硅基MEMS振速型矢量水听器设计

刘云飞,周 瑜,朱晓枭,涂其捷,张学聪,冯 杰

(中国电子科技集团公司第三研究所,北京 100015)

0 引 言

矢量水听器可以同时共点感测水下声场的声压标量和质点振速矢量信号,相对传统声压水听器能获得更全面的声场信息。此外,矢量水听器所具有的指向特性使水声测量系统的线谱检测能力、抗相干干扰能力以及抗各向同性噪声的能力得到明显提高,因而有利于水下目标信号的检测,是水声技术领域重点发展的研究方向之一[1,2]。随着水听器技术不断发展,为满足水下安静型目标远距离检测识别对水听器低频检测能力不断提高的需求,低频化、小型化和集成化是未来矢量水听器技术的发展方向[3]。近年来,基于微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)技术研制开发了电容式、压阻式、压电式等多种同振型矢量水听器,虽然可以刚性固定安装,避免了传统同振型矢量水听器使用不便的问题,但仍为感测声场加速度信号,信号频率越低,传感器响应灵敏度越低,因而无法有效探测水下远距离安静型目标[4～7]。

本文提出一种MEMS振速型矢量水听器。该水听器基于空间声场—温度场耦合作用机理,可以直接感测水下声场质点振速信号。相比同振型矢量水听器,在低频段具有更优的响应特性,且体积小、重量轻、结构简洁、可靠性高,无须悬挂安装,因此，更适合用于水下远场目标微弱低频信号的高灵敏度检测。

1 工作原理分析

振速型矢量水听器采用一种特殊设计的微间距金属铂丝敏感结构实现声场质点振速感测。工作时,在两根微间距金属铂丝上施加直流电压,电流通过金属铂丝产生焦耳热,将电能转换为热能。当无声波入射时,金属铂丝既作为热源向四周空间热扩散形成稳定对称的温度场分布,又作为热敏单元感测空间温度。由于对称的温度场分布,两根金属铂丝具有相同的初始温度；当有声波入射时,声场传播引起媒质质点在平衡点附近振动,遂与两根金属铂丝发生受迫对流—导热耦合传热[8],从而改变两铂丝周围的空间温度场分布,导致处于声波入射方向上、下游的两根铂丝的温度发生非对称变化,即处于质点振速上游的铂丝的部分热量传递给下游的铂丝,此时上游铂丝的温度减小,而下游的铂丝温度增大,从而使两铂丝产生一定的温度差ΔT,如图1所示。

图1 空间温度场分布受声场扰动示意

由于敏感结构热扩散的时间远小于受迫对流传热的时间,测量过程中空间温度场的分布可以认为是在热扩散稳定的基础上由声场传播媒质质点振速引起受迫对流造成的温度扰动。根据热力学定律,构建两根金属铂丝传热过程的热力学方程(略去推导过程),可获得声场质点振速引起的两根铂丝的温度差为

(1)

基于上述微间距铂丝对声场质点振速感应的热力学传递方程推导,振速型矢量水听器的响应特性与声场传播媒质的材料特性、金属铂丝本身的材料特性,以及微间距铂丝敏感单元的拓扑结构均密切相关。选取具有合适材料特性的声场传播媒质,结合金属铂的材料特性,通过优化设计敏感单元的拓扑结构参量,可设计符合水下声场质点振速响应需求的矢量水听器。

2 仿真设计

微间距铂丝的稳定空间温度场扩散分布和声场质点振速引起的受迫对流扰动,将通过声、温多物理场耦合仿真技术进行有限元仿真分析,具体的设计参数如表1～表3。

表1 金属铂材料特性

表2 声传播介质特性

表3 拓扑结构设计参数

如图2所示为微间距金属铂丝上施加5 V直流电压后,由于焦耳热效应形成的空间温度场分布,以及在声波入射后两根铂丝发生温度交换而形成温度差ΔT,该仿真曲线与图1数值计算曲线相吻合。此外,对微间距铂丝敏感结构在10～1 000 Hz入射声波频率范围内的响应特性进行了仿真,如图3所示(其中纵轴灵敏度做了归一化处理)。从图3中可以看到,与传统同振型矢量水听器不同,振速型矢量水听器的响应灵敏度并不随频率降低而衰减。

图2 两根铂丝温度差ΔT随入射声波声压变化

图3 微间距铂丝敏感结构幅频响应特性仿真曲线

3 传感器制作与测试

MEMS振速型矢量水听器敏感芯片制备工艺流程主要包括：1)在硅衬底上利用等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)工艺沉积绝缘支撑层薄膜；2)光刻定义传感器敏感元件拓扑结构；3)电子束蒸发及剥离(lift-off)形成金属铂丝敏感结构；4)硅衬底各向异性湿法腐蚀形成流体通路沟槽。图4所示为基于该工艺流程制备的MEMS矢量水听器敏感芯片6 in晶元及Die实物图。

图4 矢量水听器敏感芯片6英寸晶元和Die实物

如图5所示为装配好的MEMS振速型矢量水听器设计及实物图。透声外壳采用与海水特性声阻抗匹配性较好的聚氨酯材料制作,内部填充蓖麻油作为敏感芯片的工作介质,其沸点较高(313 ℃),且与海水的声阻抗值非常接近,可有效减小声波通过不同介质时的传输损耗,并保证传感器在水下环境中的正常工作。

图5 MEMS振速型矢量水听器设计及实物

采用驻波桶振动液柱法对水听器进行校准测试,结果如图6所示。在驻波桶内,根据驻波声场声压、振速分布理论,矢量水听器振速通道等效声压灵敏度MU可表示为[9,10]

图6 MEMS振速型矢量水听器等效声压灵敏度频率特性曲线

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

(2)

式中EU为待测矢量水听器振速通道输出电压信号,EP为参考标准水听器输出电压信号,d为待测矢量水听器距离液面深度,d0为参考标准水听器距离液面深度,k为波数,MPref为参考声压水听器灵敏度dB值,MU为待测矢量水听器振速通道等效声压灵敏度dB值。

由图6可知,MEMS振速型矢量水听器在低频段具有较为平坦的响应特性,20 Hz处的等效声压灵敏度为-207 dB(ref.1V/μPa)。测试表明,振速型矢量水听器的响应灵敏度并未随着入射声波频率的降低而有所衰减,这种响应特性是传统同振型矢量水听器所无法比拟的。

4 结束语

本文提出一种MEMS振速型矢量水听器。经过振动液柱法测试,验证了该矢量水听器可以直接测量水下声场质点振速信号,20 Hz处等效声压灵敏度达到-207 dB,且低频段具有较为平坦的频率响应特性。与同振型矢量水听器相比,这种MEMS振速型矢量水听器具有更优的低频响应特性。