矢量水聽器的響應(yīng)靈敏度并未隨著入射聲波頻率的降低而有所衰減,這種響應(yīng)特性是傳統(tǒng)同振型矢量水聽器所無法比擬的。

4 結(jié)束語

本文提出一種MEMS振速型矢量水聽器。經(jīng)過振動液柱法測試,驗證了該矢量水聽器可以直接測量水下聲場質(zhì)點振速信號,20 Hz處等效聲壓靈敏度達(dá)到-207 dB,且低頻段具有較為平坦的頻率響應(yīng)特性。與同振型矢量水聽器相比,這種MEMS振速型矢量水聽器具有更優(yōu)的低頻響應(yīng)特性。