MEMS矢量水听器减振结构的设计与研究*

郭 楠,张国军*,简泽明,刘梦然,张文栋

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



MEMS矢量水听器减振结构的设计与研究*

郭 楠1,2,张国军1,2*,简泽明1,2,刘梦然1,2,张文栋1,2

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

在MEMS矢量水听器现有结构的基础上,设计出一种新型减振结构,期望利用该封装结构衰减水听器工作时安装平台的振动噪声,削弱安装平台振动对水听器测量精度的影响,提高水听器的抗噪能力。结合理论分析确定减振材料并采用有限元软件进行仿真,对矢量水听器先后采用原有封装结构和减振封装结构进行封装,并通过振动台实验和驻波桶灵敏度测试。测试结果表明:该结构可有效实现对MEMS矢量水听器干扰信号的衰减,同时基本不影响水听器的接收灵敏度。

MEMS矢量水听器;减振;阻尼材料;损耗因数;封装结构

MEMS矢量水听器是一种新型的水声测量设备[1]。水下声源发出声波,这些携带信息的声波连同海洋环境噪声,通过海洋到达矢量水听器或传感器阵,被矢量水听器转换为电信号,对拾取的声场信息进行处理,判断是否存在目标,确定目标的种类、状态参数等数据,从而提供所需要的信息。因此,MEMS矢量水听器具有广泛的应用前景[2]。目前,基于MEMS技术的水听器已趋于成熟化发展[3-4]。但是,由于其工作环境复杂,安装平台多种多样,在实际应用中由于安装平台等外界设备振动会产生噪声(如舰船机械设备振动噪声、螺旋桨振动噪声及水动力噪声等)以及海水中的流噪声都会对水听器敏感探头造成干扰[5],从而影响了水听器的信噪比,成为水听器提取有用信号的屏障,影响矢量水听器的灵敏度,进而限制了水听器性能优化发展,使得矢量水听器在实际的工程应用中存在局限。因此,解决矢量水听器封装结构的振动问题十分必要。针对这一事实,结合减振原理,本文设计了一种减振结构,对现有的MEMS矢量水听器的封装结构进行了合理化改进,目的是在不影响水听器接收灵敏度的前提下实现矢量水听器在工程应用中减少安装平台振动产生的干扰信号。

1 减振封装结构的设计

1.1 理论依据

高分子阻尼材料的减振降噪技术是很普遍的一种处理方法,它通常是将高分子阻尼材料附着在结构件表面,大大提高机械结构阻尼,利用高分子的粘弹性吸收振动能量,并有效地将振动能转化为热能耗散掉,从而达到减振目的[6]。橡胶由于它低的可调正的模量和较高的本征阻尼,大应变下不被破坏和在一定变形方式下承载高负荷的能力等优良特性,在工程技术的很多领域被用来消除振动和噪音[7]。在周期性外力作用下,其应力——应变关系可用复数模量表示如下:

σ=|E*||ε|sin(ωt+δ)

(1)

E*=E′+iE″

(2)

tanδ=E″/E′

(3)

式中:σ为正弦交变应力,E*为复数模量,ε为应变,ω为对试样施加外力的频率,t为时间,δ为应力与应变之间的相位角。E′为储能模量,反映材料变形时能量储存的大小,即回弹能力,E″为损耗模量,反映材料变形时能量损耗的大小。tanδ为损耗因数,反映材料形变过程中损耗能量的能力,因此通常用来表征阻尼材料的阻尼性能。

图1 单自由度振动系统标准模型

(4)

式中ωA为减振器的共振频率,ξ为减振器的阻尼比,ξ=C/C0(C0为临界阻尼)。

在对数坐标上按式(4)可作出图2所示的传递率和频率特性曲线。由图可见,当ω很小时,传递率接近1;当ω=ωA时,出现共振,传递率将达最大值,这时不仅不能减振,而且使外来振幅得到扩大;当ω>1.41ωA时,传递率|η|<1,出现了减振效果,ω越大,减振效果越好。

图2 传递率和频率特性曲线

由此可见,减振器设计时,应力求减小ωA,以扩大减振器的有效减振区。当ω=ωA时代入式(5)后得

(5)

由式(5)可见,tanδ越大,|η|将越小。欲改善减振器在共振区的性能,则应选择高阻尼粘弹材料制成橡胶元件,它可大为改善这一特性。

依据上述原理,采用聚氨酯橡胶作为减振材料。聚氨酯是一类具有实用价值的阻尼材料[8],是由软段和硬段组成的嵌段共聚物,在其大分子之间静电力很强,还有大量氢键存在。这些分子间作用力除直接影响力学性能外,还能促进硬段聚集,产生适当的微相分离结构,因而具有较高的tanδ。此外,还可通过调正配比和设计减振结构和形状来改变减振器结构的刚度和阻尼,增加聚氨酯分子链间的摩擦,使损耗因数tanδ提高,以得到在一定的变形方式下和频率范围内所需的阻尼性能。

