基于硅基微電子機械系統(tǒng)仿生振膜的光纖麥克風*

劉欣 蔡宸 董志飛 鄧欣 胡昕宇 祁志美3)?

1)(中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,傳感技術(shù)國家重點實驗室,北京 100190)

2)(中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院,北京 100049)

3)(中國科學(xué)院大學(xué)光電學(xué)院,北京 100049)

仿蠅耳聲傳感器是一種對聲壓梯度敏感的指向性微型麥克風.本文設(shè)計制備了橋連耦合雙翼形硅基微電子機械系統(tǒng)仿蠅耳振膜,利用該振膜制作了光纖Fabry?Pérot 干涉式麥克風,并對這種麥克風的特性進行了理論與實驗研究.仿真結(jié)果指出:這種仿生振膜具有搖擺和彎曲兩種振動模態(tài),單位聲壓下?lián)u擺模態(tài)的振幅依賴于入射聲波的頻率與傳播方向,頻率越接近搖擺模態(tài)本征值,振幅越大;搖擺模態(tài)振幅隨傳播方向在三維空間的變化呈紡錘形分布,紡錘的長軸平行于振膜的長軸,意味著傳播方向平行于振膜長軸時麥克風靈敏度最高.實驗測得的光纖仿生麥克風的搖擺模態(tài)本征頻率略小于仿真值,其輸出信號振幅隨聲源水平方位角的變化呈“8”字形分布,在0°—± 60°方位角范圍二者呈線性關(guān)系,由此得出麥克風的方向靈敏度為39.98 mV/(°).

1 引言

聲探測與聲定位技術(shù)廣泛應(yīng)用于低慢小飛行器的探測與追蹤、交通噪聲監(jiān)測、油氣管道泄漏檢測、智能機器人聽覺[1?4]等領(lǐng)域,在工業(yè)、交通、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用.現(xiàn)有聲定位設(shè)備通常基于多個性能高度一致的全向麥克風組成的麥克風陣列,利用聲信號到達各麥克風的時延差和幅值差與各麥克風之間的幾何關(guān)系求解聲源位置.由于目標聲源波長限制,麥克風陣列中相鄰陣元需保持較大間距,才能產(chǎn)生可探測的時延差或幅值差,從而導(dǎo)致常規(guī)麥克風陣列的整體尺寸較大,不便于攜帶和布設(shè)、隱蔽性差,應(yīng)用范圍受限.此外,這種尺寸制約也使得麥克風陣列的微型化非常困難.為了滿足室內(nèi)機器人聽覺導(dǎo)航、可穿戴聲定位傳感器、迷你飛行器探測等新型應(yīng)用場景對小型化便攜式聲定位設(shè)備的需求,開展微型化聲定位技術(shù)與器件的研究具有重要應(yīng)用價值[5,6].

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)自然界有一種名為奧米亞棕蠅的寄生蠅,其雙耳間距僅450—520 μm,卻能對宿主發(fā)出的波長約7 cm 的聲信號進行精準定位.Miles等[7]研究發(fā)現(xiàn),奧米亞棕蠅的雙耳鼓膜通過角質(zhì)層連接形成一種耦合結(jié)構(gòu),這種機械耦合結(jié)構(gòu)可以放大聲源到達兩耳的時延差和幅值差,從而使其獲得卓越的定位能力.這種耦合機制為微型化定位麥克風和定位麥克風陣列提供了新思路.通過仿制蠅耳結(jié)構(gòu)的微型定位麥克風已得到廣泛研究.目前已報道的基于梳齒電容式[8?11]、壓電式[12?16]、衍射光柵式[17?19]以及光纖式[20]的仿生定位麥克風具有體積小、集成度高、成本低廉的優(yōu)勢.基于電學(xué)傳感的仿生定位麥克風抗電磁干擾能力弱,難以應(yīng)用于復(fù)雜的環(huán)境中,而基于光學(xué)傳感的仿生定位麥克風則能夠突破這種限制.但是無論是基于電學(xué)傳感或是光學(xué)傳感的仿生定位麥克風,其搖擺模態(tài)本征頻率均在2 kHz 以上,無法完成對低頻聲源的探測,例如Touse 等[10]研制的梳齒電容式、Bauer等[14]研制的壓電式和Liu 等[20]研制的光纖式仿生麥克風.因此,工作頻率低于2 kHz 以下的光學(xué)傳感微型仿生麥克風在低頻聲源探測定位應(yīng)用中具有重要意義.

