單片集成陣列式MEMS矢量水聽器設計與仿真

薛 南，張國軍，申 輝，王萬軍，陳桂英，許 嬌

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

單片集成陣列式MEMS矢量水聽器設計與仿真

薛 南1，2，張國軍1，2，申 輝1，王萬軍1，2，陳桂英1，許 嬌1

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

針對當前對MEMS矢量水聽器高可靠性、寬頻帶的迫切要求，設計了2×2單片集成陣列式MEMS矢量水聽器。矢量水聽器單片集成陣列化可以提高水聽器一致性，大幅度降低水聽器的制造成本。在理論分析的基礎上，通過Ansys軟件完成對陣列微敏感結構機械特性和頻率特性的仿真，確定壓阻惠斯通電橋的布置及連接方式。對于水聽器的研究和應用有重要意義。

MEMS技術;矢量水聽器;Ansys仿真

TP565.1

A

0 引言

聲吶系統的核心技術是水聽器的陣列技術。傳統聲吶陣列的陣元由標量水聽器組成來確定被探測目標的方位，但其陣列孔徑較大，直接影響探測精度和距離。同時，聲吶設備對水聽器陣元一致性要求高，需從大批量水聽器中挑選一致性很好的器件組成基陣，直接加大其加工難度和成本［1］。矢量水聽器在成陣方面具有明顯優勢，不但在低頻輻射噪聲中的指向性很突出，而且矢量水聽器基陣體積較小［2］。此外，矢量水聽器成陣可以獲得比傳統的標量水聽器成陣更高的陣增益，減小陣列孔徑，從而可以探測更遠的距離［3］。

傳統的矢量水聽器陣列多是同振矢量水聽器陣列，由多個加速度計組合封裝而成，性能指標受制于內部加速度計，且體積較大，很難滿足小型化設計要求。MEMS矢量水聽器是基于壓阻效應，采用仿生學原理，同時把MEMS技術和水聲原理相結合制作的一款新型矢量水聽器具有體積小、批量制造一致性好、靈敏度高、低頻特性好、成本低等優點［4］。

采用MEMS技術可以實現單芯片傳感陣列一次集成，其成本低且加工制作方便，尤其適合批量化生產［5］。因此，應用MEMS技術使矢量水聽器單片集成陣列化不但可以大幅度降低水聽器的制造成本，而且可以使得水聽器的一致性更好，對聲吶陣列的研究與應用有非常重要的意義。

1 結構設計

本文設計為2×2 MEMS矢量水聽器敏感微結構構成傳感陣列，梁厚×梁寬×梁長為12μm×120μm×1 200μm，如圖1所示。2×2 MEMS矢量水聽器敏感微結構包括外框，懸臂梁以及與懸臂梁厚度相同的質量塊，4個質量塊的中心位置處分別垂直設有直徑相同、長相同的仿生柱體。根據仿生原理，4個仿生柱體的密度與水密度相同或相近［6］，同時每根懸臂梁的端部和根部分別通過離子注入形成阻值相等的壓敏電阻。

圖1 敏感單元微結構陣列Fig.1 Array of sensitivemicro-structure

當有聲音信號時，仿生柱體將接收到的聲音信號傳遞給陣列敏感微結構，使懸臂梁發生形變，導致懸臂梁上壓敏電阻阻值的改變，從而引起該2×2陣列敏感微結構上惠斯通電橋輸出的變化，最終檢測出水下聲信號。

2 仿真

2.1 靜力分析

靜力分析是在結構上加載固定不變的載荷，分析結構的位移、應力變化的結果［7］。Ansys中建立有限元模型，對陣列敏感微結構模型的邊框及背面施加全約束，在仿生柱體上沿Y方向施加1 Pa載荷。陣列敏感微結構懸臂梁上的應力分布云圖如圖2(a）所示，由該圖可看出最大應力出現在Y懸臂梁的兩端。通過提取路徑，獲得Y懸臂梁上表面x，y，z方向上各點的應力曲線，如圖2(b）所示。由圖可知，Y懸臂梁上y方向最大應力為4 459.9 Pa，遠小于硅的屈服強度7 000 MPa。

圖2 應力云圖和Y懸臂梁上x、y、z方向應力曲線Fig.2 Stress nephogram and Stress curves in the direction of x、y、z in the y cantilever beam

