四元陣型MEMS矢量水聽器微結構設計*

郭　靜，張國軍*，劉　源，王續博，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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四元陣型MEMS矢量水聽器微結構設計*

郭靜1，2，張國軍1，2*，劉源1，王續博1，張文棟1

（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）

摘要：針對當前的MEMS矢量水聽器存在左右舷模糊問題，提出了一種四元陣型MEMS矢量水聽器微結構。首先，從理論上分析了當前的MEMS矢量水聽器左右舷模糊問題，從而提出了可消除左右舷模糊的四元陣型MEMS矢量水聽器微結構。其次，對四元陣型MEMS矢量水聽器微結構進行有限元仿真，聲源方向可以通過分析各陣元應力分布情況而唯一確定。最后，通過駐波聲場試驗驗證其可行性，結果表明，該微結構可實現左右舷分辨，有效消除左右舷模糊。

關鍵詞：MEMS；左右舷模糊；Ansys；矢量水聽器

矢量水聽器作為一種能夠時間同步、空間共點測得水下聲場矢量信息的傳感器［1］，在海洋工程和海洋開發中有著廣泛的應用前景。目前，有很多關于矢量水聽器技術的研究，具有代表性的是美國Benjamin利用T356B08型加速度計采用部分集成電路工藝制作矢量水聲傳感器［2］。1996年，Howard K，Rockstad T，Kenny W等人利用MEMS技術和電子原理制作出了8 cm3的微型聲速度傳感器［3］。美國波士頓大學研制的水下聲場傳感器［4］，通過檢測反射的激光束可檢測聲場變化。然而，在水聽器實際應用中，克服左右舷模糊是矢量水聽器研制的關鍵技術之一。

其中，基于MEMS技術研制的矢量水聽器正逐漸向微型化、集成化發展［5］，并已經可以進行目標定向功能，例如專利號為200610012991.0的中國發明專利公開的一種“共振隧穿仿生矢量水聲傳感器”，實現了對水下聲信號二維平面內方位的探測［6-7］。但是，隨著對該水聽器研究的進一步深入，該水聽器同樣存在左右舷模糊等問題［8-10］。具有實時左右舷分辨能力的三類主要拖線陣聲納分別是拖曳多線陣multiline、三元組水聽器拖曳單線陣tripletarray和聲矢量傳感器拖曳單線陣［11-13］。它能有效地實現左右舷分辨，但也存在著缺點：物理尺寸較大，開發費用高，以及對安裝精度要求高等［14］。

針對上述問題，本文以單個MEMS矢量水聽器微結構為基礎，提出了一種四元陣型MEMS矢量水聽器微結構。利用該微結構制作的矢量水聽器工作時相當于四只單矢量水聽器同時從四個不同方向獲取矢量信息，可以通過數據融合技術對獲取的矢量冗余信息從決策級和數據級的融合層次進行融合處理，對聲源目標的方位進行估計，從而可消除MEMS矢量水聽器對方位信息的敏感性，有效解決左右舷模糊問題。

1　四元陣型MEMS矢量水聽器微結構設計

1.1MEMS矢量水聽器工作原理

文獻［11］提出了一種“纖毛式MEMS矢量水聲傳感器”，該矢量水聽器微結構如下圖1所示。

圖1　纖毛式矢量水聽器微結構示意圖

仿生纖毛模仿生物的可動纖毛，固定于四懸臂梁中心位置。壓敏電阻模仿生物的感覺細胞，位于懸臂梁的應力集中處。MEMS仿生矢量水聽器在應用于聲信號探測時，滿足遠場條件，聲波近似為沿平面波傳播。在均勻介質中，平面波聲壓方程可表示為［15］：

振速方程可表示為［15］：

式中，k=ω/c是波矢量，方向為聲波傳播的方向，ω是聲波的角頻率，c是介質的聲速；φ為入射聲波仰角，取值范圍為[] -π/2,π/2；θ為入射聲波水平方位角，取值范圍為[0,2π]；ρ0為介質密度。矢量水聽器探測聲信號模型如圖2所示。

圖2　波矢量在直角坐標系中分量

上式表明，平面波的聲壓與質點振速分量之間僅差一個常數，即波阻抗ρ0c，兩者的波形則是一樣的，因而對平面波來說，聲壓與振速是完全相關的。

由式（2）可得平面波內質點振速的兩個分量：

因此入射聲波水平面方位角：

因此，只要測得質點振速在水平面內的二個分量vx,vy，就可以得到聲源在水平面內的方位角θ，從而實現水下聲信號的探測。

1.2左右舷模糊

MEMS矢量水聽器仿生微結構包括兩部分：高精度四梁-中心連接體微結構和剛硬塑料柱體。其中，高精度懸臂梁上分布壓敏電阻，并構成兩路全橋電路，如下圖所示。水下聲音信號在傳播過程中會引起剛硬塑料柱體偏斜，從而產生對高精度懸臂梁的不對稱應力，則可以通過梁上壓敏電阻實現水下聲音信號的探測。