本文基于奧米亞棕蠅聽覺系統(tǒng)的機械耦合結(jié)構(gòu)與機理,開展了硅基微電子機械系統(tǒng)(micro elec?tro mechanical system,MEMS)仿生振膜的設(shè)計與仿真分析,結(jié)合光纖Fabry?Pérot 干涉(FPI)傳感技術(shù),制備了聲光換能硅基MEMS 仿生麥克風.這種麥克風具有較高的靈敏度、強的抗電磁干擾能力,同時工作頻率較低,從而更適合惡劣電磁環(huán)境中的低頻聲定位應(yīng)用.

2 基于硅基MEMS 仿生振膜光纖麥克風的設(shè)計與制備

2.1 仿生原理

如圖1(a)所示,奧米亞棕蠅聽覺器官的解剖結(jié)構(gòu)表明,其兩耳鼓膜并非彼此獨立,而由帶狀的角質(zhì)層相互連接,該帶狀角質(zhì)層中間有個支點(圖中③),兩端與左右鼓膜相連(圖中①和②),起到機械耦合作用[7].Miles 等[7]基于奧米亞棕蠅雙耳解剖結(jié)構(gòu)建立了如圖1(b)所示的力學(xué)模型,其中k1,k2為兩鼓膜的等效剛度,c1,c2為兩鼓膜的等效阻尼,k3,c3為膜間橋的等效剛度和等效阻尼.由于膜間橋的機械耦合作用,整個振動系統(tǒng)具有兩個振動模態(tài):一個是本征頻率較低的搖擺模態(tài);另一個是本征頻率較高的彎曲模態(tài).搖擺模態(tài)下兩鼓膜反相運動,彎曲模態(tài)下兩鼓膜同相運動.明顯地,當系統(tǒng)處于搖擺模態(tài)時,兩耳之間的相位差得到了放大.如果兩鼓膜彼此獨立工作,由于相距500 μm,它們之間的相位差將小到可以忽略,不可能產(chǎn)生反相的結(jié)果.

圖1 奧米亞棕蠅聽覺系統(tǒng)的 (a)解剖圖和(b)力學(xué)模型[7]Fig.1.(a) Anatomy and (b) mechanical model of the ear of the Ormia ochracea[7].

2.2 硅基MEMS 仿生振膜的設(shè)計

基于奧米亞棕蠅聽覺器官的等效力學(xué)模型,為了兼顧MEMS 制備工藝,本文設(shè)計了共面型橋連耦合雙振膜的硅基仿生拾音結(jié)構(gòu),兩振膜為尺寸相同的正方形,面積為單振膜一半的方形膜片作為耦合橋?qū)烧衲す裁孢B接.耦合橋的兩側(cè)中間各有一個尺寸相同的扭轉(zhuǎn)梁,將整個仿生拾音結(jié)構(gòu)共面固定在硅基座上.除了用于支撐仿生拾音結(jié)構(gòu),扭轉(zhuǎn)梁還提供振動過程中的回復(fù)扭轉(zhuǎn)力矩.

當仿生振膜受外界聲源激勵時,外界聲源頻率接近仿生振膜搖擺模態(tài)本征頻率時,仿生振膜雙翼將異相振動,其雙翼間的幅值差較大,定向線索之一的幅度差很容易被檢測.所以確定仿生振膜的工作頻率為搖擺模態(tài)本征頻率.無人機的發(fā)聲頻率通常在170—1000 Hz[5,6];直升機發(fā)聲的中心頻率為500 Hz[21].為了使得仿生振膜能夠探測定位無人機和直升機等飛行目標,仿生振膜的搖擺模態(tài)的本征頻率被設(shè)定為小于1000 Hz.

2.3 硅基MEMS 仿生振膜的仿真

仿生振膜的諧振頻率由各結(jié)構(gòu)的尺寸決定.為了確定仿生振膜各結(jié)構(gòu)的參數(shù),本文利用有限元仿真計算了不同尺寸的仿生振膜的本征頻率.當仿生振膜(見圖2(a))翼片尺寸為2 mm×2 mm,耦合橋尺寸為1 mm×1 mm,扭轉(zhuǎn)梁尺寸為0.1 mm×0.2 mm,振膜厚度為10 μm,振膜與SOI 支架之間的空氣間隙為100 μm 時,仿生振膜搖擺模態(tài)本征頻率為843 Hz;彎曲模態(tài)本征頻率為1648 Hz,仿真得到的振膜搖擺模態(tài)和彎曲模態(tài)如圖2(b)所示.

