复合式MEMS水听器的设计_王雁.pdf

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1、第３９卷第２期压电与声光Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．１２０１７年４月ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ＆ＡＣＯＵＳＴＯＯＰＴＩＣＳＡｐｒ．２０１７文章编号：１００４－２４７４（２０１７）０２－０２４３－０５复合式ＭＥＭＳ水听器的设计王雁１，２，刘梦然１，２，张国军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：针对微机电系统（ＭＥＭＳ）仿生矢量水听器工作频带窄，灵敏度低，且存在左、右舷模糊问题，设计了高灵敏宽频带复合式ＭＥＭＳ水听器。矢量部分选择４个不同纤毛长度的仿生矢量水

2、听器组成阵列，各结构间采用并联方式，工作频带拓宽到４８００Ｈｚ，并分割出４个不同的频率段，在拓宽了频响带宽的同时保证了灵敏度。标量部分采用低频电容水声传感器进行优化设计，空腔注满硅油、振膜开设声学孔，提高振膜承压性的同时保证了良好的动态性能。后续对标量和矢量信息进行声能流联合算法处理，解决了左右舷模糊的难题。该文主要介绍了复合式ＭＥＭＳ水听器的工作原理，结合ＡＮＳＹＳｗｏｒｋｂｅｎｃｈ进行了仿真验证。选用玻璃片及绝缘衬底上的硅（ＳＯＩ）片键合的单片集成复合结构工艺设计，在玻璃上定义空腔及下电极，在ＳＯＩ片上定义十字梁和振膜，整体结构一致性好，定位精度

3、高。关键词：频带；复合式微机电系统（ＭＥＭＳ）水听器；声能流联合算法；左右舷模糊；ＡＮＳＹＳｗｏｒｋｂｅｎｃｈ；振膜中图分类号：ＴＮ５５；ＴＢ５６５．２文献标识码：ＡＴｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭＥＭＳＨｙｄｒｏｐｈｏｎｅ１，２，ＬＩＵＭｅｎｇｒａｎ１，２，ＺＨＡＮＧＧｕｏｊｕｎ１，２ＷＡＮＧＹａｎ（１．ＫｅｙＬａｂ．ｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＤｙｎａｍｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ１，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ；２．

4、ＫｅｙＬａｂ．ｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｓｔａｎｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｎａｒｒｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｂａｎｄ，ｌｏｗｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ａｎｄａｍｂｉｇｕｉｔｙｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐｏｒｔｈａｎｄａｎｄｔｈｅｓｔａｒｂｏａｒｄｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｍｉｃｒｏ－ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ（ＭＥＭＳ）ｂｉｏｎｉｃｖｅｃｔｏｒｈｙ

5、ｄｒｏｐｈｏｎｅ，ａｃｏｍ－ｐｏｓｉｔｅＭＥＭＳｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ａｎａｒｒａｙｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇｏｆ４ｂｉｏｎｉｃｖｅｃｔｏｒｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒ－ｅｎｔｌｅｎｇｔｈｏｆｃｉｌｉａｗａｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｖｅｃｔｏｒｐａｒｔ，ｏｆｗｈｉｃｈｔｈｅｐａｒａｌｌｅｌｍｅｔｈｏｄｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗａｓｕｓｅｄ．Ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｗａｓｅｘｔｅｎｄｅｄｔｏ４８００Ｈｚ，ａｎｄ４ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｂａｎｄｓｗｅｒｅｓ

6、ｅｇｍｅｎｔｅｄ，ｗｈｉｌｅｂｒｏａｄ－ｅｎｅｄｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｂａｎｄｗｉｄｔｈａｎｄｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｗａｓｅｎｓｕｒｅｄａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ．Ｔｈｅｓｃａｌａｒｐａｒｔｕｓｅｄｔｈｅｌｏｗｆｒｅ－ｑｕｅｎｃｙｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅｓｅｎｓｏｒｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｃａｖｉｔｙｗａｓｆｉｌｌｅｄｗｉｔｈｓｉｌｉｃｏｎｅｏｉｌａｎｄｔｈｅａ－ｃｏｕｓｔｉｃｈｏｌｅｓｗｅｒｅｏｐｅｎｅｄｉｎｔｈｅｄｉａｐｈｒａｇｍ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅ

7、ｄｉａｐｈｒａｇｍｗａｓｅｎｈａｎｃｅｄａｎｄｇｏｏｄｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｓｅｎｓｕｒｅｄａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ．Ｔｈｅｓｃａｌａｒａｎｄｖｅｃｔｏｒｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｗａｓｐｒｏｃｅｓｓｅｄｔｈｒｏｕｇｈａｊｏｉｎｔａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆａｃｏｕｓｔｉｃｅｎｅｒｇｙｆｌｕｘ，ｔｈｕｓｔｈｅａｍｂｉｇｕｉｔｙｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐｏｒｔｈａｎｄａｎｄｔｈｅｓｔａｒｂｏａｒｄｗａｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｅｌｉｍｉ－ｎａｔｅｄ．ＴｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅＭＥＭＳｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅｗａｓｉｎｔ

8、ｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｖｅｒｉ－ｆｉｃａｔｉｏｎｗａｓｃａｒｒ