圖3　仿生微結構上壓敏電阻排布圖

圖4　壓敏電阻電橋連接示意圖

根據微結構的力學模型［16-17］，當分別從X軸的正方向和負方向上加載相同的應力時，X軸向梁結構受到應力分別為：

式中，FH=mg，m是仿生纖毛質量，L、b、t分別是懸臂梁的長、寬及厚，2 a是中心質量塊邊長，M中心質量塊彎矩。由以上分析可知，相對的兩個方向的應力使得梁上的應力分布相等。壓敏電阻布置在梁上應力敏感區，以壓敏電阻受到應力后值的變化來反應梁結構上應力的變化。

MEMS量水聽器微結構中的P型壓敏電阻的變化率［18］：

在微結構的設計過程中，盡可能利用縱向效應而抑制橫向效應，因此σt非常小可以忽略，于是有壓敏電阻變化率：

Ax電橋的輸出電壓表達式為：

這時，R1=R2=R3=R4=R，ΔR1=ΔR2=ΔR3= ΔR4=ΔR。式（10）能夠近似表示為：

所以，從x軸的正方向和負方向上加載相同的應力時，電阻變化率相等，輸出電壓一致，水聽器微結構無法判斷兩個方向，存在左右舷模糊問題。

1.3四元陣型微結構設計

針對上述問題可采用陣列式水聲傳感器來消除左右舷模糊。水聽器敏感微結構陣元數目的選擇應從系統可靠性和資源的合理分配、系統成本、系統體積和加工條件四個方面考慮［19］。陣列傳感器的陣元數越多，陣列的分辨力越強，測向精度越高，但研制成本和對硬件設備等的要求也會提高［20-21］。綜合考慮以上因素，本文基于2×2面陣提出一種四元陣型MEMS矢量水聽器微結構。結合MEMS水聽器的矢量性及兩路信號的對稱性，設計四陣元相對于正方形襯底之間的角度分別為0°、30°、45°和60°（如圖5所示）。

圖5　四元陣型MEMS矢量水聽器微結構

該結構包括正方形襯底，正方形襯底上刻蝕有四個十字形懸臂梁，每個十字形懸臂梁中心固定有微型柱狀體，十字形懸臂梁的梁臂上設有壓敏電阻，陣列微結構上壓敏電阻的排布圖及惠斯通全橋差動電路原理圖如圖6、圖7所示。

圖6　陣列微結構上壓敏電阻的排布圖

圖7　惠斯通全橋差動電路原理圖

MEMS四元陣型矢量水聽器接收信號示意圖如圖8所示。

圖8　陣列微結構接收信號示意圖

假定絕對坐標系XOY第一象限下有一聲源目標，矢量水聽器微結構的四個陣元感知到聲信號后，將會在各自的相對坐標系下產生兩個角度：X1OY1為θ1(ω)與θ1′(ω)，X2OY2為θ2(ω)與θ2′(ω)，X3OY3為θ3(ω)與θ3′(ω)，X4OY4為θ4(ω)與θ4′(ω)。由此可以看出單獨依靠任何一個陣元都無法確定聲源位置，即存在左右舷模糊，與理論分析結果一致。然而將4個陣元結合起來，沿角度θ1(ω)、θ2(ω)、θ3(ω)、θ4(ω)方向上將在絕對坐標系XOY下產生一個交點S，連接該交點S與絕對坐標系XOY的原點產生角度θ^(ω)，即聲源位置，對于其他角度的組合方式都無法交于一點，因此消除了在左右舷模糊問題。

2　有限元仿真

為驗證本論文中微結構設計的合理性，采用ANSYS軟件對該微結構進行靜力仿真。沿絕對坐標系中X方向在纖毛柱體外表面上施加1 Pa的壓力外載荷，以模仿聲壓作用在仿生纖毛柱體上的情況，通過分析各陣元懸臂梁受力情況來確定聲源方向并驗證該微結構具有左右舷分辨能力。通過靜力分析得到了四元陣型微結構在該作用力下的應力云圖，如圖9所示。