圖2 (a)硅基MEMS 仿生振膜結(jié)構(gòu)示意圖;(b)搖擺模態(tài)和彎曲模態(tài)仿真結(jié)果Fig.2.Silicon MEMS bionic diaphragm:(a) Schematic dia?gram;(b) simulation results of the rocking and bending modes.

利用上述仿生振膜的設(shè)計參數(shù)構(gòu)建了如圖3(a)所示的仿真模型,仿生振膜的中心點為x,y,z坐標軸的原點,z軸為振膜法線,x軸為振膜長軸,y軸為振膜短軸.仿生振膜背腔密閉,以模擬仿生光纖FPI 麥克風的實際情況,模型中仿生振膜雙翼遠端邊緣與x軸的兩交點作為振動監(jiān)測點.

將模型置于有阻尼的空氣球殼內(nèi),再在阻尼球殼外設(shè)置一個球形殼用于設(shè)置入射聲源.由于仿生振膜的尺度遠遠小于實際測試中聲源與振膜的距離,滿足遠場條件.在遠場條件下聲波可以近似為平面波,于是仿真模型中的聲場等效于遠距離聲場,將聲源類型設(shè)置為平面波[22].聲壓大小設(shè)置為1 Pa,使聲波沿y軸負方向入射,計算模型上兩監(jiān)測點在0.2—2 kHz 頻率范圍內(nèi)（步長20 Hz）的振幅.仿真結(jié)果指出兩監(jiān)測點的振幅變化基本一致,圖3(b)給出了其中1 個監(jiān)測點的結(jié)果.可以看出,當聲源頻率為820 Hz 和1590 Hz 時,監(jiān)測點的振幅達到兩個峰值,這兩個頻率分別對應(yīng)仿生光纖FPI 麥克風上MEMS 仿生振膜的搖擺模態(tài)和彎曲模態(tài)的本征頻率.由于頻率響應(yīng)仿真考慮了空氣阻尼,仿生光纖FPI 麥克風頻率響應(yīng)數(shù)值上與MEMS仿生振膜本征頻率仿真數(shù)值存在一定差異.

根據(jù)仿真得到的仿生光纖FPI 麥克風的搖擺模態(tài)本征頻率,模擬該頻率下仿生光纖FPI麥克風的響應(yīng)隨聲源入射角的變化規(guī)律.如圖3(a)所示,平面聲波以方位角θ、俯仰角φ入射到MEMS 仿生振膜上.入射聲波可以表示為[23]

圖3 (a) 密閉背腔室硅基MEMS 仿生振膜光纖麥克風的仿真模型;(b) 仿生光纖麥克風頻率響應(yīng)曲線(振幅是指圖(a)所示振膜最遠端的位移振幅)Fig.3.(a) Simulation model of the silicon MEMS bionic diaphragm based fiber?optic microphone with a closed back cavity;(b) sim?ulation results of frequency response of the bionic fiber?optic microphone.Amplitude refers to the displacement amplitude at the farthest end of the diaphragm as shown in panel (a).

其中pa為聲壓的幅值,j 為虛數(shù)單位,ω為聲音的角頻率,t為時間,c為空氣中的聲速,(x,y,z)為模型上任意一點的坐標.φ=90°時改變方位角θ,MEMS仿生振膜上兩監(jiān)測點的振幅值均為

其中,ω=2πc/λ,λ為聲波的波長.θ=90°時改變俯仰角φ,此時,MEMS 仿生振膜上兩監(jiān)測點的振幅值均為

可以看出,搖擺模態(tài)本征頻率下,振幅值與角度的正弦的絕對值成正比,不同角度下的振幅值在極坐標中應(yīng)呈現(xiàn)“8”字形.

