近年來，世界范圍內潛艇數(shù)量不斷增加，先進的安靜型潛艇廣泛應用主、被動降噪技術，低速航行時的輻射噪聲變得越來越低，甚至低于海洋環(huán)境噪聲水平；新興的無人潛航器等水下平臺數(shù)量多、體積小、航速低、噪聲小，未來將大量使用在廣闊海洋中執(zhí)行各種作戰(zhàn)任務，對海上航行船只以及陸地重要設施存在巨大威脅。在水下作戰(zhàn)中，對潛艇的遠距離探測以及潛艇微弱噪聲的識別是至關重要的環(huán)節(jié)，早發(fā)現(xiàn)將極大利于對戰(zhàn)場形勢的把控。目前，潛艇遠距離弱噪聲檢測已成為研究熱點，這對水聽器的低頻探測性能提出了很高的要求。潛艇在運行時發(fā)出的水下聲能大都位于5-200Hz頻段，使得低頻矢量水聽器成為監(jiān)測低頻聲壓和聲速的首要選擇。

當前，很多研究團隊都在進行矢量水聽器的研究。Yildiz等人設計了間距遠小于波長的矢量水聽器陣列；Ma等人報道了一種以v形彎曲梁為質點-彈簧單元的雙軸超薄光纖激光矢量水聽器；Anders Heerford等人介紹了一種可應用于水聽器拖曳式陣列的新型無源光纖水聽器。然而，這些矢量水聽器的體積通常很大，不適合小體積水下平臺搭載應用。W. Moon等人提出了一種帶空氣襯底的MEMS壓電彎曲型水聽器，另外，他們還設計了一種在場效應晶體管的柵極上使用壓電體的微機械水聽器；Xu 等人提出了一種高靈敏度的AlN-on-SOI微機械水聽器。然而，這些MEMS壓電式水聽器是無方向性的，并且由于其是密封膜結構，只能承受較低的靜水壓力，這意味著其工作深度被大大限制。

MEMS壓阻式矢量水聽器具有工作頻率低、檢測體積小等優(yōu)點。另外，由于其敏感單元為開放結構，可承受較高的靜水壓力。受水母聽石結構對超低頻信號響應靈敏的啟發(fā)，本文提出了一種新穎的仿生矢量水聽器（OVH），其核心敏感結構為頂端集成空心球體的仿生纖毛。為了平衡水聽器的靈敏度和共振頻率之間的關系，對纖毛結構進行了優(yōu)化仿真，以獲取最優(yōu)的結構參數(shù)。在確定結構參數(shù)之后，并對不同結構矢量水聽器的應力分布特性做了仿真分析。

此外，也對OVH的抗沖擊性能進行了研究。最后，對OVH進行了精確的制作以及靈敏度標定。實驗結果表明OVH的接收靈敏度高達-202.1 dB@100 Hz(0 dB@1 V/μPa)。在20-200 Hz的頻率范圍內，OVH的平均等效聲壓靈敏度達到-173.8 dB。指向性圖顯示3dB極寬為87°。此外，實驗還證明了OVH在10 MPa靜水壓力下仍能正常工作。這些結果表明，OVH在低頻水聲探測中具有廣闊的應用前景。

圖文展示1：纖毛結構的參數(shù)對諧振頻率和應力的影響分析。

(a) 微結構敏感機理示意圖；(b) 不同纖毛結構參數(shù)對諧振頻率的影響；(c) 不同纖毛結構參數(shù)對梁上最大應力的影響

圖a為OVH對聲音信號敏感的機理示意圖。在該聲電換能器結構中，聲波將介質顆粒的振動傳遞到仿生纖毛結構上中，因此，纖毛結構參數(shù)對水聽器的性能有很大的影響，對纖毛結構進行了全參數(shù)優(yōu)化分析是非常有必要的。圖b為通過模態(tài)分析得到的共振頻率與纖毛各結構參數(shù)的關系，從中可看出，共振頻率隨纖毛半徑、內球半徑的增加而增大，隨纖毛高度、外球半徑的降低而減小。圖c為通過靜力分析得到的梁上最大應力與纖毛各結構參數(shù)的關系，隨著纖毛高度、外球半徑的增加，梁上最大應力顯著增大。這些結果可為纖毛的設計提供理論指導，尋求最優(yōu)結構。

圖文展示2：敏感微結構梁上應力的仿真和比較。

(a) 外部應力沿X方向作用到纖毛上時十字梁上應力分布圖；(b) 不同結構的水聽器梁上應力分布比較

在確定纖毛的微結構參數(shù)之后，沿著X梁的方向對微結構施加一外部載荷，得到整個微結構上的應力分布如上圖a所示?？梢姡瑇方向梁上應力最大的區(qū)域分布在梁的根部附近，y方向的梁上基本無應力產生，從而可以實現(xiàn)聲信號的矢量探測。圖b為不同結構的纖毛式水聽器梁上應力比較圖，相比于之前報道的LVH、CuVH和WIVH，可以看出OVH的最大應力明顯更高，這意味著OVH的靈敏度要高于其他同類型的水聽器。

圖文展示3：OVH十字梁敏感微結構的MEMS工藝流程圖。

十字梁是MEMS水聽器的關鍵部位之一，十字梁上分布著壓敏電阻，梁的尺寸參數(shù)將直接影響水聽器的性能。因此，采用MEMS微納制造工藝來加工十字梁結構，其具體工藝流程如上圖所示。主要步驟包括：1.對SOI片進行雙面熱氧化；2.進行第一次光刻，窗口部分留40nm厚的SiO2；3.硼粒子輕摻雜；4.第二次光刻，硼離子重摻雜；5.移除表面SiO2，退火；6.金屬濺射，第三次光刻，形成歐姆接觸區(qū)域；7.第四次光刻，刻蝕纖毛孔；8.第五次光刻，正面刻蝕梁結構；9.第六次光刻，背面刻蝕，釋放梁結構。

圖文展示4：OVH的實驗測試結果。

(a) 十字梁微結構在顯微鏡下的照片，十字梁、壓敏電阻、金屬線以及纖毛孔清晰可見；(b) 集成到十字梁結構上的聽石狀纖毛； (c) 集成到PCB板和封裝管殼中的芯片；(d) 接收靈敏度-頻率響應曲線；(e) 100 Hz指向性圖，3dB極寬為87°；(f) 10 MPa靜水壓力測量裝置； (g) 經10MPa測試后的聽石狀纖毛結構； (h) 10MPa壓力測試下獲取的數(shù)據(jù)

圖a-c展示了OVH的制造封裝圖。圖a為顯微鏡下的十字梁敏感微結構照片，梁結構懸空，壓敏電阻分布在梁表面。圖b為聽石狀纖毛與十字梁結構集成圖。圖c為封裝好的OVH實物圖。圖d為不同MEMS水聽器的接收靈敏度-頻率響應曲線圖?？梢杂嬎愕玫?，在測量范圍內，OVH的平均等效聲壓靈敏度達到了-173.8 dB (0 dB@1 V/μPa)，該靈敏度相比于LVH、CuVH和WIVH，分別增加了3.2dB、7.5dB和13.6dB。圖e為100 Hz時OVH的指向性圖，呈現(xiàn)出典型的余弦指向性，3 dB極寬為87°。圖f-h為對OVH進行的耐靜水壓力測試，在對OVH施加10MPa的靜水壓力后，聽石狀纖毛微結構形狀并未改變（圖g），且從OVH的輸出信號中可清晰地分辨出施加在打壓桶壁上的敲擊信號，驗證了OVH在10MPa水壓力下工作的可行性。