声波仍是目前可以在水下进行远距离传输的形式,水听器也称水声接收换能器，可以将声波信号转换为电信号,是进行水下探测的关键部件。矢量水听器与标量水听器相比可以测量声场中的矢量信息,抑制环境中的各向同性噪声而成为未来的发展方向。
        声波的频率越高在在水中的衰减速率越快,随着对潜艇探测距离要求越来越远,水听器的工作频率也越来越低。UUV等小型搭载平台在工作时不可避免地会受到海浪、洋流等外部冲击的影响,水听器可以抑制振动干扰是其实际应用的基础。要实现对潜艇的准确定位,水听器应可以测量三维空间的声波信号,再考虑到UUV的搭载能力有限,水听器应当是一种单片集成三维MEMS水听器。
        中北大学基于仿生原理提出的压阻式仿生MEMS矢量水听器,具有体积小、成本低和低频响应特性好的特点,在声纳系统中具有较好的应用前景。但是当前的仿生MEMS矢量水听器不能同时实现三维空间声波测量和抑制振动干扰。 针对此问题本文设计了单片集成的、可以抑制面内振动干扰的仿生MEMS三维矢量水听器。
(1)提出了一种可以抑制振动干扰的仿生MEMS三维矢量水听器。
水听器是一种“纤毛-支撑块-八梁”结构,纤毛可敏感X方向和Y方向的声波信号,支撑块可以敏感Z方向的声波信号。通过封装,X/Y方向的声波信号可以作用到纤毛上而不能作用到支撑块到上。然而,水听器受到的X/Y方向振动干扰可以同时作用到纤毛和支撑块上,纤毛和支撑块对梁的弯矩可以相互抵消,从而减小了梁表面压敏电阻所受到的应力,有效地降低了水听器受到振动干扰输出的信号。
(2)建立了抑制面内振动干扰的仿生MEMS三维矢量水听器数学模型。
建立了水听器受到X/Y方向和Z方向声波信号、振动信号时梁纵向应力的数学模型。建立了求解水听器前三阶固有频率的数学模型。
(3)抑制面内振动干扰的仿生MEMS三维矢量水听器的有限元仿真。
仿真分析了梁的长度、宽度、厚度,纤毛的半径和高度、支撑块的长度和厚度对水听器性能的影响。综合考虑不同结构参数对水听器性能的影响,设计了水听器的具体结构尺寸。对所设计的水听器和传统的水听器进行了静态、模态、谐响应和瞬态响应仿真,验证了数学理论模型的准确性。
(4)抑制面内振动噪声的仿生MEMS三维矢量水听器的加工。
仿真分析了不同工艺参数对加工结果的影响;制定了水听器芯片的加工流程和工艺参数并完成了纤毛与芯片的集成。
(5)抑制面内振动噪声的仿生MEMS三维矢量水听器测试。
驻波桶测试结果表明,X、Y和Z三个通道的声学灵敏度400Hz时分别为-182dB、-187dB和-160dB(0dB=1V/μPa),凹点深度分别为34dB、35dB和33dB。振动台测试结果表明本文设计的水听器相对于传统结构的水听器振动噪声灵敏度在100Hz降低了约92%。水听器同时受到声波信号和振动干扰时的实验结果表明,本文设计的水听器可以有效地抑制面内振动干扰的影响。

图文展示1：纤毛结构的参数对谐振频率和应力的影响分析。

(a) 微结构敏感机理示意图；(b) 不同纤毛结构参数对谐振频率的影响；(c) 不同纤毛结构参数对梁上ZUI大应力的影响
图a为OVH对声音信号敏感的机理示意图。在该声电换能器结构中，声波将介质颗粒的振动传递到仿生纤毛结构上中，因此，纤毛结构参数对水听器的性能有很大的影响，对纤毛结构进行了全参数优化分析是非常有必要的。图b为通过模态分析得到的共振频率与纤毛各结构参数的关系，从中可看出，共振频率随纤毛半径、内球半径的增加而增大，随纤毛高度、外球半径的降低而减小。图c为通过静力分析得到的梁上ZUI大应力与纤毛各结构参数的关系，随着纤毛高度、外球半径的增加，梁上ZUI大应力显著增大。这些结果可为纤毛的设计提供理论指导，寻求*结构。

图文展示2：敏感微结构梁上应力的仿真和比较。

(a) 外部应力沿X方向作用到纤毛上时十字梁上应力分布图；(b) 不同结构的水听器梁上应力分布比较

在确定纤毛的微结构参数之后，沿着X梁的方向对微结构施加一外部载荷，得到整个微结构上的应力分布如上图a所示。可见，x方向梁上应力ZUI大的区域分布在梁的根部附近，y方向的梁上基本无应力产生，从而可以实现声信号的矢量探测。图b为不同结构的纤毛式水听器梁上应力比较图，相比于之前报道的LVH、CuVH和WIVH，可以看出OVH的ZUI大应力明显更高，这意味着OVH的灵敏度要高于其他同类型的水听器。

图文展示3：OVH十字梁敏感微结构的MEMS工艺流程图。

十字梁是MEMS水听器的关键部位之一，十字梁上分布着压敏电阻，梁的尺寸参数将直接影响水听器的性能。因此，采用MEMS微纳制造工艺来加工十字梁结构，其具体工艺流程如上图所示。主要步骤包括：1.对SOI片进行双面热氧化；2.进行DI一次光刻，窗口部分留40nm厚的SiO2；3.硼粒子轻掺杂；4.第二次光刻，硼离子重掺杂；5.移除表面SiO2，退火；6.金属溅射，第三次光刻，形成欧姆接触区域；7.第四次光刻，刻蚀纤毛孔；8.第五次光刻，正面刻蚀梁结构；9.第六次光刻，背面刻蚀，释放梁结构。

图文展示4：OVH的实验测试结果。

(a) 十字梁微结构在显微镜下的照片，十字梁、压敏电阻、金属线以及纤毛孔清晰可见；(b) 集成到十字梁结构上的听石状纤毛； (c) 集成到PCB板和封装管壳中的芯片；(d) 接收灵敏度-频率响应曲线；(e) 100 Hz指向性图，3dB极宽为87°；(f) 10 MPa静水压力测量装置； (g) 经10MPa测试后的听石状纤毛结构； (h) 10MPa压力测试下获取的数据

图a-c展示了OVH的制造封装图。图a为显微镜下的十字梁敏感微结构照片，梁结构悬空，压敏电阻分布在梁表面。图b为听石状纤毛与十字梁结构集成图。图c为封装好的OVH实物图。图d为不同MEMS水听器的接收灵敏度-频率响应曲线图。可以计算得到，在测量范围内，OVH的平均等效声压灵敏度达到了-173.8 dB (0 dB@1 V/μPa)，该灵敏度相比于LVH、CuVH和WIVH，分别增加了3.2dB、7.5dB和13.6dB。图e为100 Hz时OVH的指向性图，呈现出典型的余弦指向性，3 dB极宽为87°。图f-h为对OVH进行的耐静水压力测试，在对OVH施加10MPa的静水压力后，听石状纤毛微结构形状并未改变（图g），且从OVH的输出信号中可清晰地分辨出施加在打压桶壁上的敲击信号，验证了OVH在10MPa水压力下工作的可行性。

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