MEMS矢量水聽器減振結構的設計與研究*

郭 楠,張國軍*,簡澤明,劉夢然,張文棟

(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.中北大學電子測試技術重點實驗室,太原 030051)

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MEMS矢量水聽器減振結構的設計與研究*

郭 楠1,2,張國軍1,2*,簡澤明1,2,劉夢然1,2,張文棟1,2

(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.中北大學電子測試技術重點實驗室,太原 030051)

在MEMS矢量水聽器現有結構的基礎上,設計出一種新型減振結構,期望利用該封裝結構衰減水聽器工作時安裝平臺的振動噪聲,削弱安裝平臺振動對水聽器測量精度的影響,提高水聽器的抗噪能力。結合理論分析確定減振材料并采用有限元軟件進行仿真,對矢量水聽器先后采用原有封裝結構和減振封裝結構進行封裝,并通過振動臺實驗和駐波桶靈敏度測試。測試結果表明:該結構可有效實現對MEMS矢量水聽器干擾信號的衰減,同時基本不影響水聽器的接收靈敏度。

MEMS矢量水聽器;減振;阻尼材料;損耗因數;封裝結構

MEMS矢量水聽器是一種新型的水聲測量設備[1]。水下聲源發出聲波,這些攜帶信息的聲波連同海洋環境噪聲,通過海洋到達矢量水聽器或傳感器陣,被矢量水聽器轉換為電信號,對拾取的聲場信息進行處理,判斷是否存在目標,確定目標的種類、狀態參數等數據,從而提供所需要的信息。因此,MEMS矢量水聽器具有廣泛的應用前景[2]。目前,基于MEMS技術的水聽器已趨于成熟化發展[3-4]。但是,由于其工作環境復雜,安裝平臺多種多樣,在實際應用中由于安裝平臺等外界設備振動會產生噪聲(如艦船機械設備振動噪聲、螺旋槳振動噪聲及水動力噪聲等)以及海水中的流噪聲都會對水聽器敏感探頭造成干擾[5],從而影響了水聽器的信噪比,成為水聽器提取有用信號的屏障,影響矢量水聽器的靈敏度,進而限制了水聽器性能優化發展,使得矢量水聽器在實際的工程應用中存在局限。因此,解決矢量水聽器封裝結構的振動問題十分必要。針對這一事實,結合減振原理,本文設計了一種減振結構,對現有的MEMS矢量水聽器的封裝結構進行了合理化改進,目的是在不影響水聽器接收靈敏度的前提下實現矢量水聽器在工程應用中減少安裝平臺振動產生的干擾信號。

1 減振封裝結構的設計

1.1 理論依據

高分子阻尼材料的減振降噪技術是很普遍的一種處理方法,它通常是將高分子阻尼材料附著在結構件表面,大大提高機械結構阻尼,利用高分子的粘彈性吸收振動能量,并有效地將振動能轉化為熱能耗散掉,從而達到減振目的[6]。橡膠由于它低的可調正的模量和較高的本征阻尼,大應變下不被破壞和在一定變形方式下承載高負荷的能力等優良特性,在工程技術的很多領域被用來消除振動和噪音[7]。在周期性外力作用下,其應力——應變關系可用復數模量表示如下:

σ=|E*||ε|sin(ωt+δ)

(1)

E*=E′+iE″

(2)

tanδ=E″/E′

(3)

式中:σ為正弦交變應力,E*為復數模量,ε為應變,ω為對試樣施加外力的頻率,t為時間,δ為應力與應變之間的相位角。E′為儲能模量,反映材料變形時能量儲存的大小,即回彈能力,E″為損耗模量,反映材料變形時能量損耗的大小。tanδ為損耗因數,反映材料形變過程中損耗能量的能力,因此通常用來表征阻尼材料的阻尼性能。

圖1 單自由度振動系統標準模型

(4)

式中ωA為減振器的共振頻率,ξ為減振器的阻尼比,ξ=C/C0(C0為臨界阻尼)。

在對數坐標上按式(4)可作出圖2所示的傳遞率和頻率特性曲線。由圖可見,當ω很小時,傳遞率接近1;當ω=ωA時,出現共振,傳遞率將達最大值,這時不僅不能減振,而且使外來振幅得到擴大;當ω>1.41ωA時,傳遞率|η|<1,出現了減振效果,ω越大,減振效果越好。

圖2 傳遞率和頻率特性曲線

由此可見,減振器設計時,應力求減小ωA,以擴大減振器的有效減振區。當ω=ωA時代入式(5)后得

(5)