在二維平面方向響應(yīng)仿真中,設(shè)定聲源類型為平面波,聲壓幅值設(shè)為1 Pa,聲源頻率設(shè)為820 Hz.設(shè)置聲源為φ=90°或θ=90°,令聲源分別在x-y平面或x-z平面內(nèi)旋轉(zhuǎn),計算當聲源旋轉(zhuǎn)時振膜上兩監(jiān)測點的振幅值,并將振幅值在極坐標中表示.如圖4(a)所示,MEMS 仿生振膜上兩監(jiān)測點的振幅隨聲源在x-y平面內(nèi)的方位角θ的變化而變化,該振幅變化在極坐標系中呈“8”字形,即振幅在θ=90°和270°時達到最大,在θ=0°和 180°時變?yōu)樽钚?圖4(b)為MEMS 仿生振膜上兩監(jiān)測點的振幅隨聲源在x-z平面內(nèi)的入射角φ的極坐標響應(yīng)曲線,該響應(yīng)曲線也呈“8”字形,在φ=0°和180°時振幅為最小值,最大振幅出現(xiàn)在了φ=90°和270°.由于振膜上兩監(jiān)測點距離聲源距離的差異微小,兩監(jiān)測點的振幅值不完全重合.上述仿真結(jié)果表明本文設(shè)計的仿生振膜結(jié)構(gòu)對聲源方向變化具有明顯響應(yīng).

圖4 在搖擺模態(tài)諧振頻率下,仿生光纖麥克風的兩監(jiān)測點在二維空間的“8”字形方向響應(yīng)仿真結(jié)果 (a)聲源方位角在x-y 平面內(nèi);(b)聲源入射角在x-z 平面內(nèi)Fig.4.Simulation results of the“8”shaped directional re?sponse in two?dimensional space for the monitoring points of bionic fiber?optic microphone at rocking?mode resonant frequency:(a) The sound source azimuth angle in the x-y plane;(b) the sound source incidence angle in the x-z planes.

受到仿生光纖FPI 麥克風二維方向響應(yīng)的仿真結(jié)果啟發(fā),我們認為仿生光纖FPI 麥克風在三維空間中對聲源方向的變化也應(yīng)有明顯響應(yīng).通過改變?nèi)肷浣嵌圈群挺盏姆秶?令聲源圍繞MEMS仿生振膜全空間旋轉(zhuǎn),計算聲源入射角改變時MEMS 仿生振膜的振幅值.計算得到振幅值隨入射角度θ和φ的變化.為了能夠做出仿生光纖FPI麥克風三維方向響應(yīng)圖,首先將聲源入射角表示在直角坐標中

設(shè)響應(yīng)振幅為A,將振幅A代入(4)式中得到

對X,Y,Z作圖,即可得到仿生光纖FPI 麥克風三維方向響應(yīng)圖.如圖5 所示,在三維空間中MEMS 仿生振膜上兩監(jiān)測點之一的振幅隨聲源入射角的改變呈現(xiàn)紡錘形的變化.只要聲源不平行于y-z平面旋轉(zhuǎn),振膜即可對聲源做出與角度相關(guān)的“8”字響應(yīng).

圖5 在搖擺模態(tài)諧振頻率下,仿生光纖麥克風在三維空間紡錘形方向響應(yīng)的仿真結(jié)果Fig.5.Simulation results of the spindle?shaped directional response in 3?dimensional space for the bionic fiber?optic microphone at rocking?mode resonance frequency.

進一步仿真了x-y平面仿生光纖FPI 麥克風在其他頻率下的方向響應(yīng).如圖6(a)所示,MEMS仿生振膜在接近搖擺模態(tài)本征頻率附近同樣產(chǎn)生“8”字形響應(yīng).定義某一頻率的方向靈敏度為:該頻率下振幅值的變化與聲源入射角變化之比的絕對值,方向靈敏度可以代表仿生光纖FPI 麥克風在該頻率的定位能力.從圖6(a)可看出,在0°—60°內(nèi)振幅隨方位角線性變化,其斜率代表麥克風的方向靈敏度,具體結(jié)果如圖6(b)所示.當聲源方位角θ=0°—60°時,MEMS 仿生振膜上監(jiān)測點的方向靈敏度在聲源頻率為搖擺模態(tài)本征頻率時達到最大,在搖擺模態(tài)本征頻率附近約±120 Hz 也具有較高的方向靈敏度.當聲源頻率接近搖擺模態(tài)本征頻率時,仿生光纖FPI 麥克風的定位性能最佳,同時仿生光纖FPI 麥克風也具有較寬頻帶的聲源定位潛能.

圖6 (a) 仿生光纖麥克風對不同頻率平面聲波的響應(yīng)振幅隨聲源方位角的變化曲線;(b) 仿生光纖麥克風方向靈敏度隨聲波頻率的變化曲線Fig.6.(a) Simulation results of angular dependence of the response amplitude of the bionic fiber?optic microphone to acoustic plane waves of different frequencies;(b) frequency dependence of the directional sensitivity of the bionic fiber?optic microphone.