1.2 减振结构设计与工作原理

MEMS矢量水听器的封装结构示意图如图3所示,当有水下声信号作用于水听器的透声帽时,透声帽将会通过内部的硅油把相应的声音信号传递给纤毛引起纤毛摆动,由于纤毛粘接在敏感微结构上,从而将感受到的声信号传递给敏感微结构上的压阻敏感单元,使梁产生应力变化,植入其上的压敏电阻的电阻值便发生变化,检测这一变化即可实现水下声信号的矢量探测[9-11]。敏感微结构如图4所示。

图3 矢量水听器的减振封装结构示意图

图4 敏感微结构示意图

图5 软支座结构示意图

由于硬支座起着连接敏感微结构和水听器外壳的关键作用,工作时安装平台的振动噪声将经过水听器外壳传播至敏感微结构,进而干扰了水听器对于有用信号的提取。针对这一问题,采用聚氨酯减振橡胶,设计了一种减振核心器件——软支座(图5),将现有封装结构中的硬支座替换为文中设计的软支座。减振封装结构由软支座、连接在软支座顶部的上底座以及连接在软支座底部的下底座3部分组成。

根据弹簧减振机理[12],将软支座设计为环式弹性元件,上下分别为连接单元和支撑单元,中间部分镂空设计。在弹性体筒壁上设计呈上下层分布的支撑住,两层之间交叉45°,对应成两端固定、中间受载的应变梁,提供一定的压缩量,可缓冲外界工作平台传来的机械振动。在应力作用下,该应变梁可简化成矩形超静定梁,即缓冲单元和平衡单元作为整体可简化为由8个超静定梁组成。根据超静定梁定义,在受到集中载荷时,超静定梁的自由端的端部只有移动,没有转动,即产生S形变形,能保证水听器封装结构的稳定性。

工作时,安装平台的振动噪声将通过外支座向MEMS水听器内部的敏感微结构传播。根据上述减振原理,通过调节配比和加工条件,可以增大软支座的损耗因数,大大增加整个系统的阻尼,噪声经过软支座减振结构时,聚氨酯高分子材料的粘弹性将振动能转化为热能耗散掉,从而削弱安装平台的干扰信号对水听器内部敏感微结构的影响。

2 减振结构仿真

MEMS矢量水听器主要依靠检测植入敏感微结构梁上的压敏电阻的阻值变化所引起的输出电压的变化来获得所需的声源信息。因此,引入的减振结构不能削弱敏感微结构梁对于应力的感知能力,否则会降低MEMS矢量水听器接收信号的能力。

为了验证分析设计的正确性,进一步优化矢量水听器的封装结构,采用有限元分析软件ANSYS进行静力分析。分别创建原有硬支座模型和减振软支座模型,仿真过程中用到的材料属性参数如表1所示。

表1 材料属性参数

分析时,在纤毛单侧施加1 Pa的声压,以比较两种封装结构下矢量水听器敏感微结构梁对有用信号的采集能力。减振软支座封装结构的有限元图如图6所示,梁上应力如图7所示。

由图7比较可知,原有结构和减振结构梁上应力值基本相同,分别约为72 071 Pa和71 499 Pa,说明了减振结构基本不影响矢量水听器对有用信号的采集,即不影响灵敏度。

图6 软支座封装的有限元图

图7 梁上应力仿真结果对比图

3 实验测试

3.1 振动台实验

对同一只矢量水听器,先后采用原有封装结构和本文设计的减振封装结构进行封装,如图8所示。采用传感器校准系统BK3629及其配套仪器进行测试,如图9所示。

振动台提供的振动噪声模拟水听器工作时安装平台振动产生的噪声,采用扫频的方法在固定g值的条件下,测试出两种封装结构的频率响应曲线。受实验条件限制,测试的最低频率为25 Hz,测试范围为25 Hz～2 kHz,测试结果如图10所示。

图8 原有封装结构与减振封装结构的矢量水听器

图9 振动台测试

图10 振动台实验结果

由测试结果可见,采用软支座结构进行封装的水听器比原有的硬支座封装形式水听器输出幅值减小了大约10倍,表明采用减振封装结构的水听器对于安装平台的振动噪声具有明显的减振效果。

