中北大學(xué)研發(fā)出仿水母聽(tīng)石結(jié)構(gòu)的MEMS水聲傳感器

近年來(lái)，世界范圍內(nèi)潛艇數(shù)量不斷增加，先進(jìn)的安靜型潛艇廣泛應(yīng)用主、被動(dòng)降噪技術(shù)，低速航行時(shí)的輻射噪聲變得越來(lái)越低，甚至低于海洋環(huán)境噪聲水平；新興的無(wú)人潛航器等水下平臺(tái)數(shù)量多、體積小、航速低、噪聲小，未來(lái)將大量使用在廣闊海洋中執(zhí)行各種作戰(zhàn)任務(wù)，對(duì)海上航行船只以及陸地重要設(shè)施存在巨大威脅。在水下作戰(zhàn)中，對(duì)潛艇的遠(yuǎn)距離探測(cè)以及潛艇微弱噪聲的識(shí)別是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，早發(fā)現(xiàn)將極大利于對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)的把控。目前，潛艇遠(yuǎn)距離弱噪聲檢測(cè)已成為研究熱點(diǎn)，這對(duì)水聽(tīng)器的低頻探測(cè)性能提出了很高的要求。潛艇在運(yùn)行時(shí)發(fā)出的水下聲能大都位于5-200Hz頻段，使得低頻矢量水聽(tīng)器成為監(jiān)測(cè)低頻聲壓和聲速的首要選擇。

當(dāng)前，很多研究團(tuán)隊(duì)都在進(jìn)行矢量水聽(tīng)器的研究。Yildiz等人設(shè)計(jì)了間距遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的矢量水聽(tīng)器陣列；Ma等人報(bào)道了一種以v形彎曲梁為質(zhì)點(diǎn)-彈簧單元的雙軸超薄光纖激光矢量水聽(tīng)器；Anders Heerford等人介紹了一種可應(yīng)用于水聽(tīng)器拖曳式陣列的新型無(wú)源光纖水聽(tīng)器。然而，這些矢量水聽(tīng)器的體積通常很大，不適合小體積水下平臺(tái)搭載應(yīng)用。W. Moon等人提出了一種帶空氣襯底的MEMS壓電彎曲型水聽(tīng)器，另外，他們還設(shè)計(jì)了一種在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極上使用壓電體的微機(jī)械水聽(tīng)器；Xu 等人提出了一種高靈敏度的AlN-on-SOI微機(jī)械水聽(tīng)器。然而，這些MEMS壓電式水聽(tīng)器是無(wú)方向性的，并且由于其是密封膜結(jié)構(gòu)，只能承受較低的靜水壓力，這意味著其工作深度被大大限制。

MEMS壓阻式矢量水聽(tīng)器具有工作頻率低、檢測(cè)體積小等優(yōu)點(diǎn)。另外，由于其敏感單元為開(kāi)放結(jié)構(gòu)，可承受較高的靜水壓力。受水母聽(tīng)石結(jié)構(gòu)對(duì)超低頻信號(hào)響應(yīng)靈敏的啟發(fā)，本文提出了一種新穎的仿生矢量水聽(tīng)器（OVH），其核心敏感結(jié)構(gòu)為頂端集成空心球體的仿生纖毛。為了平衡水聽(tīng)器的靈敏度和共振頻率之間的關(guān)系，對(duì)纖毛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化仿真，以獲取最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在確定結(jié)構(gòu)參數(shù)之后，并對(duì)不同結(jié)構(gòu)矢量水聽(tīng)器的應(yīng)力分布特性做了仿真分析。

此外，也對(duì)OVH的抗沖擊性能進(jìn)行了研究。最后，對(duì)OVH進(jìn)行了精確的制作以及靈敏度標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明OVH的接收靈敏度高達(dá)-202.1 dB@100 Hz(0 dB@1 V/μPa)。在20-200 Hz的頻率范圍內(nèi)，OVH的平均等效聲壓靈敏度達(dá)到-173.8 dB。指向性圖顯示3dB極寬為87°。此外，實(shí)驗(yàn)還證明了OVH在10 MPa靜水壓力下仍能正常工作。這些結(jié)果表明，OVH在低頻水聲探測(cè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖文展示1：纖毛結(jié)構(gòu)的參數(shù)對(duì)諧振頻率和應(yīng)力的影響分析。

(a) 微結(jié)構(gòu)敏感機(jī)理示意圖；(b) 不同纖毛結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)諧振頻率的影響；(c) 不同纖毛結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)梁上最大應(yīng)力的影響