通過以上對MEMS 仿生振膜的仿真分析,可以確定本文設(shè)計的仿生光纖FPI 麥克風的搖擺模態(tài)本征頻率在2 kHz 以下;在搖擺模態(tài)本征頻率下,仿生光纖FPI 麥克風的響應(yīng)在全空間下隨聲源入射角呈現(xiàn)紡錘形分布,且MEMS 仿生振膜的方向靈敏度極高.仿生光纖FPI 麥克風適用于檢測低頻聲源,在搖擺模態(tài)具有的全空間的聲源定位能力,同時具有寬頻工作的潛能.

2.4 硅基MEMS 仿生振膜的制備

本文通過MEMS 工藝,在SOI 晶圓上制備了硅基MEMS 仿生振膜.MEMS 工藝流程如圖7 所示.SOI 晶圓的器件層的厚度為10 μm、埋氧層的厚度為1 μm、基底層的厚度為360 μm(圖7(a)).首先對SOI 晶圓的器件層進行光刻得到含有雙翼圖形結(jié)構(gòu)的光刻膠掩膜,再采用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)對器件層進行刻蝕,在器件層上形成雙翼圖形結(jié)構(gòu)(圖7(b)).然后對基底層進行光刻得到背面深腔的光刻膠掩膜(圖7(c)).由于MEMS 仿生振膜具有大面積的鏤空結(jié)構(gòu),如果直接進行背面深腔刻蝕,SOI 晶圓將大幅碎裂.本文在進行背面深刻蝕前,在器件層的表面涂覆一層較為黏稠的光刻膠作為保護層(圖7(d)),再利用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)對基底層進行刻蝕,形成MEMS 仿生振膜的背面深腔.然后使用高密度等離子刻蝕系統(tǒng),將埋氧層完全去除(圖7(e)).最后在圓片背面濺射20 nm的金屬鉻提高反射率,從而提升麥克風的性能(圖7(f)).制得的硅基MEMS 仿生振膜如圖7(g)所示.

圖7 硅基MEMS 仿生振膜的制作工藝流程Fig.7.Fabrication process of silicon MEMS bionic dia?phragm.

2.5 FPI 光纖麥克風的制備

在完成硅基MEMS 仿生振膜制備后,通過精密機加工制作了金屬支座以集成MEMS 仿生振膜與單模光纖.該支座包含一個凹槽和兩個通孔,分別對MEMS 仿生振膜和含有單模光纖的毛細玻璃管進行固定與限位.將MEMS 仿生振膜固定到金屬支座的凹槽中,振膜與凹槽之間形成空氣腔室.再將兩根含有單模光纖的毛細玻璃管分別穿入金屬支座的兩個通孔,移動單模光纖接近MEMS 仿生振膜下表面使得兩者形成FPI 腔,如圖8(a)所示.在移動單模光纖時,通過圖8(c)所示的FPI 光譜圖測量系統(tǒng)監(jiān)測FPI腔長變化.FPI 光譜圖測量系統(tǒng)由放大自發(fā)輻射光源(纖聯(lián)科技?SLED?OS8145)、高分辨率光譜儀(Yokogawa?AQ6370B)以及精密微位移平臺組成.將單模光纖置于精密微位移平臺上,使用環(huán)形器依次連接光源、單模光纖和高分辨率光譜儀,控制精密微位移平臺移動單模光纖,使單模光纖端面與振膜下表面的相對位置發(fā)生變化,通過高分辨率光譜儀顯示的FPI 干涉光譜計算FPI 腔的穩(wěn)態(tài)腔長.MEMS 仿生振膜雙翼與兩根單模光纖分別對應(yīng)FPI 雙通道,當雙通道穩(wěn)態(tài)腔長一致時,使用UV 膠固定毛細玻璃管與金屬支座,制成的仿生光纖FPI 麥克風實物如圖8(b)所示.仿生光纖FPI 麥克風雙通道的穩(wěn)態(tài)腔長一致時,只需匹配合適波長的光源即可使得麥克風工作在正交工作點,達到麥克風的最佳性能.

圖8 (a) 仿生光纖麥克風結(jié)構(gòu)示意圖(I,光束的光強);(b) 仿生光纖麥克風實物照片;(c) 用于在麥克風組裝過程中精確調(diào)控光纖FPI 腔長的平臺Fig.8.(a) Schematic diagram of the structure of bionic fiber?optic microphone (I,intensity of the beam);(b) photograph of the bionic fiber?optic microphone;(c) experimental setup used for precisely adjusting the FPI cavity length in the process of assembling the bionic fiber?optic microphone.

