标题

第 37 卷 第 期 04 年 4 月 电 子 器 件 Chinese Journal of Electron Devices Vol. 37 摇 No. Apr. 04 The Design of Fly Ormia Ochracea Inspired MEMS Sensor for Sound Localization in Three Dimensions WANG Ruirong * ( Taiyuan Institute of Technology,Department of Electronic Engineering,Taiyuan 030008,China) Abstract:In order to reducing the size of sound localization device, improving the accuracy of measurement., a novel bionic sensor for sound localization in three dimensions was presented. MATLAB was used to simulate the physics model,after that a novel MEMS Sensor for Sound Source Localization in Three Dimensions was designed, ANSYS was utilized to analyse this sensor. From above analysis,the designed sensor has the ability to sensitise the changes of the incidence angle,when the angel of the sound source changes from 90 毅 to 0 毅 and frequency at 44 Hz in XZ plane,the vibration intensity ratio between the two thin slices of the sensor changes from to 3.. The difference in time arrival changes from 0 to 47 滋 s. In YZ plane,vibration intensity ratio changes from to. 85,time difference changes from 0 to 45 滋 s. Key words:micro sensor;3 鄄 D sound localization;fly ormia ochracea;finite 鄄 element analysis EEACC:730M;730J 摇 摇 摇 摇 doi:0. 3969 / j. issn. 005-9490. 04. 0. 00 基 于 奥 米 亚 寄 生 蝇 的 三 维 声 定 位 MEMS 器 件 设 计 * 王 瑞 荣 ( 太 原 工 业 学 院 电 子 工 程 系, 太 原 030008) 摘 摇 要 : 为 进 一 步 减 小 声 定 位 器 件 尺 寸 提 高 测 量 精 度, 我 们 提 出 了 一 种 微 型 仿 生 三 维 声 定 位 传 感 器, 利 用 MALAB 对 该 听 觉 模 型 进 行 了 分 析, 结 合 ANSYS 进 行 了 器 件 的 设 计 与 仿 真 仿 真 结 果 表 明 : 该 传 感 器 很 好 的 实 现 了 耦 合 放 大 机 制, 对 于 44 Hz 的 声 波, 入 射 角 度 在 XZ 平 面 内 从 90 变 化 至 0 时, 振 幅 值 比 从 变 化 至 3., 时 延 从 0 变 化 至 45 滋 s,yz 平 面 内, 振 幅 值 比 从 变 化 至. 85, 时 延 从 0 变 化 至 43 滋 s 关 键 词 : 微 型 传 感 器 ; 三 维 声 定 位 ; 奥 米 亚 寄 生 蝇 ; 有 限 元 分 析 中 图 分 类 号 :TP 摇 摇 摇 摇 文 献 标 识 码 :A 摇 摇 摇 