纖毛式mems矢量水聽器研究

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1、西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文（學(xué)位研究生）題目：纖毛式MEMS矢量水聽器研究作者：張國軍學(xué)科專業(yè)：聲學(xué)指導(dǎo)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(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的聲納探測技術(shù)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(yīng)、新原理、新工藝的新型換能器進(jìn)行水下聲目標(biāo)檢測。目前，水下目標(biāo)檢測手段主要是利用聲壓標(biāo)量水聽器及其陣列來實(shí)現(xiàn)，這時(shí)只能獲得聲場的聲壓標(biāo)量信息，不能獲得水質(zhì)點(diǎn)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(gè)水聽器或較小的陣列實(shí)現(xiàn)水下聲目標(biāo)甚低頻、遠(yuǎn)距離探測與定位，因而倍受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)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(diǎn)。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(yīng)用于水下小尺寸武器平臺。然而，當(dāng)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(yīng)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(shù)難題開展了一系列攻關(guān)研究。針對前期提出的纖毛式MEMS矢量水聽器聲—電轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)，建立了相應(yīng)力學(xué)模型，從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)應(yīng)力及共振頻率與微結(jié)構(gòu)幾何尺寸之間解析關(guān)系式，依據(jù)公式定性分析出同一種微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)多重應(yīng)力集中的方法，目的是通過應(yīng)力集中將多種不同微結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢折衷集中在一種結(jié)構(gòu)上，得到相對于其中某一微結(jié)構(gòu)既提高靈敏度又拓展頻響帶寬的完美結(jié)果。同時(shí)，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(shí)微結(jié)構(gòu)的共振頻率也不能降低太多。針對以上多重應(yīng)力集中微結(jié)構(gòu)和纖毛集成低密度小球兩種微結(jié)構(gòu)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(yàn)證了兩種結(jié)構(gòu)的可行性。針對本文提出的多重應(yīng)力集中微結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜且為MEMS非標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)解決了應(yīng)力槽刻蝕，壓敏電阻布置，歐姆接觸及前后微結(jié)構(gòu)體硅刻蝕等關(guān)鍵工藝。在此基礎(chǔ)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(shí)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(yīng)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(zhì)油）的封裝方式和“桔瓣式”支撐結(jié)構(gòu)。基于有限元仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)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(xué)博士學(xué)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(jié)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(fù)雜?！敖郯晔健敝谓Y(jié)構(gòu)則可以有效提高透聲帽的一階固有頻率，同時(shí)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(shè)計(jì)了微型導(dǎo)流罩，測試表明該微型導(dǎo)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(shè)計(jì)了微弱信號提取電路，測試結(jié)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(jìn)行了室內(nèi)校準(zhǔn)測試，并完成了新安江湖試和青島海試。測試結(jié)果表明：多重應(yīng)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(shè)計(jì)的微型