3 實驗系統(tǒng)及測量結(jié)果

3.1 FPI 光纖麥克風雙通道干涉光譜的測量

MEMS 仿生振膜的雙翼結(jié)構(gòu)使得單個麥克風探頭具有兩個光纖FPI 檢測通道.使用圖8(c)所示的實驗裝置測量了麥克風探頭兩個通道的FPI光譜干涉條紋,結(jié)果如圖9 所示.根據(jù)干涉光譜圖計算得到兩個通道的穩(wěn)態(tài)腔長L分別為180.202 μm和174.971 μm.兩通道的穩(wěn)態(tài)腔長不相等,意味著它們的正交工作點對應(yīng)的波長不同.當選擇λ=1550 nm 的激光器作為麥克風光源時,雙通道FPI的工作點都會偏離正交工作點.

圖9 實驗測得仿生光纖麥克風雙通道干涉光譜圖Fig.9.Spectral interference patterns measured from the two fiber?optic FPI channels of the bionic microphone.

3.2 FPI 光纖麥克風的頻率響應(yīng)

為了測試仿生光纖FPI 麥克風的頻率響應(yīng),本文建立了如圖10 所示的近場聲學(xué)測試系統(tǒng).該系統(tǒng)包括兼具測試信號輸出與麥克風信號采集功能的多通道采集分析儀(B&K,3160?A?042),內(nèi)置揚聲器的聲強校準耦合腔(Gras,51AB),標準壓力場麥克風(B&K,4193)和聲強校準軟件(B&K Pulse Labshop).選擇固定波長λ=1550 nm 的分布式反饋激光器作為麥克風的工作光源,該波長在單模光纖中擁有較低的傳輸損耗.在麥克風工作前,用光纖分光器將光源分為兩束,再使兩束光分別耦合進入兩個環(huán)形器中,然后依次連接麥克風雙通道和兩個光電探測器,形成FPI 檢測回路.接著將仿生光纖FPI 麥克風與標準壓力場麥克風置于聲強校準耦合腔室中(聲源恰為垂直MEMS 仿生振膜平面入射),標準壓力場麥克風與仿生光纖FPI 麥克風處于同一聲場.測試時,利用聲強校準軟件設(shè)定聲源頻率掃描范圍為100—3000 Hz,掃描頻率的分辨率Δf=1 Hz,驅(qū)動揚聲器從低頻到高頻掃描發(fā)聲.使用聲學(xué)分析模塊采集標準壓力場麥克風與仿生光纖FPI 麥克風產(chǎn)生的信號,利用聲強校準軟件進行分析.

圖10 用于表征仿生光纖麥克風的聲學(xué)測試系統(tǒng)示意圖Fig.10.Schematic of the acoustic test system for characterizing bionic fiber?optic microphones.

測試結(jié)果如圖11 所示,仿生光纖FPI 麥克風每一通道的頻響曲線具有兩個極值點,分別對應(yīng)于搖擺模態(tài)和彎曲模態(tài),兩通道的頻率響應(yīng)特性基本相同,它們的搖擺模態(tài)本征頻率分別為688 Hz 和693 Hz,彎曲模態(tài)本征頻率分別為1700 Hz 和1701 Hz;在搖擺和彎曲模態(tài)本征頻率之間的任一頻率處,每一通道的振幅來自于兩模態(tài)在該頻率處振幅的疊加.雙通道的搖擺模態(tài)與彎曲模態(tài)的本征頻率的測試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果有一定差距,原因之一是實際制作的仿生MEMS 振膜的幾何參數(shù)與其設(shè)計參數(shù)存在差異.

圖11 實驗測得的仿生光纖麥克風的雙通道頻響曲線Fig.11.Measured frequency response curves for the two fiber?optic FPI channels of the bionic microphone.

3.3 FPI 光纖麥克風最小可探測聲壓的測定

仿生光纖FPI 麥克風的最小可探測聲壓(PMDP)與被測聲源頻率、聲源入射角具有一定的關(guān)系.本文針對仿生光纖FPI 麥克風在搖擺模態(tài)本征頻率下的PMDP進行測試.使用圖10 所示的聲學(xué)測試系統(tǒng)時,由于聲源垂直麥克風振膜平面入射,仿生光纖FPI 麥克風對聲信號響應(yīng)不敏感,測試中需要施加較大聲壓.測試中,分別驅(qū)動揚聲器發(fā)出仿生光纖FPI 麥克風雙通道對應(yīng)的搖擺模態(tài)本征頻率的聲信號,然后采集仿生光纖FPI 麥克風雙側(cè)通道的頻域和時域響應(yīng).

