一种新型MEMS矢量水听器的设计

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1、第３４卷第１期压电与声光Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．１２０１２年０２月ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ＆ＡＣＯＵＳＴＯＯＰＴＩＣＳＦｅｂ．２０１２文章编号：１００４－２４７４（２０１２）０１－００８９－０４一种新型ＭＥＭＳ矢量水听器的设计许姣１，２，李俊１，张国军１，２，石归雄２，张文栋１，２（１．中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原０３００５１；２．中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原０３００５１）摘要：针对国内对高灵敏、小体积、造价低的矢量水听器迫切应用需求的现状，提出了一种新型的双“Ｔ”型微机电系统（ＭＥＭＳ）矢量水听器。该敏感单元结构可一体化加工，且加工成本低，适

2、合大批量生产，易于阵列化。采用ＡＮＳＹＳ仿真，得出１阶共振频率为１８４０Ｈｚ，压敏电阻位置距离梁根部１８０μｍ。对此结构进行声学封装与测试，测试结果表明，该水听器在１ｋＨｚ的灵敏度达到－１７５ｄＢ，工作频段为１００Ｈｚ～４ｋＨｚ，具有良好的“８”指向性。关键词：矢量水听器；微机电系统（ＭＥＭＳ）；封装与测试；ＡＮＳＹＳ中图分类号：ＴＮ４０；ＴＢ５６５．１文献标识码：ＡＤｅｓｉｇｎｏｆａＮｏｖｅｌＶｅｃｔｏｒＨｙｄｒｏｐｈｏｎｅＢａｓｅｄｏｎＭＥＭＳ１，２，ＬＩＪｕｎ１，ＺＨＡＮＧＧｕｏｊｕｎ１，２，ＳＨＩＧｕｉｘｉｏｎｇ２，ＺＨＡＮＧＷｅｎｄｏｎｇ１，２ＸＵＪｉａｏ（１．Ｋｅｙ

3、Ｌａｂ．ｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＤｙｎａｍｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｓｔ＆ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＬａｂ．，ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｕｒｇｅｎｔｄｅｍａｎｄｏｆｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｍａｌｌｖｏｌｕｍｅａｎｄｉｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅｖｅｃｔｏｒｈｙｄ

4、ｒｏｐｈｏｎｅｉｎｄｏｍｅｓｔｉｃ，ａｎｏｖｅｌｄｏｕｂｌｅＴ－ｓｈａｐｅｄｖｅｃｔｏｒｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃａｎｂｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｆａｂｒｉｃａｔｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｓｕｉｔｆｏｒｌｏｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄｍｕｌｔｉｐｌｅａｒｒａｙｓ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｓｉｍｕｌａｔｅｄｔｈｅｎｏｖｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｙＡＮＳＹＳ．Ｉｔｃｏｕｌｄｂｅｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｒｅｓｏｎａｎｃｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｗａｓ１８４０Ｈｚａｎｄｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｉｅｚｏ－ｒｅｓｉｓｔｏｒｗａｓａｗａｙｆｒｏｍｅｄｇｅｓ

5、ａｂｏｕｔ１８０ｍ．Ｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅｏｆｔｈｅｖｅｃｔｏｒｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅｗａｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄａｎｄｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｔｅｓｔｓｏｆｔｈｅｈｙｄｒｏ－ｐｈｏｎｅｗｅｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｗａｓ－１７５ｄＢａｔ１ｋＨｚａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｐｏｎｓｅｒａｎｇｅｄｆｒｏｍ１００Ｈｚｔｏ４ｋＨｚ，ｐｏｓｓｅｓｓｉｎｇｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｐａｔｔｅｒｎｉｎｔｈｅｆｏｒｍｏｆ“８”ｓｈａｐｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｅｃｔｏｒｈｙｄｒｏｐｈｏ

6、ｎｅ；ＥＭＳ；ｐａｃｋａｇｅａｎｄｔｅｓｔ；ＡＮＳＹＳ０引言测，必须增大基阵尺寸，且维修不方便。要改良声呐系统，首先必须对声呐上的水听器性能进行改进，微水声是海洋中信息传播的主要载体，水下探测、机电系统（ＭＥＭＳ）矢量水听器以高性能、低成本的定位与导航、目标识别、通信等水下作业都必须借助［３］优势顺应了目前的发展趋势和需求。于水声技术来完成。作为一种重要的水下探测装ＭＥＭＳ技术是在微电子技术的基础上发展起置，声呐的出现在民用方面逐渐发挥重要的作［１－２］来的一种新技术，融合了硅微加工和精密机械加工用。当前的声纳系统多采用水听器通过组阵的方式等多种微加工技术，可实现单芯片三维传感

7、一次集［４－５］来确定被探测目标的方位，存在两方面的缺点：成，适合低成本大批量生产。针对国内对高灵１）成本高。目前的民用声纳系统一套约为敏、小体积及造价低的矢量水听器的迫切应用需求７０～１２０万人民币，这对一般民用船只只能是望而的现状，提出了一种新型的双“Ｔ”型ＭＥＭＳ矢量水生畏。听器，该敏感单元结构可以一体化加工，且加工成本２）性能受限。当前声纳系统要实现远距离探低，适合大批量生产，易于阵列化。此新型矢量水听收稿日期：２０１１－０１－１５基金项目：国际科技合作基金资助项目（２０１０ＤＦＢ１