2.2 橫向靈敏度分析

對于矢量水聽器來說，橫向靈敏度將直接影響矢量水聽器的凹點深度。因此，橫向靈敏度分析對陣列式MEMS矢量水聽器的研制具有重要的意義。為盡量降低陣列式MEMS矢量水聽器的橫向靈敏度，本文設計的陣列敏感微結構采用中心對稱的形式。為檢驗抑制的效果，對陣列敏感微結構進行有限元仿真。

沿仿生柱體Y方向加載1 Pa載荷，通過提取路徑可以得到Y懸臂梁上的正應力和X懸臂梁上的正應力，如圖3所示。

圖3 Y懸臂梁上的正應力和X懸臂梁上的正應力Fig.3 Normal stress in the y cantilever beam and Normal stress in the x cantilever beam

可以看出，X懸臂梁上正應力曲線遠遠小于Y方向懸臂梁上縱應力曲線，而且根據X懸臂電阻的對稱變化，X方向的輸出為0，可以較好地抑制橫向效應。由于X、Y懸臂梁對稱，仿生柱體在X方向的載荷作用下可得到相同的分析結果。

沿仿生柱體Z方向加載1 Pa載荷，X，Y懸臂梁的位移、應力分布沿梁的中線基本對稱。通過Ansys路徑分析，獲得X，Y懸臂梁上表面x，y，z方向上各點的應力曲線，如圖4所示。

圖4 X懸臂梁應力曲線圖和Y懸臂梁應力曲線圖Fig.4 Stress curves in x cantilever beam and stress curves in ycantilever beam

其中，①號線表示該路徑上x方向應力，②號線表示該路徑上y方向應力，③號線表示該路徑上z方向應力。從圖4可看出，X，Y懸臂梁上的應力曲線以質量塊為中心呈對稱分布，即懸臂梁上的電阻是對稱變化的，因此X，Y懸臂梁上組成的惠斯通全橋電路輸出為0，可以很好抑制Z方向的干擾。

2.3 模態分析

從模態分析的結果中可以得出結構的振動頻率和振型，進行模態分析可以使結構設計避免共振或以特定頻率進行振動，關系到器件可以使用的頻率范圍［8］。

陣列敏感微結構1～4階模態的振型如圖5所示。

圖5 前4階模態振型圖Fig.5 The first4 ordermodal shapes

模態分析結果如表1所示。

表1 模態分析結果Tab.1 Results ofmodal analysis

由于陣列敏感微結構集成的仿生柱體長度一致，因此從理論上說，陣列敏感微結構4個單元的仿生柱體的共振頻率應該相同、振型一致，然而仿真存在的誤差性導致各單元的共振頻率相差1 Hz左右，因此出現了圖5中四單元振型的先后順序，但不影響結果的分析。從表1可以看出，前8階頻率為四單元陣列敏感微結構工作模態的頻率，工作模態以外的其他模態均為干擾運動，前8階頻率和9～10階的工作頻率差距很大，因此可以有效降低交叉耦合。

2.4 諧響應分析

在陣列敏感微結構設計時，可以通過諧響應分析預知敏感微結構的固有頻率，克服因共振以及其他的受迫振動給陣列敏感微結構帶來的有害結果。圖6為陣列式MEMS矢量水聽器敏感微結構的諧響應分析結果，橫坐標為施加的正弦載荷的頻率，縱坐標為懸臂梁上某一點的縱向應力、位移值。由圖中仿真結果可以看出，仿生柱體的諧振頻率在1 200 Hz，對應的最大縱向應力為900E4 Pa，最大位移為0.95μm。

圖6 應力隨頻率變化曲線和位移隨頻率變化曲線Fig.6 Stress curves changes with frequency change and displacement curves with frequency change

3 壓阻電橋布置及連接

采用Ansys對敏感單元各個懸臂梁上受到的應力進行提取路徑仿真分析，可以得到懸臂梁上應力的具體值。壓敏電阻布置的原則是使電阻盡量放在應力最大的區域，且該區域應力線性分布［9］。如圖7所示，距離梁根部或端部小于80μm的區域內，應力呈非線性變化，盡管此區域的縱向應力最大，但不是壓敏電阻的理想布置位置，因此在設計中，壓敏電阻放置在距離梁根部或端部80μm處。

圖7 Y懸臂梁應力分布圖及電阻布置區Fig.7 Stress pattern of y cantilever beam and the area of piezotransistors

圖8所示為四單元陣列敏感微結構懸臂梁上電阻連接方式，它由阻值相同的32個壓敏電阻連接成2個獨立的惠斯通電橋電路。其中R1x～R4x(x=1～4）共16個電阻連接成一個X軸的惠斯通電橋，R5x～R8x(x=1～4）共16個電阻連接成一個Y軸的惠斯通電橋。4個單元懸臂梁上X，Y兩路的惠斯通電橋分別采用并聯方式，形成檢測電路。