摇 文 章 编 号 :005-9490(04)0-07-06 摇 摇 声 定 位 具 有 不 受 视 线 能 见 度 的 影 响, 在 传 感 检 测 领 域 有 着 广 泛 的 应 用 [] 目 前, 声 定 位 技 术 是 通 过 计 算 声 信 号 到 达 传 感 器 阵 列 之 间 的 时 延, 来 估 算 目 标 方 位, 当 阵 列 间 距 远 小 于 波 长 时, 时 延 过 小, 会 很 难 准 确 测 量 出 目 标 方 位, 需 要 通 过 增 大 阵 列 间 距 和 数 量, 导 致 器 件 繁 重 且 成 本 增 加 [-3] 自 然 界 中 一 些 小 型 动 物, 也 存 在 着 由 于 双 耳 间 距 远 小 于 目 标 波 长 而 产 生 不 匹 配 的 现 象 其 中, 奥 米 亚 寄 生 蝇 的 两 耳 膜 相 隔 仅 4 滋 m ~ 滋 m, 当 声 波 从 耳 膜 的 一 端 传 到 另 一 端 只 需. 53 滋 s 的 时 间, 如 此 短 的 声 压 入 射 时 差, 通 常 情 况 下 根 本 不 足 以 让 动 物 的 方 向 信 息 神 经 编 码 系 统 做 出 可 靠 的 反 应, 但 是 奥 米 亚 寄 生 蝇 却 可 以 [4-6] Oshinsky 等 人 研 究 表 明 奥 米 亚 寄 生 蝇 的 放 大 机 制 依 靠 其 耳 间 的 直 接 耦 合 方 式, 对 达 到 两 耳 间 的 时 延 放 大, 同 时 增 大 两 耳 间 的 振 动 强 度 差, 使 神 经 细 胞 有 足 够 的 时 间 来 敏 感 被 放 大 后 的 激 励 我 们 仿 生 奥 米 亚 寄 生 蝇 的 这 一 耦 合 结 构, 结 合 微 纳 加 工 技 术 [7], 设 计 具 有 微 型 化 高 精 度 低 功 耗 的 三 维 声 定 位 传 感 器, 解 决 目 前 声 定 位 器 件 整 列 化 排 布 臃 肿 角 度 分 辨 率 低 的 缺 点 摇 奥 米 亚 寄 生 蝇 的 耦 合 模 型. 摇 生 物 学 模 型 奥 米 亚 寄 生 蝇 的 听 觉 系 统 位 于 其 前 胸 腹 侧, 两 收 稿 日 期 :03--3 摇 摇 修 改 日 期 :03--

7 第 37 卷 电摇 子摇 器摇 件 片十分显眼的角质薄膜作为其听觉系统的耳膜左右 对称地布置在前胸腹扳上 在它的相对宽大的前胸 驻= dcos( 准) v (3) 腹腔内 [4],有一对听觉器官通过表皮内突分别与两 准 为入射角( -90,90),d 为两耳膜之间的距离,v 为 示) 处产生的变形便通过表皮内突传递到球状听神 对上 式 进 行 LAPLACE 变 换: 其 中 z i ( 0 ) = 0, 块耳膜在耳窝处相连,耳窝 ( 图 A 中的 淤 和 于 所 经上 与此同时,两个耳窝又分别通过两根称为鼓 膜膜间桥( 图 A 中的盂所示) 的角质皮层结构在前 胸的中心枢突处彼此相连 当声音作用到鼓膜时使 鼓膜产生振动,鼓膜膜间桥通过机械耦合作用放大 鼓膜的振动 并且通过与鼓膜相连的表皮内突和球 状听神经传递到寄生蝇的听觉神经 [8-0],其结构如 图 中 A 所示 声速:344 m / s z忆i(0)= 0( i =,) 得到: é z ( s) ù éê D ( s) -N( s) ùú ê ú êë z ( s) úû = P( s) ê -N( s) D ( s) ú ë û 其中,Y ( s) 和 Y ( s) 是 z ( t) z ( t) 的 é f ( s) ù ê ú êë f ( s) úû (4) LAPLACE 变 换 X ( s) 和 X ( s) 为 f i( t,驻) 的 LAPLACE 变换 [6] D ( s)= ms +( c +c ) s+k +k3 D ( s)= ms +( c3 +c ) s+k +k3 N( s)= c3 s+k3 ( 耦合部分) P( s)= D ( s) D ( s) -N ( s) ( 特征函数) 为了简化 等 式, 取 传 递 函 数 H f p ( 棕) = Ae i棕驻 /, H f p ( 棕) = Ae -i棕驻 / 为 耳 膜 在 频 率 