由式(5)可見,tanδ越大,|η|將越小。欲改善減振器在共振區的性能,則應選擇高阻尼粘彈材料制成橡膠元件,它可大為改善這一特性。

依據上述原理,采用聚氨酯橡膠作為減振材料。聚氨酯是一類具有實用價值的阻尼材料[8],是由軟段和硬段組成的嵌段共聚物,在其大分子之間靜電力很強,還有大量氫鍵存在。這些分子間作用力除直接影響力學性能外,還能促進硬段聚集,產生適當的微相分離結構,因而具有較高的tanδ。此外,還可通過調正配比和設計減振結構和形狀來改變減振器結構的剛度和阻尼,增加聚氨酯分子鏈間的摩擦,使損耗因數tanδ提高,以得到在一定的變形方式下和頻率范圍內所需的阻尼性能。

1.2 減振結構設計與工作原理

MEMS矢量水聽器的封裝結構示意圖如圖3所示,當有水下聲信號作用于水聽器的透聲帽時,透聲帽將會通過內部的硅油把相應的聲音信號傳遞給纖毛引起纖毛擺動,由于纖毛粘接在敏感微結構上,從而將感受到的聲信號傳遞給敏感微結構上的壓阻敏感單元,使梁產生應力變化,植入其上的壓敏電阻的電阻值便發生變化,檢測這一變化即可實現水下聲信號的矢量探測[9-11]。敏感微結構如圖4所示。

圖3 矢量水聽器的減振封裝結構示意圖

圖4 敏感微結構示意圖

圖5 軟支座結構示意圖

由于硬支座起著連接敏感微結構和水聽器外殼的關鍵作用,工作時安裝平臺的振動噪聲將經過水聽器外殼傳播至敏感微結構,進而干擾了水聽器對于有用信號的提取。針對這一問題,采用聚氨酯減振橡膠,設計了一種減振核心器件——軟支座(圖5),將現有封裝結構中的硬支座替換為文中設計的軟支座。減振封裝結構由軟支座、連接在軟支座頂部的上底座以及連接在軟支座底部的下底座3部分組成。

根據彈簧減振機理[12],將軟支座設計為環式彈性元件,上下分別為連接單元和支撐單元,中間部分鏤空設計。在彈性體筒壁上設計呈上下層分布的支撐住,兩層之間交叉45°,對應成兩端固定、中間受載的應變梁,提供一定的壓縮量,可緩沖外界工作平臺傳來的機械振動。在應力作用下,該應變梁可簡化成矩形超靜定梁,即緩沖單元和平衡單元作為整體可簡化為由8個超靜定梁組成。根據超靜定梁定義,在受到集中載荷時,超靜定梁的自由端的端部只有移動,沒有轉動,即產生S形變形,能保證水聽器封裝結構的穩定性。

工作時,安裝平臺的振動噪聲將通過外支座向MEMS水聽器內部的敏感微結構傳播。根據上述減振原理,通過調節配比和加工條件,可以增大軟支座的損耗因數,大大增加整個系統的阻尼,噪聲經過軟支座減振結構時,聚氨酯高分子材料的粘彈性將振動能轉化為熱能耗散掉,從而削弱安裝平臺的干擾信號對水聽器內部敏感微結構的影響。

2 減振結構仿真

MEMS矢量水聽器主要依靠檢測植入敏感微結構梁上的壓敏電阻的阻值變化所引起的輸出電壓的變化來獲得所需的聲源信息。因此,引入的減振結構不能削弱敏感微結構梁對于應力的感知能力,否則會降低MEMS矢量水聽器接收信號的能力。

為了驗證分析設計的正確性,進一步優化矢量水聽器的封裝結構,采用有限元分析軟件ANSYS進行靜力分析。分別創建原有硬支座模型和減振軟支座模型,仿真過程中用到的材料屬性參數如表1所示。

表1 材料屬性參數

分析時,在纖毛單側施加1 Pa的聲壓,以比較兩種封裝結構下矢量水聽器敏感微結構梁對有用信號的采集能力。減振軟支座封裝結構的有限元圖如圖6所示,梁上應力如圖7所示。

由圖7比較可知,原有結構和減振結構梁上應力值基本相同,分別約為72 071 Pa和71 499 Pa,說明了減振結構基本不影響矢量水聽器對有用信號的采集,即不影響靈敏度。

圖6 軟支座封裝的有限元圖

圖7 梁上應力仿真結果對比圖

3 實驗測試

3.1 振動臺實驗

對同一只矢量水聽器,先后采用原有封裝結構和本文設計的減振封裝結構進行封裝,如圖8所示。采用傳感器校準系統BK3629及其配套儀器進行測試,如圖9所示。

振動臺提供的振動噪聲模擬水聽器工作時安裝平臺振動產生的噪聲,采用掃頻的方法在固定g值的條件下,測試出兩種封裝結構的頻率響應曲線。受實驗條件限制,測試的最低頻率為25 Hz,測試范圍為25 Hz～2 kHz,測試結果如圖10所示。

