单片集成阵列式MEMS矢量水听器设计与仿真.pdf

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1、第36卷第4期舰船科学技术Vo1．36．No．42014年4月SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYApr．，2014单片集成阵列式MEMS矢量水听器设计与仿真薛南一，张国军一，中辉，王万军一，陈桂英，许娇(1．中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原030051；2．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)摘要：针对当前对MEMS矢量水听器高可靠性、宽频带的迫切要求，设计了2×2单片集成阵列式MEMS矢量水听器。矢量水听器单片集成阵列化可以提高水听器一致性，大幅度降低水听器的制造成本。在理论分析的基础上，通过Ansys软件完成对阵列微敏感结构机

2、械特性和频率特性的仿真，确定压阻惠斯通电桥的布置及连接方式。对于水听器的研究和应用有重要意义。关键词：MEMS技术；矢量水听器；Ansys仿真中图分类号：TP565．1文献标识码：A文章编号：1672—7649(2014)04—0078—04doi：10．3404／j．issn．1672—7649．2014．04．015DesignandsimulationofarraytypeMEMSvectorhydrophoneonachipXUENan一，ZHANGGuo-jun一，SHENHui，WANGWan-jun，CHENGui．ying，XUJiao(1．NorthUnivers

3、ityofChinaScienceandTechnologyonElectronicTestandMeasurementLaboratory，Taiyuan030051，China；2．NorthUniversityofChina，KeyLaboratoryofInstrumentationScienceandDynamicMeasuremet．MinistryofEducation，Taiyuan030051，China)Abstract：Aimingattheurgentdemandofhigherreliabilityandwider~equeneybandofMEMSvec

4、torhydrophone，akindof2X2arraytypeMEMSvectorhydrophoneonachipisdesigned，whichcanimproveconsistencyofhydrophoneanddecreasethemanufacturingcost．Onthebasisoftheoreticalanalysis，thispapersimulatesthesensitivemicro—structuremechanicalcharacteristicand~equencycharacteristicbyANSYS．Thearrangementofpie

5、zoresistivewheatstonebridgeanditsconnectionmodeareconfirmed．Itismeaningfulforthestudyonhydrophoneanditsapplications．Keywords：MEMStechnology；vectorhydrophone；Ansyssimulation声中的指向性很突出，而且矢量水听器基阵体积较—一0引口小。此外，矢量水听器成阵可以获得比传统的标【日呐系统的核心技术是水听器的阵列技术。传量水听器成阵更高的阵增益，减小阵列孔径，从而统声呐阵列的阵元由标量水听器组成来确定被探测可以探测更远的距离

6、。目标的方位，但其阵列孔径较大，直接影响探测精传统的矢量水听器阵列多是同振矢量水听器阵度和距离。同时，声呐设备对水听器阵元一致性要列，由多个加速度计组合封装而成，性能指标受制于求高，需从大批量水听器中挑选一致性很好的器件内部加速度计，且体积较大，很难满足小型化设计要组成基阵，直接加大其加工难度和成本¨。矢量水求。MEMS矢量水听器是基于压阻效应，采用仿生学听器在成阵方面具有明显优势，不但在低频辐射噪原理，同时把MEMS技术和水声原理相结合制作的一收稿日期：2013—05—28；修回日期：2013—06—27基金项目：国家863计划资助项目(2011AA040404)；国家自然科学基

7、金资助项目(61I27008／F040703)作者简介：薛南(1989一)男，硕士研究生，主要从事MEMS水声传感器的研究与应用。·80·舰船科学技术第36卷沿仿生柱体z方向加载1Pa载荷，，y悬臂模态分析结果如表1所示。梁的位移、应力分布沿梁的中线基本对称。通过表1模态分析结果Ansys路径分析，获得，l，悬臂梁上表面，Y，zTab．1Resultsofmodalanalysis方向上各点的应力曲线，如图4所示。模态频率／Hz模态频率／Hz6789l0(a)悬臂梁应