設定沿絕對坐標系第一到第四象限中十字形懸臂梁結構分別為陣元二、陣元三、陣元四和陣元一。分析應力云圖分布，并對各陣元中梁結構定義路徑，得出應力曲線如圖10所示。

圖9　四元微結構靜力仿真應力云圖

圖10　各陣元梁結構應力曲線

在上述路徑分析結果中，梁上應力基本呈線性分布且梁兩端上的應力最大，但在梁根部受結構設計影響有跳動，在布置壓敏電阻時應該避開該區域。因此梁上的壓敏電阻應布置在線性區域內。獲得各陣元梁結構應力曲線中壓敏電阻布置區所受應力平均值，如下表1所示。

表1　梁結構應力分布

則根據MEMS矢量水聽器工作原理，推算等效信號輸入角度Θ表達式：

式中，Vx、Vy分別為矢量水聽器X路和Y路的輸出電壓值；x1、x2和y1、y2分別為水聽器微結構懸臂梁在X方向和Y方向的應力。由上式可得各陣元等效換算角度在相對坐標系中分別為0°、30°、45°和60°。上述四個角度在絕對坐標系中的共同指向為0°，從而可推算出聲源入射方向為沿絕對坐標系中X方向。

3　駐波聲場試驗

為驗證微結構的有效性，對同一支單MEMS矢量水聽器在駐波聲場中進行不同放置角度的試驗測量。矢量水聽器校準裝置上安裝有可精確控制水聽器旋轉角度的旋鈕，其精度為（1/30）°。首先單只水聽器在駐波聲場中旋轉一周，測得X、Y路輸出電壓最大值和最小值分別為1 930 mV、36 mV、1 910 mV、32 mV。然后將水聽器調至X路接收信號最大方向開始進行測量，且以該角度為第四象限陣元測量值，隨后對該支水聽器分別旋轉30°、45°、60°進行測量。測得的接收信號幅值如表2所示。

表2　梁結構應力分布

由公式（12）可得各陣元等效換算角度在相對坐標系中的測量值分別為0.95°、28.47°、43.06°和60.32°。由于在實際測量中，水聽器接收信號由X最大方向開始旋轉測得，因此上述測量值的修正值應分別為0°、30°、45°和60°。經計算，各陣元最大誤差為5.1%，四個陣元數據融合后誤差為4.3%＜5%［22-24］。因此，在誤差允許范圍內，上述四個角度在絕對坐標系中的指向為0°，試驗值與仿真結果一致。

4　結論

本文提出一種新型四元陣型MEMS矢量水聽器微結構。利用該微結構制作的矢量水聽器工作時相當于四只單矢量水聽器同時從4個不同方向獲取矢量信息，且采用MEMS工藝一次成型，極大地縮小了陣列尺寸。經仿真與試驗驗證，該微結構與現有單矢量水聽器相比可有效地消除左右舷模糊問題。不足之處，論文中僅對四陣元微結構的定向進行了初步分析，若要計算任意角度及其精度，需后續的數據融合算法進一步研究。

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郭　靜（1989-），女，碩士研究生，山西省長治人，主要研究方向為MEMS器件及電路設計；

張文棟（1962-），男，教授，博士生導師，“杰出青年基金”獲得者。發表學術論文190余篇（SCI、EI收錄80余篇）。

張國軍（1977-），男，副教授。2015年，獲得西北工業大學博士學位，師從著名水聲專家楊士莪院士。發表學術論文12篇，其中被SCI收錄5篇，EI期刊收錄6篇。研究方向為微型機電系統（MEMS）及水聲工程，zhangguojun1977@nuc.edu.cn；

Design of Four-Element Array MEMS Vector Hydrophone*

GUO Jing1，2，ZHANG Guojun1，2*，LIU Yuan1，WANG Xubo1，ZHANG Wendong1
（1.Key Laboratory of instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China；2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract：To solve the existence problem of port/starboard blur when using single MEMS vector hydrophone，a new four-element array MEMS vector hydrophone microstructure has been presented.Firstly，the cause of port/starboard blur of the current MEMS vector hydrophone was analyzed theoretically and a novel four-element array microstruc?ture was proposed，which can solve the problem of port/starboard blur.Secondly，the function of novel microstruc?ture was verified through finite element method，which shown that the direction of sound source could be ascer?tained accurately.Finally，environmental test wasdone using the standing wave tube，and the results show that the four-element array microstructure can help to deal with the challenging of port/starboard blur.

Key words：MEMS；port/starboard blur；Ansys；vector hydrophone

doi：EEACC：2575D10.3969/j.issn.1004-1699.2016.02.004

收稿日期：2015-03-03修改日期：2015-11-24

中圖分類號：TB565.1

文獻標識碼：A

文章編號：1004-1699（2016）02-0171-06

項目來源：應用于海底長期觀測網的納機電矢量水聽器項目(2013AA09A412)；基于納機電矢量水聽器面陣的水下目標成像機理技術研究項目(61127008/F040703)