硅微MEMS仿生矢量水声传感器研究

摘要

由于矢量水声传感器不但可以同时探测声压信号和振速信号，而且具有使系统的抗各向同性噪声的能力获得极大提高等诸多优点。因此，各主要海军国家都相继开展了许多关于矢量水声传感器方面的研究。但是，虽然目前已经获得了很多的成果，对于矢量水声传感器来说还有几个急需解决的问题：1，高灵敏度问题；2，甚低频检测问题；3，矢量水声传感器的小型化问题；4，抗噪声干扰等问题。 以上问题可以以MEMS技术平台为依托，利用仿生学理论和压阻原理，通过开发新型传感器的仿生制造技术以及仿生微系统的集成技术途径得到解决。本文提出一种新型的压阻式MEMS仿生矢量水声传感器。期望利用新型精巧的仿生结构和压阻敏感机理提高矢量水声传感器的低频灵敏度；利用MEMS批量制造技术，实现矢量水声传感器的小型化和一致性；结合MEMS工艺和组装工艺技术，解决复杂结构的仿生制造问题。期望在矢量水声传感器的低频特性、灵敏度、小尺寸以及水声传感器一致性等方面带来好处。 文中详细分析了仿生学理论以及半导体材料的压阻原理。同时，由于本文涉及采用新的检测原理检测声信号，而检测原理的可行性与正确性来源于对拾振机理分析的正确性。因此分别从声学理论角度建立矢量水声传感的拾振条件、从应用振动学理论建立矢量水声传感器拾振模型，根据对设计系统工作机理的分析，来充分论证应用新原理、新技术、新工艺设计制作矢量水声传感器的可行性。 基于上述原理，设计出仿生微结构，建立了传感器仿生微结构的数学模型，理论分析了仿生微结构的灵敏度特性和固有频率特性。并将有限元软件ANSYS的仿真结果与理论计算结果进行了分析和比较。采用MEMS基硅微机械加工技术完成了传感器的加工。通过模仿鱼类侧线器官神经丘感觉器的仿生结构，完成了传感器仿生微结构的封装，制作出硅微仿生矢量水声传感器的模型样机。 最后，完成了传感器的系统测试，测试结果表明：该水声传感器不但体积小、质量轻、结构简单，而且具有“8”字型的指向特性和良好的低频灵敏特性。传感器的声压灵敏度在400Hz时灵敏度为-197.2dB(OdB=1v/μPa)。水声传感器的指向性的凹点深度达到28.2dB。最后给出了的海试实验结果，以验证该仿生矢量水声传感器的工程应用价值。 主要研究成果如下： (1) 通过模仿鱼类侧线器官的神经丘感觉器，设计出传感器的仿生微结构； (2) 依据仿生学理论、同振原理以及半导体材料的压阻原理设计制作传感器，提高了传感器的低频灵敏度，实现了水下低频声音信号的矢量探测； (3) 采用硅微MEMS加工技术以及声学灌封技术，加工制作出硅微仿生矢量水声传感器的模型样机，解决了复杂结构的仿生制造问题，实现了传感器微小型化的预期目标。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究的背景和意义

1.2国内外矢量水声传感器发展现状

1.3MEMS仿生技术在矢量水声传感器中的应用展望

1.4本文研究的主要内容

第2章硅微MEMS仿生矢量水声传感器的工作原理

2.1仿生机理

2.1.1鱼类侧线的信号识别

2.1.2鱼类侧线的信号定向

2.2敏感原理

2.3定向探测机理

2.3.1从声学理论角度分析矢量水声传感器的拾振条件

2.3.2应用振动学理论建立矢量水声传感器的拾振模型

2.3.3矢量水声传感器拾振条件分析

2.3.4矢量水声传感器定向探测分析

2.4本章小结

第3章仿生微结构的设计与分析

3.1仿生微结构的设计

3.2仿生微结构的数学模型分析

3.2.1仿生微结构的数学模型设计

3.2.2仿生微结构的力学特性分析

3.2.3仿生微结构的频率特性分析

3.3仿生微结构的有限元仿真分析

3.3.1静力分析

3.3.2横向灵敏度仿真分析

3.3.3模态分析

3.3.4谐响应分析

3.4仿生微结构的压敏电阻设计

3.4.1压阻系数的确定

3.4.2压敏电阻条的结构及参数

3.4.3压敏电阻的布置及连接

3.5信号提取电路设计及其补偿

3.5.1信号提取电路设计

3.5.2温度补偿设计

3.6本章总结

第4章仿生微结构的加工工艺

4.1四梁-中心连接体微结构的加工工艺

4.1.1工艺流程设计

4.1.2版图设计

4.2刚硬塑料柱体的粘接技术

4.3本章总结

第5章硅微MEMS仿生矢量水声传感器的组装

5.1聚氨酯橡胶帽的制作

5.1.1聚氨酯橡胶帽的理论模型设计与分析

5.1.2聚氨酯橡胶帽的加工工艺

5.2传感器电缆的密封工艺设计

5.2.1传感器电缆的选择

5.2.1传感器电缆的密封工艺流程

5.3传感器封装外壳优化设计

5.4传感器的仿生封装

5.4.1传感器的仿生封装模型设计

5.4.2传感器的仿生封装技术

5.5传感器的组合封装

5.6本章总结

第6章硅微MEMS仿生矢量水声传感器的测试

6.1传感器仿生微结构芯片的测试

6.1.1芯片的形貌测试

6.1.2芯片的应力特性测试

6.2传感器的性能验证实验

6.2.1仿生微结构的振动台验证实验

6.2.2传感器的水下验证实验

6.3传感器的校准实验

6.3.1传感器的灵敏度校准实验

6.3.2传感器的指向性校准实验

6.3.3传感器的等效噪声压谱级校准实验

6.4传感器的海试实验

6.4.1传感器的承压实验

6.4.2传感器的海上环境测试实验

6.4.3传感器的海上冲击信号测试实验

6.5本章总结

结束语

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