搖擺模態(tài)下仿生光纖FPI 麥克風兩個通道的頻域響應(yīng)如圖12(a)和圖12(b)所示,插圖顯示了雙通道對搖擺模態(tài)本征頻率信號的時域響應(yīng)曲線.兩通道在各自搖擺模態(tài)本征頻率處的信噪比(RSN)分別為68.66 dB@688 Hz 和58.61 dB@693 Hz.值得指出的是,被測麥克風的兩個FPI 通道的頻域響應(yīng)曲線都包含二倍頻信號,說明它們的工作點都偏離了各自的正交工作點[24].

圖12 實驗測得的仿生光纖麥克風對準垂直入射的單頻聲波的頻域響應(yīng)曲線,插圖為相應(yīng)的時域響應(yīng)曲線 (a) 聲波頻率688 Hz;(b) 聲波頻率693 HzFig.12.Frequency?domain response curves measured with the two fiber?optic FPI channels of the bionic microphone,and the insets show the corresponding time?domain re?sponse curves:(a) sound frequency of 688 Hz;(b) sound fre?quency of 693 Hz.

最小可探測聲壓PMDP,可表示為[25,26]

式中P為聲壓,Δf為頻率分辨率.在上述測試中P=1.32 Pa,Δf=1 Hz,將這些參數(shù)和測得的信噪比代入(6)式,計算得到兩個通道在各自搖擺頻率下的最小可探測聲壓PMDP=0.49 mPa/Hz1/2@688 Hz 和PMDP=1.56 mPa/Hz1/2@693 Hz.兩個通道的PMDP不等,說明兩者的對稱性較差,PMDP偏小的通道的聲學(xué)敏感性能優(yōu)于PMDP較大的通道.

3.4 FPI 光纖麥克風方向響應(yīng)的測定

為了測試仿生光纖FPI 麥克風雙通道的方向響應(yīng),搭建了仿生光纖FPI 麥克風方向響應(yīng)實驗平臺,如圖13 所示.仿生光纖FPI 麥克風與光電驅(qū)動解調(diào)模塊相連形成了仿生光纖FPI 麥克風樣機,光電驅(qū)動解調(diào)模塊為仿生光纖FPI 麥克風提供光源與解調(diào)電路.將仿生光纖FPI 麥克風固定在電控旋轉(zhuǎn)臺(大恒GCD?011100 M)上,電控旋轉(zhuǎn)臺與電腦連接.旋轉(zhuǎn)臺置于可同時調(diào)節(jié)俯仰角和水平角的三腳架上.聲源部分使用會議室音響(天逸TDB?09)結(jié)合功率放大器(天逸AD?300 K)組成,由信號發(fā)生器(Agilent?33500 B)控制.調(diào)節(jié)三腳架位置,使得聲源與仿生光纖FPI 麥克風距離約為1.2 m,同時使得仿生光纖FPI 麥克風的振膜與聲波入射的方向平行.定義雙翼短軸正對聲源時方向角θ=0°,測試時以固定聲源旋轉(zhuǎn)麥克風的方式改變二者的相對角度.

圖13 仿生光纖麥克風方向響應(yīng)測試裝置照片F(xiàn)ig.13.Photograph of the experimental setup for testing the directional response of the bionic fiber?optic micro?phone.

由于麥克風雙通道搖擺模態(tài)本征頻率都接近700 Hz,為了便于同時采集雙通道的響應(yīng)信號,設(shè)定聲源頻率為700 Hz,令旋轉(zhuǎn)臺先順時針以步長10°旋轉(zhuǎn)180°,采集θ=0°—180°時麥克風的時域信號和頻域信號,再令旋轉(zhuǎn)臺先逆時針以步長10°旋轉(zhuǎn)180°,采集θ=0°—?180°時麥克風的時域信號和頻域信號.時域信號作為實時參考,將頻域信號的幅度值記為仿生光纖FPI 麥克風在該角度的實時響應(yīng)值.待采集完畢后,分別對被測麥克風的兩個通道的方向響應(yīng)極坐標圖號通道的方向響應(yīng)進行歸一化.

