单片集成阵列式MEMS矢量水听器设计与仿真

薛 南，张国军，申 辉，王万军，陈桂英，许 娇

(1.中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051）

单片集成阵列式MEMS矢量水听器设计与仿真

薛 南1，2，张国军1，2，申 辉1，王万军1，2，陈桂英1，许 娇1

(1.中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051）

针对当前对MEMS矢量水听器高可靠性、宽频带的迫切要求，设计了2×2单片集成阵列式MEMS矢量水听器。矢量水听器单片集成阵列化可以提高水听器一致性，大幅度降低水听器的制造成本。在理论分析的基础上，通过Ansys软件完成对阵列微敏感结构机械特性和频率特性的仿真，确定压阻惠斯通电桥的布置及连接方式。对于水听器的研究和应用有重要意义。

MEMS技术;矢量水听器;Ansys仿真

TP565.1

A

0 引言

声呐系统的核心技术是水听器的阵列技术。传统声呐阵列的阵元由标量水听器组成来确定被探测目标的方位，但其阵列孔径较大，直接影响探测精度和距离。同时，声呐设备对水听器阵元一致性要求高，需从大批量水听器中挑选一致性很好的器件组成基阵，直接加大其加工难度和成本［1］。矢量水听器在成阵方面具有明显优势，不但在低频辐射噪声中的指向性很突出，而且矢量水听器基阵体积较小［2］。此外，矢量水听器成阵可以获得比传统的标量水听器成阵更高的阵增益，减小阵列孔径，从而可以探测更远的距离［3］。

传统的矢量水听器阵列多是同振矢量水听器阵列，由多个加速度计组合封装而成，性能指标受制于内部加速度计，且体积较大，很难满足小型化设计要求。MEMS矢量水听器是基于压阻效应，采用仿生学原理，同时把MEMS技术和水声原理相结合制作的一款新型矢量水听器具有体积小、批量制造一致性好、灵敏度高、低频特性好、成本低等优点［4］。

采用MEMS技术可以实现单芯片传感阵列一次集成，其成本低且加工制作方便，尤其适合批量化生产［5］。因此，应用MEMS技术使矢量水听器单片集成阵列化不但可以大幅度降低水听器的制造成本，而且可以使得水听器的一致性更好，对声呐阵列的研究与应用有非常重要的意义。

1 结构设计

本文设计为2×2 MEMS矢量水听器敏感微结构构成传感阵列，梁厚×梁宽×梁长为12μm×120μm×1 200μm，如图1所示。2×2 MEMS矢量水听器敏感微结构包括外框，悬臂梁以及与悬臂梁厚度相同的质量块，4个质量块的中心位置处分别垂直设有直径相同、长相同的仿生柱体。根据仿生原理，4个仿生柱体的密度与水密度相同或相近［6］，同时每根悬臂梁的端部和根部分别通过离子注入形成阻值相等的压敏电阻。

图1 敏感单元微结构阵列Fig.1 Array of sensitivemicro-structure

当有声音信号时，仿生柱体将接收到的声音信号传递给阵列敏感微结构，使悬臂梁发生形变，导致悬臂梁上压敏电阻阻值的改变，从而引起该2×2阵列敏感微结构上惠斯通电桥输出的变化，最终检测出水下声信号。

2 仿真

2.1 静力分析

静力分析是在结构上加载固定不变的载荷，分析结构的位移、应力变化的结果［7］。Ansys中建立有限元模型，对阵列敏感微结构模型的边框及背面施加全约束，在仿生柱体上沿Y方向施加1 Pa载荷。阵列敏感微结构悬臂梁上的应力分布云图如图2(a）所示，由该图可看出最大应力出现在Y悬臂梁的两端。通过提取路径，获得Y悬臂梁上表面x，y，z方向上各点的应力曲线，如图2(b）所示。由图可知，Y悬臂梁上y方向最大应力为4 459.9 Pa，远小于硅的屈服强度7 000 MPa。

图2 应力云图和Y悬臂梁上x、y、z方向应力曲线Fig.2 Stress nephogram and Stress curves in the direction of x、y、z in the y cantilever beam

2.2 横向灵敏度分析

对于矢量水听器来说，横向灵敏度将直接影响矢量水听器的凹点深度。因此，横向灵敏度分析对阵列式MEMS矢量水听器的研制具有重要的意义。为尽量降低阵列式MEMS矢量水听器的横向灵敏度，本文设计的阵列敏感微结构采用中心对称的形式。为检验抑制的效果，对阵列敏感微结构进行有限元仿真。

沿仿生柱体Y方向加载1 Pa载荷，通过提取路径可以得到Y悬臂梁上的正应力和X悬臂梁上的正应力，如图3所示。

图3 Y悬臂梁上的正应力和X悬臂梁上的正应力Fig.3 Normal stress in the y cantilever beam and Normal stress in the x cantilever beam