3.2 驻波桶测试

为验证本文设计的减振封装结构对于MEMS矢量水听器的接收灵敏度的影响,分别测试图8中的采用原有封装形式和减振封装形式先后进行封装的矢量水听器的接收灵敏度。测试过程在驻波桶校准装置中进行(图11),驻波桶标准装置由锁相放大器、电子开关、前置放大器、功率放大器、声源、校准管和垂直回转装置组成。

在测试过程中,将待测水听器和标准水听器处于水下同一深度,MEMS矢量水听器的x方向和y方向输出波形如图12所示,得到原有封装结构和减振封装结构灵敏度对比曲线如图13所示。

图13 两种封装结构的水听器接收灵敏度对比曲线

图11 灵敏度测试

由测试结果可见,原有封装结构(硬支座矢量水听器)输出波形毛刺较多,波形不平滑,说明核心器件以外的安装平台振动噪声较大,而采用本设计的减振封装结构进行封装的MEMS矢量水听器输出波形清晰平整,说明加入减振器的水听器对安装平台产生的干扰信号进行了衰减处理。而从灵敏度对比曲线可以看出,采用减振封装结构进行封装的水听器的接收灵敏度并未产生显著下降,这就说明本文设计的减振封装结构可以在基本不影响水听器接收灵敏度的前提下有效吸收安装平台振动产生的噪声,减弱外界无用信号干扰,提高了接收到的声信号的质量,进而改善了MEMS矢量水听器的适应性。

4 结论

本文在MEMS矢量水听器的基础上,设计制作了一种MEMS矢量水听器用的减振封装结构,旨在削减矢量水听器在工程应用中由于安装平台等外界噪声对水听器的干扰。通过ANSYS仿真,优化现有结构。在现有结构的基础上增加减振软支座结构,并通过振动台实验和灵敏度测试,表明本优化设计具有可行性,能有效提高水听器抵抗安装平台噪声干扰的能力,同时基本不影响其接收灵敏度,从而使得MEMS矢量水听器更能适应水下恶劣的环境。

[1]许姣,张国军,石归雄,等. 纤毛式矢量水听器新型封装结构的研究[J]. 传感技术学报,2011,24(4):519-520.

[2]Chen Lijie,Yang Shi’e. The Design of Piezoresisive Vector Hydrophone[C]//The 4th International Symposium on Acoustic Engineering and Technology,Harbin. 2005:29-30.

[3]王德俊. 矢量声场与矢量信号处理理论研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学,2004:2-3.

[4]许姣,李俊,张国军,等. 一种新型MEMS矢量水听器的设计[J]. 压电与声光,2012,34(1):90-91.

[5]张国军,陈尚,薛晨阳,等. 纤毛式MEMS矢量水声传感器的放生组装[J]. 纳米技术与精密工程,2009,7(3):224-225.

[6]谭亮红,罗仡科,贺才春,等. 橡胶阻尼材料的阻尼性能研究[J]. 橡胶工业,2008,55:526-528.

[7]王贵一. 橡胶减振器的设计原理和性能测试[J]. 特种橡胶制品,1998,19(6):42-47.

[8]刘细宝,张国军,薛晨阳,等. 矢量水听器的芯片级减震结构的设计[J]. 传感技术学报,2011,24(6):835-838.

[9]Xue CH Y,Tong ZH M,Zhang B Z,et al. A Novel Vector Hydrophone Based on the Piezoresistive Effects of Resonant Tunneling Diode[J]. IEEE Sensors Journal,2008,8(4):401-402.

[10]李振,张国军,薛晨阳,等. MEMS仿生矢量水听器封装结构的设计与研究[J]. 传感技术学报,2013,26(1):25-30.

[11]Zhang W D,Xue CH Y,Xiong J J,et al. Piezoresistive Effects of Resonant Tunneling Structure for Application in Micro-Sensors[J]. Indian Journal of Pure and Applied Physics,2007,45(4):294-298.

[12]于常安,李平,王罗. 三分量应变传感器弹性体结构设计[J]. 传感技术学报,2012,25(3):333-336.

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,山西阳泉人,硕士研究生,主要从事微纳器件研究及传感器相关结构研究,精密仪器及机械专业,guonan0902@163.com;

张国军(1977-)副教授,2001年7月毕业于华北工学院自动控制系并留校任教,同年9月被派往清华大学微电子系进修微电子专业。2003年,考取中北大学精密仪器与机械专业研究生,2004.7～2006.7在中国科学院声学研究所做有关穿孔板结构非线性声学方面的研究工作,2012年,在西北工业大学攻读博士,1099963431@qq.com。

项目来源:国家863项目(2013AA09A412);国家自然科学基金项目(61127008);国家自然科学基金项目(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