纤毛式mems矢量水听器研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：纤毛式MEMS矢量水听器研究作者：张国军学科专业：声学指导教师：杨士莪教授2015年4月Title:TheresearchofciliumMEMSvectorhydrophoneByZhangGuo-JunUndertheSupervisionofProfessorYangShi-EADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForth

2、edegreeofDoctorofacousticsXi’anP.R.ChinaApril2015摘要摘要随着舰船减振降噪技术的发展，传统的声纳探测技术受到前所未有的挑战，各主要海军国家纷纷探索基于新效应、新原理、新工艺的新型换能器进行水下声目标检测。目前，水下目标检测手段主要是利用声压标量水听器及其阵列来实现，这时只能获得声场的声压标量信息，不能获得水质点的振速、加速度等声场的矢量信息。另外，对于小尺寸水下武器平台（如水雷，深水炸弹等），由于自身空间的限制，声压水听器阵在低频段很难获得有效阵增益和波束宽度，继而影响到其探

3、测距离与定位精度。然而，近年发展起来的矢量水听器可藉助单个水听器或较小的阵列实现水下声目标甚低频、远距离探测与定位，因而倍受国内外学者的关注。矢量水听器按拾振工作原理主要分为同振式、声压梯度式、动圈式等，虽然它们各自的工作原理不相同，但都有对于声信号的检测具有“8”字型余弦指向性的共同特点。MEMS矢量水听器是近年来新发展起来的一款微型水听器，相对于其它矢量水听器具有小体积、低成本、刚性安装等优势，非常适合应用于水下小尺寸武器平台。然而，当前MEMS矢量水听器发展也存在一系列瓶颈问题，如灵敏度低、响应频带窄、等效本底噪声声

4、压级高、抗流激噪声差等。本文针对MEMS矢量水听器所存在的诸多技术难题开展了一系列攻关研究。针对前期提出的纤毛式MEMS矢量水听器声—电转换微结构，建立了相应力学模型，从数学上推导出结构应力及共振频率与微结构几何尺寸之间解析关系式，依据公式定性分析出同一种微结构的灵敏度与共振频率是一对固有矛盾。为解决该矛盾，提出了微结构多重应力集中的方法，目的是通过应力集中将多种不同微结构的优势折衷集中在一种结构上，得到相对于其中某一微结构既提高灵敏度又拓展频响带宽的完美结果。同时，提出了纤毛集成低密度小球方案，目的是利用低密度小球来增大

5、声波的接收面积，大幅提高纤毛式MEMS矢量水听器的灵敏度，同时微结构的共振频率也不能降低太多。针对以上多重应力集中微结构和纤毛集成低密度小球两种微结构分别建立了有限元流固耦合模型，利用ansys仿真软件，分析并验证了两种结构的可行性。针对本文提出的多重应力集中微结构，结构形式复杂且为MEMS非标准加工工艺的难题，开发出一套完整的MEMS加工工艺流程，重点解决了应力槽刻蚀，压敏电阻布置，欧姆接触及前后微结构体硅刻蚀等关键工艺。在此基础上利用L-Edit软件绘制出光刻掩膜版图交付加工单位，并成功加工出纤毛式MEMS矢量水听器芯

6、片。然后，基于专用微系统集成平台，实现了纤毛与MEMS矢量水听器芯片的二次集成。针对纤毛式MEMS矢量水听器芯片应用于水中必须解决其绝缘、耐压、透声等封装问题，提出了将纤毛式MEMS矢量水听器密封于透声帽（其中透声帽中充满绝缘、传声介质油）的封装方式和“桔瓣式”支撑结构。基于有限元仿真和试验验证相结合的方法，深入研究透声帽对纤毛式MEMS矢量水听器性能的影响。给出了弹性模量越小、I西北工业大学博士学位论文厚度越薄的材料制作透声帽对纤毛式MEMS矢量水听器灵敏度损失越小的结论，虽然透声帽自身的一阶固有频率也会越低，从而造成纤

7、毛式MEMS矢量水听器整体频响曲线变化复杂。“桔瓣式”支撑结构则可以有效提高透声帽的一阶固有频率，同时起到防碰撞效果。针对前期纤毛式MEMS矢量水听器在海试过程中抗流激噪声差的问题，设计了微型导流罩，测试表明该微型导流罩虽然对纤毛式MEMS矢量水听器的灵敏度略有降低（在1kHz以下的低频最大损失3dB），但对流激噪声抑制明显，从而能够大幅提高纤毛式MEMS矢量水听器的信噪比。为了减小后续电路所引起的噪声，设计了微弱信号提取电路，测试结果表明该板级电路噪声谱级小于-140dB（80Hz以上）。最后，对纤毛式MEMS矢量水听器

8、的灵敏度，指向性，量程，抗振动等主要性能进行了室内校准测试，并完成了新安江湖试和青岛海试。测试结果表明：多重应力集中的纤毛式MEMS矢量水听器相对于前期MEMS矢量水听器灵敏度提高了6~15dB，频响范围由20Hz~500Hz拓展到20Hz~1kHz，等效本底噪声声压级降低了10~25dB。所设计的微型