可以看出，X悬臂梁上正应力曲线远远小于Y方向悬臂梁上纵应力曲线，而且根据X悬臂电阻的对称变化，X方向的输出为0，可以较好地抑制横向效应。由于X、Y悬臂梁对称，仿生柱体在X方向的载荷作用下可得到相同的分析结果。

沿仿生柱体Z方向加载1 Pa载荷，X，Y悬臂梁的位移、应力分布沿梁的中线基本对称。通过Ansys路径分析，获得X，Y悬臂梁上表面x，y，z方向上各点的应力曲线，如图4所示。

图4 X悬臂梁应力曲线图和Y悬臂梁应力曲线图Fig.4 Stress curves in x cantilever beam and stress curves in ycantilever beam

其中，①号线表示该路径上x方向应力，②号线表示该路径上y方向应力，③号线表示该路径上z方向应力。从图4可看出，X，Y悬臂梁上的应力曲线以质量块为中心呈对称分布，即悬臂梁上的电阻是对称变化的，因此X，Y悬臂梁上组成的惠斯通全桥电路输出为0，可以很好抑制Z方向的干扰。

2.3 模态分析

从模态分析的结果中可以得出结构的振动频率和振型，进行模态分析可以使结构设计避免共振或以特定频率进行振动，关系到器件可以使用的频率范围［8］。

阵列敏感微结构1～4阶模态的振型如图5所示。

图5 前4阶模态振型图Fig.5 The first4 ordermodal shapes

模态分析结果如表1所示。

表1 模态分析结果Tab.1 Results ofmodal analysis

由于阵列敏感微结构集成的仿生柱体长度一致，因此从理论上说，阵列敏感微结构4个单元的仿生柱体的共振频率应该相同、振型一致，然而仿真存在的误差性导致各单元的共振频率相差1 Hz左右，因此出现了图5中四单元振型的先后顺序，但不影响结果的分析。从表1可以看出，前8阶频率为四单元阵列敏感微结构工作模态的频率，工作模态以外的其他模态均为干扰运动，前8阶频率和9～10阶的工作频率差距很大，因此可以有效降低交叉耦合。

2.4 谐响应分析

在阵列敏感微结构设计时，可以通过谐响应分析预知敏感微结构的固有频率，克服因共振以及其他的受迫振动给阵列敏感微结构带来的有害结果。图6为阵列式MEMS矢量水听器敏感微结构的谐响应分析结果，横坐标为施加的正弦载荷的频率，纵坐标为悬臂梁上某一点的纵向应力、位移值。由图中仿真结果可以看出，仿生柱体的谐振频率在1 200 Hz，对应的最大纵向应力为900E4 Pa，最大位移为0.95μm。

图6 应力随频率变化曲线和位移随频率变化曲线Fig.6 Stress curves changes with frequency change and displacement curves with frequency change

3 压阻电桥布置及连接

采用Ansys对敏感单元各个悬臂梁上受到的应力进行提取路径仿真分析，可以得到悬臂梁上应力的具体值。压敏电阻布置的原则是使电阻尽量放在应力最大的区域，且该区域应力线性分布［9］。如图7所示，距离梁根部或端部小于80μm的区域内，应力呈非线性变化，尽管此区域的纵向应力最大，但不是压敏电阻的理想布置位置，因此在设计中，压敏电阻放置在距离梁根部或端部80μm处。

图7 Y悬臂梁应力分布图及电阻布置区Fig.7 Stress pattern of y cantilever beam and the area of piezotransistors

图8所示为四单元阵列敏感微结构悬臂梁上电阻连接方式，它由阻值相同的32个压敏电阻连接成2个独立的惠斯通电桥电路。其中R1x～R4x(x=1～4）共16个电阻连接成一个X轴的惠斯通电桥，R5x～R8x(x=1～4）共16个电阻连接成一个Y轴的惠斯通电桥。4个单元悬臂梁上X，Y两路的惠斯通电桥分别采用并联方式，形成检测电路。

图8 阵列敏感微结构电阻布置及连接示意图Fig.8 Arrangement of piezotransistors in the array of sensitive micro-structure and the diagram of connection

从理论上分析，通过设计此惠斯通电桥的连接方式，可以保证当阵列敏感微结构其中某一单元失效或损坏时，阵列敏感微结构仍有输出，且输出值不变，即不影响敏感微结构的整体性能，从而提高了MEMS矢量水听器的可靠性。

4 结语

本文设计了2×2单片集成阵列水听器的敏感微结构，并通过Ansys软件完成对其的仿真分析，包括静力分析、横向灵敏分析、模态分析和谐响应分析。在仿真分析的基础上，确定压敏电阻及压阻惠斯通电桥的布置。单片集成阵列式水听器的设计对于提高MEMS矢量水听器可靠性和拓宽频响范围的研究有非常重要的意义，希望为MEMS矢量水听器的工程化应用奠定基础。

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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

国家863计划资助项目(2011AA040404）;国家自然科学基金资助项目(61127008/F040703）

薛南(1989－）男，硕士研究生，主要从事MEMS水声传感器的研究与应用。