为 棕 的 入 射 声 波 p( t) 下的受力 f,f 的转移函数 用 i棕 = s 替换,后代入式(4),既可得到该力学 模型下的频率响应特性 利用 MATLAB 得到其幅值 相位与声源频率之 间的关系 [] : 图 摇 奥米亚寄生蝇听觉结构与物理模型 奥米亚寄生蝇的听觉结构,在无耦合的条件下, 将鼓膜 鼓膜间桥 与鼓膜相连的表皮内突 球 状听神经及听觉器官的质量考虑成两个集中质量 m 和 m,并用弹簧和阻尼与梁相连,将寄生蝇听觉 系统与鼓膜相连的前腹片视为两段刚梁,中间用具 有刚度和阻尼的鼓膜膜间桥相连,得到该耦合结构 其两侧的响应幅值相等 最大相位差仅为 3. 毅,从 图 中可以看出奥米亚寄生蝇的耦合结构实现了对 两耳膜响应幅值的放大和时延的增加,且最大幅度 发生在 6 khz 的同侧耳膜上,正好是奥米亚寄生蝇 寄主-蟋蟀的鸣叫频率 的物理模型 [,7],如图 中 B 所示,该模型由 Miles 提出,通过实验表明,该模型与实际生物结构在频 率 瞬态响应上都具有很高的吻合度. 摇 数学模型的建立 用二阶微分方程对模型进行描述 [-] : éê k +k3 êë k3 式中 k3 ù é z ( t) ù é c +c3 c3 ù é z忆 ( t) ù úê úê ú+ê ú伊 k +k3 úû êë z ( t) úû êë c3 c +c3 úû êë z ( t) úû éê m 0 ùú éê z义 ( t) ùú éê f ( t,驻) ùú êë 0 m úû ê z义( t) ú = ê f ( t,驻 ) ú = f( t,驻) () ë û ë û f i( t,驻)= p i( t,驻) A,i =, () 其中 p ( t,驻) 和 p ( t,驻) 分别为声源信号在身体同 侧与 异 侧 耳 膜 压 强 的 压 强 分 布, A 为 耳 膜 面 积, z ( t) z ( t) 为桥端 处的位移,m 为单元的有效 质量,理想集中在梁的末段,驻 为声波达到两耳的时 间差: 图 摇 幅值和相位随频率变化

摇 第 期 王 瑞 荣 : 基 于 奥 米 亚 寄 生 蝇 的 三 维 声 定 位 MEMS 器 件 设 计 73 耦 合 刚 度 k 3 和 阻 尼 c 3 对 该 耦 合 系 统 也 有 影 响, 取 入 射 波 角 度 为 45 毅, 频 率 为 6 khz, 得 到 两 耳 振 动 幅 值 比 和 相 位 差 与 耦 合 刚 度 和 耦 合 阻 尼 之 间 的 关 系 从 图 3 中 以 及 响 应 的 分 析 数 据 可 以 看 出, 一 般 振 幅 比 处 于 0 ~ 0 之 间, 但 其 存 在 一 峰 值, 在 峰 值 附 近 选 取 合 适 参 数 值 将 使 得 两 侧 振 动 幅 值 产 生 巨 大 的 差 异 对 应 的 曲 线 段 所 示 因 此,k 3 和 c 3 与 耦 合 系 统 工 作 频 率 以 及 响 应 幅 值 之 间 都 有 一 定 的 关 系 因 此 选 择 合 适 的 参 数 使 得 系 统 的 两 阶 模 态 叠 加 而 导 致 同 侧 振 动 被 叠 加 放 大, 异 常 因 叠 加 而 衰 减 为 零 尤 为 重 要, 而 图 中 的 峰 值 点 正 是 这 种 叠 加 效 果 的 极 端 状 况 的 体 现 摇 MEMS 器 件 的 设 计. 摇 器 件 结 构 设 计 为 了 实 现 对 三 维 空 间 的 声 源 定 位, 传 感 器 敏 感 薄 膜 采 用 四 方 阵 分 布, 器 件 由 在 X Y 方 向 上 对 称 分 布 的 四 片 薄 膜 结 构 来 敏 感 入 射 声 波 在 其 表 面 所 产 生 的 压 力, 沿 X 方 向 与 Y 方 向 的 膜 间 距 一 致 折 叠 梁 与 折 叠 梁 模 拟 奥 米 亚 寄 生 蝇 听 觉 系 统 中 的 膜 间 桥 的 作 用, 分 别 对 X 方 向 Y 方 向 的 动 态 响 应 进 行 耦 合, 其 整 体 分 布 如 图 4 所 示 图 3 摇 k 3 c 3 与 相 位 和 振 幅 比 的 关 系 该 耦 合 系 统, 前 两 阶 自 由 振 动 频 率 为 : 棕 = k / m 棕 = (k+k 3 ) / m (5) 对 应 的 阻 尼 比 为 : 孜 = c / ( 棕 m) 孜 = (c+c ) / ( 棕 m) (6) 当 入 射 声 源 频 率 从 0 变 化 至 棕 时 : s / m Z ( 棕 ) 抑 Z ( 棕 ) 抑 棕 (7) 该 频 率 下, 耦 合 系 统 为 一 阶 模 态 振 型, 耳 膜 两 侧 的 振 动 相 位 幅 值 均 相 同, 如 图 中 0 ~ khz 对 应 的 曲 线 段 所 示 当 入 射 声 频 率 为 棕 时, sisin( 棕 驻 ) / m Z ( 棕 ) 抑 -Z ( 棕 ) 抑 (8) 棕 - 棕 + 棕 孜 棕 i 式 中 s 为 拉 普 拉 斯 复 变 量,i 为 虚 数 符 号 两 侧 耳 膜 振 动 方 向 相 反, 幅 值 相 同 当 频 率 介 于 棕 至 棕 时, 同 侧 耳 膜 的 振 动 幅 值 会 应 叠 加 而 增 大, 异 常 则 会 因 叠 加 而 衰 减, 如 图 中 khz ~ 6 khz 图 4 摇 器 件 结 构 模 型. 摇 声 定 位 算 法 如 图 5, 建 立 坐 标 系,o 为 原 点,4 个 薄 膜 分 别 对 应 检 测 点 s s s 3 s 4,P( 兹, 渍 ) 为 空 间 声 源 所 处 的 方 位, 其 中 兹 为 高 度 角, 渍 为 方 位 角 图 5 摇 三 维 声 定 位 坐 标 系 p p p 3 分 别 为 P 在 XY XZ YZ 平 面 内 的 投 影, 通 过 传 感 器 可 测 得 到 达 s s 以 及 s 3 s 4 之 间 的 时 延, 进 而 来 计 算 出 入 射 波 在 XZ 平 面 内 的 入 射 角 : d 茁 = arccos æ ö ç (9) èτ x cø 其 中 d 为 膜 间 距,c 为 空 气 中 声 速,τ x 为 s 3 s 4 之 间 的 时 延 τ y 为 s s 之 间 的 时 延 同 样 计 算 出 入 射 波

74 第 37 卷 电摇 子摇 器摇 件 在 XZ 平面内的入射角: d 琢 = arccos æç ö èτy c ø 然后通过三角公式可计算出方位角: (0) L 表 摇 器件结构与固有频率振形之间的关系 W L / 滋m / 滋m / 滋m 8 5 8 8 8 8 990 440 40 990 阶固有频率尽量接近并且等于工作频率,这样 440 35 990 传感器是面向三维定向设计的,因此框内沿 X 方向 440 30 990 440 3 990 渍 = arctan( 以及高度角: τ c -d ) τ c -d x y () () + ) τx c -d τy c -d 在对奥米亚寄生蝇的耦合结构进行分析时发 兹 = arctan( d 现,膜间桥的刚度与阻尼对耦合系统的响应频率以 及响应幅值有着密切的关系,通过修改传感器折叠 梁总长与宽度可以改变耦合结构刚度与阻尼,使其 通过两阶模态之间的叠加来起到耦合作用,同时本 分布的薄膜的响应应该与框外沿 Y 方向的响应一 致,即 S 与 S 沿同相位运动( 平移状态) 所对应的 频率应与 S3 S4 所对应的频率一致,S 与 S 沿相反 一阶频率 / Hz 二阶频率 / Hz 三阶频率 / Hz 振形 振形 振形 68 89 38 S S 摆动 S S 摆动 S S 摆动 S S 摆动 整体摆动 94 37 46 44 45 38 43 39 338 47 45 46 45 45 S S 摆动 334 S S 摆动 359 39 7 S S 摆动 56 47 48 整体摆动 相位运动( 摆动状态) 所对应的频率应与 S3 S4 沿相 反相位运动所对应的频率一致 这样在某一工作频 率 S 与 S S3 与 S4 才能同时对该频率进行一 二阶 模态的叠加,起到耦合作用,增加时延,放大响应幅 值比 利用 ANSYS 分析折叠梁不同宽度 长度所对应 的固有频率及模态振型,首先修改折叠梁 的总长 度,使沿 Y 方向薄膜的平移与摆动状态所对应的频 率尽量接近,然后修改折叠梁 的长度与宽度,使得 沿 X 方向薄膜的平移状态与摆动频率一致且与 Y 方向的一致 其分析参数如表 所示 表 摇 传感器结构参数 膜厚 滋m 泊松比 0. 