压电式十字型MEMS矢量仿生水听器的设计和研究

发布时间：2019-09-12 19:20

【摘要】：设计并研究了基于压电效应的微机电系统(MEMS)仿生结构的三维矢量水声传感机理,包含基础结构的建模、定向探测分析,器件制备的基础研究及其相关测试。通过Ansys 15.0对器件进行了静态位移分布和应力分析仿真,借助扫描电镜和原子力显微镜对锆钛酸铅(PZT)压电薄膜进行了观察,对器件进行了扫频测试和指向性测试,谐振频率约为500Hz,输出电压峰-峰值为280mV。它对促进现代水声传感技术的发展和解决对液体环境中微弱信号的高精度定位、识别、探测等技术难题具有一定的科学和实用价值。
【图文】：

听器体积进一步缩小，还具有动态测试范围广，噪声低及灵敏度高等优点［５－７］，为解决当前技术瓶颈和实际应用问题提供了一种新技术、新途径和新思路。１水听器结构本文设计的压电式ＭＥＭＳ仿生结构矢量水声传感器就是利用ＰＺＴ压电功能材料的压电效应实现外界环境机械能转变为电能的传感机理。其基础结构是以鱼类的侧线听觉器官为原型［８－１０］，依据同振型矢量水声传感器的工作原理及正压电效应设计的。该结构主要包括十字悬臂梁－中心粘接体和仿纤毛结构的光纤两部分。图１为基础芯片的整体结构示意图。用光纤模仿鱼类可动纤毛，用ＰＺＴ压电功能薄膜敏感单元模仿鱼类感觉细胞，设计出该水声传感器的仿生换能基础结构，属于一种新型无源器件。图１水听器仿生结构２水听器结构仿真图２为压电式ＭＥＭＳ仿生结构矢量水声传感器基础芯片在ｘ、ｙ、ｚ方向上及总体的静态位移分布图［１１－１２］。由图可见，当在十字梁－中心连接体的ｚ方向施加载荷时，，由于４根悬臂梁的对称性，各部分的位移和应力曲线成中心对称，最大位移仅０．０８９５μｍ。图２静态位移图３ＰＺＴ薄膜特性如图３所示，从左到右依次为１、５、１０层ＰＺＴ压电薄膜，随着薄膜厚度的增加，表面均匀性变好，致密性变好。但层数过多时薄膜在制作时质量又无法得到保证，易出现放射性裂纹，最终选择在器件悬臂梁上制备２０层的ＰＺＴ薄膜，如图４所示。图３ＰＺＴ压电薄膜表面图４２０层ＰＺＴ薄膜表面图５悬臂梁变形图如图５所示，单根悬臂梁最大应力发生在关于梁中心位置近似对称的两端，大小相等

传感器就是利用ＰＺＴ压电功能材料的压电效应实现外界环境机械能转变为电能的传感机理。其基础结构是以鱼类的侧线听觉器官为原型［８－１０］，依据同振型矢量水声传感器的工作原理及正压电效应设计的。该结构主要包括十字悬臂梁－中心粘接体和仿纤毛结构的光纤两部分。图１为基础芯片的整体结构示意图。用光纤模仿鱼类可动纤毛，用ＰＺＴ压电功能薄膜敏感单元模仿鱼类感觉细胞，设计出该水声传感器的仿生换能基础结构，属于一种新型无源器件。图１水听器仿生结构２水听器结构仿真图２为压电式ＭＥＭＳ仿生结构矢量水声传感器基础芯片在ｘ、ｙ、ｚ方向上及总体的静态位移分布图［１１－１２］。由图可见，当在十字梁－中心连接体的ｚ方向施加载荷时，由于４根悬臂梁的对称性，各部分的位移和应力曲线成中心对称，最大位移仅０．０８９５μｍ。图２静态位移图３ＰＺＴ薄膜特性如图３所示，从左到右依次为１、５、１０层ＰＺＴ压电薄膜，随着薄膜厚度的增加，表面均匀性变好，致密性变好。但层数过多时薄膜在制作时质量又无法得到保证，易出现放射性裂纹，最终选择在器件悬臂梁上制备２０层的ＰＺＴ薄膜，如图４所示。图３ＰＺＴ压电薄膜表面图４２０层ＰＺＴ薄膜表面图５悬臂梁变形图如图５所示，单根悬臂梁最大应力发生在关于梁中心位置近似对称的两端，大小相等方向相反，梁上有大小相等的拉应力区和压应力区，则ＰＺＴ薄膜上分布极性相反的电荷。根据仿真，本文设计ＰＺＴ压电敏感单元时尽可能将其布置在应力最大的压电敏感区，共用底电极、断开上电极的方式（见图６），能
【作者单位】： 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(No.51605449) 山西省应用基础研究计划基金资助项目(No.201601D021064) 中北大学自然科学研究基金资助项目(No.XJJ2016027)
【分类号】：TB565.1

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本文编号：2535302