中北大学研发出仿水母听石结构的MEMS水声传感器

近年来，世界范围内潜艇数量不断增加，先进的安静型潜艇广泛应用主、被动降噪技术，低速航行时的辐射噪声变得越来越低，甚至低于海洋环境噪声水平；新兴的无人潜航器等水下平台数量多、体积小、航速低、噪声小，未来将大量使用在广阔海洋中执行各种作战任务，对海上航行船只以及陆地重要设施存在巨大威胁。在水下作战中，对潜艇的远距离探测以及潜艇微弱噪声的识别是至关重要的环节，早发现将极大利于对战场形势的把控。目前，潜艇远距离弱噪声检测已成为研究热点，这对水听器的低频探测性能提出了很高的要求。潜艇在运行时发出的水下声能大都位于5-200Hz频段，使得低频矢量水听器成为监测低频声压和声速的首要选择。

当前，很多研究团队都在进行矢量水听器的研究。Yildiz等人设计了间距远小于波长的矢量水听器阵列；Ma等人报道了一种以v形弯曲梁为质点-弹簧单元的双轴超薄光纤激光矢量水听器；Anders Heerford等人介绍了一种可应用于水听器拖曳式阵列的新型无源光纤水听器。然而，这些矢量水听器的体积通常很大，不适合小体积水下平台搭载应用。W. Moon等人提出了一种带空气衬底的MEMS压电弯曲型水听器，另外，他们还设计了一种在场效应晶体管的栅极上使用压电体的微机械水听器；Xu 等人提出了一种高灵敏度的AlN-on-SOI微机械水听器。然而，这些MEMS压电式水听器是无方向性的，并且由于其是密封膜结构，只能承受较低的静水压力，这意味着其工作深度被大大限制。

MEMS压阻式矢量水听器具有工作频率低、检测体积小等优点。另外，由于其敏感单元为开放结构，可承受较高的静水压力。受水母听石结构对超低频信号响应灵敏的启发，本文提出了一种新颖的仿生矢量水听器（OVH），其核心敏感结构为顶端集成空心球体的仿生纤毛。为了平衡水听器的灵敏度和共振频率之间的关系，对纤毛结构进行了优化仿真，以获取最优的结构参数。在确定结构参数之后，并对不同结构矢量水听器的应力分布特性做了仿真分析。

此外，也对OVH的抗冲击性能进行了研究。最后，对OVH进行了精确的制作以及灵敏度标定。实验结果表明OVH的接收灵敏度高达-202.1 dB@100 Hz(0 dB@1 V/μPa)。在20-200 Hz的频率范围内，OVH的平均等效声压灵敏度达到-173.8 dB。指向性图显示3dB极宽为87°。此外，实验还证明了OVH在10 MPa静水压力下仍能正常工作。这些结果表明，OVH在低频水声探测中具有广阔的应用前景。

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最大应力的影响

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最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，梁上最大应力显著增大。这些结果可为纤毛的设计提供理论指导，寻求最优结构。

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方向梁上应力最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的最大应力明显更高，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.进行第一次光刻，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。