3 方形膜宽 0 滋m 折叠梁 长 L 膜间距 0 滋m 折叠梁 宽 W 器件材料 硅 折叠梁 长 L Si 弹性模量. 9伊0 折叠梁 宽 滋m Si 密度 330 g / cm3 摇 摇 通过分析得到器件结构尺寸与响应频率以及振 图 6摇 器件的前三阶模态振形 摇 摇 从图 6 中可以看出一阶模态与三阶模态的振形 一致,沿 X 方向分布的薄膜 s3 s4 与沿 Y 方向分布的 s s 薄膜同时摆动,第 阶模态的振形则是整体的 平移,一 二 三阶固有频率也非常接近,当该器件工 作在 44 Hz 时,能同时激活一 二阶模态的叠加,实 现奥米亚寄生蝇的耦合功能 3摇 器件的仿真分析 利用 ANSYS 对该器件进行瞬态分析,分析器件 对不同入射角的响应,通过分布对 X Y 方向上的一 对薄膜施加具有不同相位差的压强载荷来模拟不同 型之间的对应的关系,如表 所示 入射下 的 激 励, 施 加 的 激 励 表 示 为: Asin ( 仔棕t + 3 滋m,L 取 990 滋m 时能够很好的满足设计条 ( 大多数 汽 车 所 发 出 的 声 音 压 强), 棕 取 值 为 44 通过仿真分析可以得出 L 取 440 滋m,W 取 件 图 6 为该尺寸条件下的前三阶模态阵型 仔棕驻) Asin(仔棕t-仔棕驻),其中 A 为幅值取值为 Pa Hz,驻 为不同入射角度达到两薄膜之间的时间差

摇 第 期 王 瑞 荣 : 基 于 奥 米 亚 寄 生 蝇 的 三 维 声 定 位 MEMS 器 件 设 计 75 对 入 射 角 从 0 变 化 到 90 毅 的 仿 真 数 据 进 行 整 理 得 到 如 图 7 所 示 由 于 其 结 构 特 点 所 限, 最 大 时 延 放 大 倍 数 仅 为 0, 从 而 导 致 其 定 位 误 差 较 大, 同 时 上 海 交 大 的 王 庆 生 塔 [] 娜 等 人 利 用 传 统 的 机 械 结 构 结 合 奥 米 亚 寄 生 蝇 的 耦 合 机 制, 实 现 了 三 维 声 定 位, 但 是 由 于 机 械 加 工 装 配 误 差 导 致 角 度 测 量 误 差 较 大 本 文 利 用 MEMS 加 工 技 术 所 设 计 的 器 件 尺 寸 为 4 mm 伊 4 mm, 可 有 效 解 决 传 统 声 阵 列 所 占 空 间 大 加 工 及 装 配 过 程 引 入 误 差 的 缺 点 同 时 融 合 了 二 维 微 镜 的 设 计 经 验, 将 单 结 构 MEMS 器 件 的 声 定 位 空 间 扩 展 至 三 维 可 有 效 解 决 目 前 声 阵 列 排 布 臃 肿 的 缺 点 4 摇 总 结 图 7 摇 时 延 和 幅 值 比 与 入 射 角 的 关 系 从 图 7 中 可 以 看 出, 随 着 入 射 角 度 的 变 化, 到 达 两 耳 膜 之 间 的 时 延 与 两 耳 膜 之 间 的 振 幅 比 都 明 显 变 化, 对 于 无 耦 合 结 构 的 器 件,0 毅 入 射 角 到 达 两 耳 间 距. 5 mm 的 时 间 差 仅 为 4. 4 滋 s, 幅 值 比 为, 该 传 感 器 通 过 耦 合, 沿 X 方 向 的 时 差 放 大 至 45 滋 s,y 方 向 的 时 差 为 43 滋 s,x 方 向 两 耳 膜 的 振 幅 比 则 被 放 大 3. 倍,Y 方 向 则 被 放 大. 85 倍 图 8 为 45 毅 入 射 角 下 四 薄 膜 上 的 响 应 曲 线 图 8 摇 45 毅 入 射 角 下 的 响 应 曲 线 目 前 对 单 结 构 三 维 声 定 位 器 件 研 究 较 少, 传 统 声 定 位 常 采 用 4 个 及 以 上 的 麦 克 风 阵 列, 为 了 获 得 较 高 测 量 精 度, 阵 列 尺 寸 大 都 在 伊 0 - m 及 以 上 [4] ; Miles R N [4] 等 学 者 提 出 的 仿 生 硅 微 传 感 器 借 鉴 了 奥 米 亚 寄 生 蝇 听 觉 系 统 的 耦 合 结 构, 实 现 了 耦 合 放 大 机 制, 但 对 声 源 方 向 角 的 感 应 仅 限 于 二 维 平 面, 并 未 将 耦 