圖8 陣列敏感微結構電阻布置及連接示意圖Fig.8 Arrangement of piezotransistors in the array of sensitive micro-structure and the diagram of connection

從理論上分析，通過設計此惠斯通電橋的連接方式，可以保證當陣列敏感微結構其中某一單元失效或損壞時，陣列敏感微結構仍有輸出，且輸出值不變，即不影響敏感微結構的整體性能，從而提高了MEMS矢量水聽器的可靠性。

4 結語

本文設計了2×2單片集成陣列水聽器的敏感微結構，并通過Ansys軟件完成對其的仿真分析，包括靜力分析、橫向靈敏分析、模態分析和諧響應分析。在仿真分析的基礎上，確定壓敏電阻及壓阻惠斯通電橋的布置。單片集成陣列式水聽器的設計對于提高MEMS矢量水聽器可靠性和拓寬頻響范圍的研究有非常重要的意義，希望為MEMS矢量水聽器的工程化應用奠定基礎。

［1］HAWKESM，NEHORAI A.Acoustic vector-sensor beamforming and capon direction estimation［J］.IEEE Trans.Signal Processing，1998，46(9）:1291 －2304.

［2］SHEHUROV V.A.The interactlon of enegry flows of underwater ambientnoise and local source［J］.A.S.A.1991，90(4）:1002－1004.

［3］孫貴青，李啟虎，楊秀庭，等.新型光纖水聽器與矢量水聽器［J］.物理，2006，35(8）:650 －653.

SUN Gui-qing，LI Qi-hu，YANG Xiu-ting，et al.A novel fiber optic hydrophone and vector hydrophone［J］.Physics，2006，35(8）:650 －653.

［4］賈志富.三維同振球型矢量水聽器的特性及其結構設計［J］.應用聲學，2001，20(4）:18－19.

JIA Zhi-fu.Design and characteristics of resonant－ sphere type three-dimensional vector hydrophone［J］.Applied Acoustics，2001，20(4）:18 －19.

［5］陳尚，薛晨陽，張斌珍，等.一種新型的MEMS單矢量水聽器研究［J］.兵工學報，2008，29(6）:674 －676.

CHEN Shang，XUE Chen-yang，ZHANG Bin-zhen，et al.A novel MEMS single vector hydrophone［J］.Acta Armamentarll，2008，29(6）:674 － 676.

［6］沈桂芬，張宏慶，韓宇，等.微機電系統的研究與分析［J］.傳感技術學報，2004，3(1）:168 －171.

SHEN Gui-fen，ZHANG Hong-qing，HAN Yu，et al.Research and analogy of MEMS［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2004，3(1）:168 －171.

［7］XUE C Y，CHEN S，ZHANG W D.Design，fabrication，and preliminary characterization of a novel MEMS bionic vector hydrophone［J］.Microelectronics，2007，38:1021－1026.

［8］周長城，胡仁喜，熊文波.ANSYS11.0基礎與典型范例［M］.北京:電子工業出版社，2007:332－356.

［9］陳尚.硅微仿生矢量水聽器研究［D］.太原:中北大學，2008.

CHEN Shang.Research ofMEMSbionic vector hydrophone based on silicon［D］.Taiyuan:North University of China，2008.

Design and simulation of array type MEMS vector hydrophone on a chip

XUE Nan1，2，ZHANG Guo-jun1，2，SHEN Hui1，WANGWan-jun1，2，CHEN Gui-ying1，XU Jiao1
(1.North University of China Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China;2.North University of China，Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measuremet.Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

Aiming at the urgent demand of higher reliability and wider frequency band of MEMS vector hydrophone，a kind of 2×2 array type MEMS vector hydrophone on a chip is designed，which can improve consistency of hydrophone and decrease themanufacturing cost.On the basis of theoretical analysis，this paper simulates the sensitivemicro-structure'mechanical characteristic and frequency characteristic by ANSYS.The arrangement of piezoresistive wheatstone bridge and its connection mode are confirmed.It is meaningful for the study on hydrophone and its applications.

MEMS technology;vector hydrophone;Ansys simulation

1672－7649(2014）04－0078－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.015

2013－05－28;

2013－06－27

國家863計劃資助項目(2011AA040404）;國家自然科學基金資助項目(61127008/F040703）

薛南(1989－）男，碩士研究生，主要從事MEMS水聲傳感器的研究與應用。