圖a為OVH對(duì)聲音信號(hào)敏感的機(jī)理示意圖。在該聲電換能器結(jié)構(gòu)中，聲波將介質(zhì)顆粒的振動(dòng)傳遞到仿生纖毛結(jié)構(gòu)上中，因此，纖毛結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水聽(tīng)器的性能有很大的影響，對(duì)纖毛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全參數(shù)優(yōu)化分析是非常有必要的。圖b為通過(guò)模態(tài)分析得到的共振頻率與纖毛各結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，從中可看出，共振頻率隨纖毛半徑、內(nèi)球半徑的增加而增大，隨纖毛高度、外球半徑的降低而減小。圖c為通過(guò)靜力分析得到的梁上最大應(yīng)力與纖毛各結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，隨著纖毛高度、外球半徑的增加，梁上最大應(yīng)力顯著增大。這些結(jié)果可為纖毛的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，尋求最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

圖文展示2：敏感微結(jié)構(gòu)梁上應(yīng)力的仿真和比較。

(a) 外部應(yīng)力沿X方向作用到纖毛上時(shí)十字梁上應(yīng)力分布圖；(b) 不同結(jié)構(gòu)的水聽(tīng)器梁上應(yīng)力分布比較

在確定纖毛的微結(jié)構(gòu)參數(shù)之后，沿著X梁的方向?qū)ξ⒔Y(jié)構(gòu)施加一外部載荷，得到整個(gè)微結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布如上圖a所示。可見(jiàn)，x方向梁上應(yīng)力最大的區(qū)域分布在梁的根部附近，y方向的梁上基本無(wú)應(yīng)力產(chǎn)生，從而可以實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)的矢量探測(cè)。圖b為不同結(jié)構(gòu)的纖毛式水聽(tīng)器梁上應(yīng)力比較圖，相比于之前報(bào)道的LVH、CuVH和WIVH，可以看出OVH的最大應(yīng)力明顯更高，這意味著OVH的靈敏度要高于其他同類型的水聽(tīng)器。

圖文展示3：OVH十字梁敏感微結(jié)構(gòu)的MEMS工藝流程圖。

十字梁是MEMS水聽(tīng)器的關(guān)鍵部位之一，十字梁上分布著壓敏電阻，梁的尺寸參數(shù)將直接影響水聽(tīng)器的性能。因此，采用MEMS微納制造工藝來(lái)加工十字梁結(jié)構(gòu)，其具體工藝流程如上圖所示。主要步驟包括：1.對(duì)SOI片進(jìn)行雙面熱氧化；2.進(jìn)行第一次光刻，窗口部分留40nm厚的SiO2；3.硼粒子輕摻雜；4.第二次光刻，硼離子重?fù)诫s；5.移除表面SiO2，退火；6.金屬濺射，第三次光刻，形成歐姆接觸區(qū)域；7.第四次光刻，刻蝕纖毛孔；8.第五次光刻，正面刻蝕梁結(jié)構(gòu)；9.第六次光刻，背面刻蝕，釋放梁結(jié)構(gòu)。

圖文展示4：OVH的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

(a) 十字梁微結(jié)構(gòu)在顯微鏡下的照片，十字梁、壓敏電阻、金屬線以及纖毛孔清晰可見(jiàn)；(b) 集成到十字梁結(jié)構(gòu)上的聽(tīng)石狀纖毛； (c) 集成到PCB板和封裝管殼中的芯片；(d) 接收靈敏度-頻率響應(yīng)曲線；(e) 100 Hz指向性圖，3dB極寬為87°；(f) 10 MPa靜水壓力測(cè)量裝置； (g) 經(jīng)10MPa測(cè)試后的聽(tīng)石狀纖毛結(jié)構(gòu)； (h) 10MPa壓力測(cè)試下獲取的數(shù)據(jù)

圖a-c展示了OVH的制造封裝圖。圖a為顯微鏡下的十字梁敏感微結(jié)構(gòu)照片，梁結(jié)構(gòu)懸空，壓敏電阻分布在梁表面。圖b為聽(tīng)石狀纖毛與十字梁結(jié)構(gòu)集成圖。圖c為封裝好的OVH實(shí)物圖。圖d為不同MEMS水聽(tīng)器的接收靈敏度-頻率響應(yīng)曲線圖。可以計(jì)算得到，在測(cè)量范圍內(nèi)，OVH的平均等效聲壓靈敏度達(dá)到了-173.8 dB (0 dB@1 V/μPa)，該靈敏度相比于LVH、CuVH和WIVH，分別增加了3.2dB、7.5dB和13.6dB。圖e為100 Hz時(shí)OVH的指向性圖，呈現(xiàn)出典型的余弦指向性，3 dB極寬為87°。圖f-h為對(duì)OVH進(jìn)行的耐靜水壓力測(cè)試，在對(duì)OVH施加10MPa的靜水壓力后，聽(tīng)石狀纖毛微結(jié)構(gòu)形狀并未改變（圖g），且從OVH的輸出信號(hào)中可清晰地分辨出施加在打壓桶壁上的敲擊信號(hào)，驗(yàn)證了OVH在10MPa水壓力下工作的可行性。