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《纖毛式mems矢量水聽器研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在學術論文-天天文庫。
1、西北工業(yè)大學博士學位論文（學位研究生）題目：纖毛式MEMS矢量水聽器研究作者：張國軍學科專業(yè)：聲學指導教師：楊士莪教授2015年4月Title:TheresearchofciliumMEMSvectorhydrophoneByZhangGuo-JunUndertheSupervisionofProfessorYangShi-EADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForth
2、edegreeofDoctorofacousticsXi’anP.R.ChinaApril2015摘要摘要隨著艦船減振降噪技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的聲納探測技術受到前所未有的挑戰(zhàn)，各主要海軍國家紛紛探索基于新效應、新原理、新工藝的新型換能器進行水下聲目標檢測。目前，水下目標檢測手段主要是利用聲壓標量水聽器及其陣列來實現(xiàn)，這時只能獲得聲場的聲壓標量信息，不能獲得水質點的振速、加速度等聲場的矢量信息。另外，對于小尺寸水下武器平臺（如水雷，深水炸彈等），由于自身空間的限制，聲壓水聽器陣在低頻段很難獲得有效陣增益和波束寬度，繼而影響到其探
3、測距離與定位精度。然而，近年發(fā)展起來的矢量水聽器可藉助單個水聽器或較小的陣列實現(xiàn)水下聲目標甚低頻、遠距離探測與定位，因而倍受國內外學者的關注。矢量水聽器按拾振工作原理主要分為同振式、聲壓梯度式、動圈式等，雖然它們各自的工作原理不相同，但都有對于聲信號的檢測具有“8”字型余弦指向性的共同特點。MEMS矢量水聽器是近年來新發(fā)展起來的一款微型水聽器，相對于其它矢量水聽器具有小體積、低成本、剛性安裝等優(yōu)勢，非常適合應用于水下小尺寸武器平臺。然而，當前MEMS矢量水聽器發(fā)展也存在一系列瓶頸問題，如靈敏度低、響應頻帶窄、等效本底噪聲聲
4、壓級高、抗流激噪聲差等。本文針對MEMS矢量水聽器所存在的諸多技術難題開展了一系列攻關研究。針對前期提出的纖毛式MEMS矢量水聽器聲—電轉換微結構，建立了相應力學模型，從數(shù)學上推導出結構應力及共振頻率與微結構幾何尺寸之間解析關系式，依據(jù)公式定性分析出同一種微結構的靈敏度與共振頻率是一對固有矛盾。為解決該矛盾，提出了微結構多重應力集中的方法，目的是通過應力集中將多種不同微結構的優(yōu)勢折衷集中在一種結構上，得到相對于其中某一微結構既提高靈敏度又拓展頻響帶寬的完美結果。同時，提出了纖毛集成低密度小球方案，目的是利用低密度小球來增大
5、聲波的接收面積，大幅提高纖毛式MEMS矢量水聽器的靈敏度，同時微結構的共振頻率也不能降低太多。針對以上多重應力集中微結構和纖毛集成低密度小球兩種微結構分別建立了有限元流固耦合模型，利用ansys仿真軟件，分析并驗證了兩種結構的可行性。針對本文提出的多重應力集中微結構，結構形式復雜且為MEMS非標準加工工藝的難題，開發(fā)出一套完整的MEMS加工工藝流程，重點解決了應力槽刻蝕，壓敏電阻布置，歐姆接觸及前后微結構體硅刻蝕等關鍵工藝。在此基礎上利用L-Edit軟件繪制出光刻掩膜版圖交付加工單位，并成功加工出纖毛式MEMS矢量水聽器芯
6、片。然后，基于專用微系統(tǒng)集成平臺，實現(xiàn)了纖毛與MEMS矢量水聽器芯片的二次集成。針對纖毛式MEMS矢量水聽器芯片應用于水中必須解決其絕緣、耐壓、透聲等封裝問題，提出了將纖毛式MEMS矢量水聽器密封于透聲帽（其中透聲帽中充滿絕緣、傳聲介質油）的封裝方式和“桔瓣式”支撐結構?；谟邢拊抡婧驮囼烌炞C相結合的方法，深入研究透聲帽對纖毛式MEMS矢量水聽器性能的影響。給出了彈性模量越小、I西北工業(yè)大學博士學位論文厚度越薄的材料制作透聲帽對纖毛式MEMS矢量水聽器靈敏度損失越小的結論，雖然透聲帽自身的一階固有頻率也會越低，從而造成纖
7、毛式MEMS矢量水聽器整體頻響曲線變化復雜?！敖郯晔健敝谓Y構則可以有效提高透聲帽的一階固有頻率，同時起到防碰撞效果。針對前期纖毛式MEMS矢量水聽器在海試過程中抗流激噪聲差的問題，設計了微型導流罩，測試表明該微型導流罩雖然對纖毛式MEMS矢量水聽器的靈敏度略有降低（在1kHz以下的低頻最大損失3dB），但對流激噪聲抑制明顯，從而能夠大幅提高纖毛式MEMS矢量水聽器的信噪比。為了減小后續(xù)電路所引起的噪聲，設計了微弱信號提取電路，測試結果表明該板級電路噪聲譜級小于-140dB（80Hz以上）。最后，對纖毛式MEMS矢量水聽器
8、的靈敏度，指向性，量程，抗振動等主要性能進行了室內校準測試，并完成了新安江湖試和青島海試。測試結果表明：多重應力集中的纖毛式MEMS矢量水聽器相對于前期MEMS矢量水聽器靈敏度提高了6~15dB，頻響范圍由20Hz~500Hz拓展到20Hz~1kHz，等效本底噪聲聲壓級降低了10~25dB。所設計的微型