如圖14 所示,仿生光纖FPI 麥克風雙通道的響應(yīng)隨角度呈現(xiàn)“8”字形的變化,與圖3(a)的xy平面方向響應(yīng)的仿真結(jié)果趨勢相同.雙通道在聲源方向角θ=0°時響應(yīng)趨近于0;在聲源方向角θ=90°,270°時響應(yīng)達到極大.仿生麥克風的方向響應(yīng)是實現(xiàn)定位的重要線索.與Bauer 等[14]和Ra?haman 等[27]制備的仿生麥克風相比,本文制備的仿生光纖FPI 麥克風雙通道的方向響應(yīng)更加平滑.

圖14 實驗測得的仿生光纖麥克風的雙通道對700 Hz 聲波的“8”字形方向響應(yīng)極化圖Fig.14.“ 8”shaped directional response polar patterns measured at 700 Hz for the two FPI channels of the bionic microphone.

將麥克風雙通道的響應(yīng)表示在直角坐標中(見圖15),方向角區(qū)間為θ=0°—±90°時,麥克風雙通道輸出值是單調(diào)的;方向角區(qū)間為θ=0°—±60°時,仿生光纖FPI 麥克風雙通道輸出值呈線性.從圖15(a)可知,對于PMDP較小的通道,其方向靈敏度在θ=0°—?60°時為39.98 mV/(°),在θ=0°—60°時為37.47 mV/(°).對于PMDP較大的通道,如圖15(b)所示,其方向靈敏度在θ=0°—±60°的范圍內(nèi)幾乎相等,約為9.83 mV/(°).

圖15 實驗測得的仿生光纖麥克風通道對700 Hz 聲波的響應(yīng)幅值隨聲源方位角的變化曲線 (a) PMDP 較小的通道;(b) PMDP 較大的通道Fig.15.Response amplitudes at 700 Hz of the two chan?nels for the bionic fiber?optic microphone as a function of the sound source azimuth angle:(a) The channel of smaller PMDP;(b) the channel of larger PMDP.

4 結(jié)論

本文以奧米亞棕蠅耳耦合結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),設(shè)計制備了連耦合雙翼形硅基MEMS 仿蠅耳振膜,將該振膜與金屬支座組裝形成了具有指向性的基于硅基MEMS 仿生振膜的FPI 光纖麥克風.結(jié)合設(shè)計參數(shù)與實際制備過程,對仿生光纖FPI 麥克風進行了仿真分析.首先進行了振膜諧振頻率的仿真,得到了振膜的搖擺模態(tài)和彎曲模態(tài)的本征頻率與對應(yīng)的振動形態(tài);其次,對仿生光纖FPI 麥克風的頻響特性進行了仿真,得到了該麥克風搖擺模態(tài)和彎曲模態(tài)對應(yīng)的本征頻率;最后,仿真分析了在搖擺模態(tài)本征頻率下仿生光纖FPI 麥克風在全空間的方向響應(yīng)特性,發(fā)現(xiàn)隨聲源入射角度的變化,麥克風在全空間的響應(yīng)呈立體紡錘形分布.在仿真的基礎(chǔ)上,對制得的仿生光纖FPI 麥克風進行了性能表征與測試.使用建立的近場聲學(xué)測試系統(tǒng)取得了麥克風振膜雙翼分別對應(yīng)的雙通道的頻響特性曲線,搖擺模態(tài)和彎曲模態(tài)的本征頻率在700 Hz和1700 Hz 附近,與仿真數(shù)據(jù)結(jié)果接近.然后,在聲源頻率為已測得的雙通道對應(yīng)的搖擺模態(tài)的本征頻率下,對麥克風進行了最小可探測聲壓的探測,測試結(jié)果反映出該麥克風在搖擺模態(tài)下具有良好的傳感性能.接著在聲源頻率接近麥克風搖擺模態(tài)對應(yīng)的本征頻率時,測試了麥克風的方向響應(yīng)特性,結(jié)果表明,麥克風輸出信號強度隨聲源方位角變化呈現(xiàn)“8”字形,在方位角0°—±60°的范圍內(nèi)二者呈線性關(guān)系,證明仿生光纖FPI 麥克風在搖擺模態(tài)附近具有聲定位的能力.本研究設(shè)計的硅基MEMS 仿生振膜的FPI 光纖麥克風運用高靈敏的光學(xué)傳感原理,實現(xiàn)了低頻的聲探測定位.由于其獨特的傳感原理,該麥克風還可以在惡劣的電磁環(huán)境下工作,且在復(fù)雜低頻聲源定位領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.