MEMS压电加速度计矢量水听器的研究

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1、密级：中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences硕士学位论文2013年5月fIlllIlUIllIllllIllIIIY2381526ResearchonMEMSPiezoelectricAccelerometer／ByLuNingADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofEngineeringInstituteofA

2、coustics，CASMay,2013中国科学院声学研究所学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：专7亍日期：如I弓年上月砷日学位论文使用授权说明本人完全了解中国科学院大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：·按照中国科学院研究生院要求提交学位论文的印刷本和电子版本：·中国科学院

3、研究生院与中国科学院声学研究所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；·中国科学院大学与中国科学院声学研究所可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；(保密论文在解密后遵守此规定)论文作者签名：专守导师签名：乡多，乎夕z鸯妨1日期：加r；年厂月2严日中国科学院硕士学位论文摘要矢量水听器在海洋探测、反潜等领域发挥着重要的作用，但是远距离探测中矢量水听器拖曳阵尺寸增大问题严重，而MEMS技术的发展为矢量水听器的低频小型化、高性能的发展需求提供了新的解决方法，基于此，本文提出一种新型的MEMS矢量水听器一一基于ZnO压电薄膜的MEMS压

4、电矢量水听器。本文中提出两种结构的MEMS压电矢量水听器：悬臂梁式结构和双臂桥式结构，它们是由复合梁和一个惯性质量块组成，其中复合梁是由氧化锌薄膜和硅梁组成。文中对其基础元件MEMS压电加速度计进行了近似解析分析，得到了结构参数对其灵敏度和谐振频率的影响。发现当硅梁厚度固定时，压电层与硅梁的厚度比为O．56时，其灵敏度最高；并且复合梁的刚度和质量块质量的选择就灵敏度和谐振频率(通带)而言是矛盾的，因此需要进行优化选择。我们对其进行了有限元分析，给出了复合梁上的应力分布，进而计算了相应的灵敏度和谐振频率，所得结果与近似解析结果一致。为了进一步提高氧化锌薄膜的压

5、电系数，在工艺上对掺钒氧化锌薄膜进行了研究，得出掺杂浓度在2％左右时，氧化锌薄膜的C轴择优取向性最好。我们对MEMS压电加速度计进行了工艺设计和制备，成功制备出了两种结构的加速度计。封装后成品外形尺寸为：12x9．5x4mm。分别进行了性能测试，悬臂梁式加速度计灵敏度相对较高，在20．1000Hz内灵敏度响应平坦，电压灵敏度约为O．83mV／ms～，与国际水平相当。由此给出在lkHz处对应矢量水听器的等效声压灵敏度应为．228．5dB(re￡1V／gPa)，且横向干扰小，比压阻式MEMS矢量水听器的灵敏度约高20dB。关键词：MEMS，矢量水听器，ZnO压电

6、薄膜，加速度计中国科学院硕士学位论文AbstractVectorhydrophonesplayanimportantroleintheoceanexploration，submarinedetectionandotherfields，butthesizeofthetowedvectorhydrophonearrayforlongdistancedetectionisbecomingbiggerandbigger，whilethedevelopmentofMicro-electromechanicalSystems(MEMS)providesanewwayfo

7、rvectorhydrophonestodeveloptowardslow-frequencydetection，miniaturizationandhighperformance．Therefore，thisthesispresentsanovelMEMSpiezoelectricvectorhydrophonebasedonZnOthinfilm．Thisthesisdevelopstwokindsofvectorhydrophoneswithcantileverandbridgebeamstructuresrespectively．Theyarebot

8、hcomposedofamasslumpandcom