圖8 原有封裝結構與減振封裝結構的矢量水聽器

圖9 振動臺測試

圖10 振動臺實驗結果

由測試結果可見,采用軟支座結構進行封裝的水聽器比原有的硬支座封裝形式水聽器輸出幅值減小了大約10倍,表明采用減振封裝結構的水聽器對于安裝平臺的振動噪聲具有明顯的減振效果。

3.2 駐波桶測試

為驗證本文設計的減振封裝結構對于MEMS矢量水聽器的接收靈敏度的影響,分別測試圖8中的采用原有封裝形式和減振封裝形式先后進行封裝的矢量水聽器的接收靈敏度。測試過程在駐波桶校準裝置中進行(圖11),駐波桶標準裝置由鎖相放大器、電子開關、前置放大器、功率放大器、聲源、校準管和垂直回轉裝置組成。

在測試過程中,將待測水聽器和標準水聽器處于水下同一深度,MEMS矢量水聽器的x方向和y方向輸出波形如圖12所示,得到原有封裝結構和減振封裝結構靈敏度對比曲線如圖13所示。

圖13 兩種封裝結構的水聽器接收靈敏度對比曲線

圖11 靈敏度測試

由測試結果可見,原有封裝結構(硬支座矢量水聽器)輸出波形毛刺較多,波形不平滑,說明核心器件以外的安裝平臺振動噪聲較大,而采用本設計的減振封裝結構進行封裝的MEMS矢量水聽器輸出波形清晰平整,說明加入減振器的水聽器對安裝平臺產生的干擾信號進行了衰減處理。而從靈敏度對比曲線可以看出,采用減振封裝結構進行封裝的水聽器的接收靈敏度并未產生顯著下降,這就說明本文設計的減振封裝結構可以在基本不影響水聽器接收靈敏度的前提下有效吸收安裝平臺振動產生的噪聲,減弱外界無用信號干擾,提高了接收到的聲信號的質量,進而改善了MEMS矢量水聽器的適應性。

4 結論

本文在MEMS矢量水聽器的基礎上,設計制作了一種MEMS矢量水聽器用的減振封裝結構,旨在削減矢量水聽器在工程應用中由于安裝平臺等外界噪聲對水聽器的干擾。通過ANSYS仿真,優化現有結構。在現有結構的基礎上增加減振軟支座結構,并通過振動臺實驗和靈敏度測試,表明本優化設計具有可行性,能有效提高水聽器抵抗安裝平臺噪聲干擾的能力,同時基本不影響其接收靈敏度,從而使得MEMS矢量水聽器更能適應水下惡劣的環境。

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Design and Research on MEMS Vector Hydrophone’s Vibration-Isolation Packaging Structure*

GUONan1,2,ZHANGGuojun1,2*,JIANZeming1,2,LIUMengran1,2,ZHANGWendong1,2

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory of Science and Technology on Electronic Test and Measurement,North University of China,Taiyuan 030051,China)

A novel vibration-isolation packaging structure is designed based on the existing structure of MEMS vector hydrophone. It is desirable that this novel structure can isolate the vibration noise caused by working platform and improve the anti-noise ability of hydrophone. This novel structure is made of polyurethane(PU)rubber which is manufactured with a certain proportion. According to the size of existing hydrophone,the geometry dimensions are determined. The hydrophone is fabricated in the form of original packaging structure firstly and then in vibration-isolation packaging structure. The shaking table test and sensitivity test are conducted. The results show that the vibration-isolation packaging structure can effectively isolate the interference signal produced by working platform without affecting the sensitivity of hydrophone obviously.

MEMS vector hydrophone;vibration-isolation;damping material;loss factor;packaging structure

郭 楠(1991-),女,山西陽泉人,碩士研究生,主要從事微納器件研究及傳感器相關結構研究,精密儀器及機械專業,guonan0902@163.com;

張國軍(1977-)副教授,2001年7月畢業于華北工學院自動控制系并留校任教,同年9月被派往清華大學微電子系進修微電子專業。2003年,考取中北大學精密儀器與機械專業研究生,2004.7～2006.7在中國科學院聲學研究所做有關穿孔板結構非線性聲學方面的研究工作,2012年,在西北工業大學攻讀博士,1099963431@qq.com。

項目來源:國家863項目(2013AA09A412);國家自然科學基金項目(61127008);國家自然科學基金項目(51205374)

2014-09-24 修改日期:2014-12-13

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.03.007

TP565.1

A

1004-1699(2015)03-0336-06