合 放 大 机 制 拓 展 到 三 维 空 间 ;Nobutaka 等 学 者 提 出 的 结 构 虽 然 可 用 于 三 维 空 间 内 感 测 声 源 方 位 [3], 但 论 文 以 奥 米 亚 寄 生 蝇 的 听 觉 系 统 为 仿 生 模 型, 利 用 MATLAB 对 该 生 物 学 模 型 所 对 应 的 力 学 模 型 进 行 了 分 析, 得 到 两 耳 间 幅 值 以 及 相 位 的 影 响, 结 合 MEMS 技 术 设 计 了 具 有 相 同 功 能 的 微 型 三 维 声 定 位 传 感 器, 通 过 ANSYS 仿 真 分 析 得 到, 随 着 声 源 入 射 角 度 的 变 化, 两 薄 膜 间 的 时 延 振 幅 比 都 产 生 了 较 大 的 变 化, 时 延 最 大 达 到 了 45 滋 s, 相 比 于 原 始 时 延 滋 s, 放 大 了. 5 倍 两 耳 间 的 振 幅 比 也 随 着 角 度 的 变 化 幅 值 变 化 也 从 变 化 到 了 3., 表 明 该 传 感 器 实 现 了 一 定 的 耦 合 功 能, 为 研 究 微 型 化 高 精 度 的 声 定 位 传 感 器 提 供 了 一 条 新 的 方 向 参 考 文 献 : [] 摇 塔 娜. 奥 米 亚 寄 生 蝇 听 觉 定 位 机 理 及 其 动 力 学 特 性 研 究 [ D]. 上 海 : 上 海 交 通 大 学. [] Liu Haijun, Luke Currano, Danny Gee, et al. Fly 鄄 Ear Inspired Acoustic Sensors for Gunshot Localization[ J]. Biomimetic Sensor Technologies and Applications,009,73:-0. [3] Lisiewski A P,Liu H J,Yu M. Fly 鄄 Ear Inspired Micro 鄄 Sensor for Source Localization in Two Dimensions [ J]. J Acoust Soc Am, 0,9(5):66-70. [4] Miles R N,Robert D,Hoy R R. Mec 鄄 Hanically Coupled Ears for Directional Hearing in the Parasitoid Fly Ormia Ochracea [ J]. J Acoust Soc Am,995,98(6):3059-3070. [5] Ben J Arthurb, Ronald R Hoy. The Ability of the Parasitoid Fly Ormia Ochracea to Distinguish Sounds in the Vertical Plane[ J]. J Acoust Soc Am,006,0(3):546-549. [6] Murat Akcakaya,Arye Nehorai. Performance Analysis of the Ormia Ochracea 爷 s Coupled Ears[ J]. J Acoust Soc Am,005,4 (4 ): 00-05. [7] 林 忠 华, 胡 国 清, 刘 文 艳, 等. 微 机 电 系 统 的 发 展 及 其 应 用 [ J]. 纳 米 技 术 与 精 密 工 程,004():7-7. [8] An Peng, Yuan Weizheng, Ren Sen. MEMS Biomimetic Acoustic Pressure Gradient Sensitive[ J]. Sensors,009(9):5637-5648. [9] Pie Muller,Danile Roberta. Shot in the Dark:The Silent Quest of a Free 鄄 Flying Phonotactic Flies [ J]. The Journal of Experimental

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