硅基压电MEMS球形矢量水听器设计
发布时间：2021-04-15 22:54
为实现水听器体积微型化,提高其固有频率并保证灵敏度,提出了一种新型无源器件,即基于压电效应的微机电系统（MEMS）一维球形矢量水听器。使用COMSOL软件进行仿真设计,确定器件关键尺寸。采用MEMS工艺加工制得器件并进行测试,结果表明:该水听器灵敏度达到-205 dB（0 dB=1 V/μPa）,固有频率可达到1. 6 kHz,具有良好的一维指向性。
【文章来源】：传感器与微系统. 2020,39(03)CSCD
【文章页数】：3 页
【部分图文】：
压电式一维矢量水听器结构示意
根据质点振速水听器声波接收理论，当ka?1时(k为声波的波数，a为拾振单元几何线宽)，拾振单元附近声场不发生明显畸变[10,11]。使用Comsol对传感器三维模型进行声固耦合分析，得到在不同频率下该水听器附近声场畸变系数随拾振小球直径的变化曲线，如图2所示。随着该小球直径的增加，声场的畸变系数逐渐增大。同时，声波频率越高，声场的畸变系数越大。为保证声场在较宽的声波频率范围内不发生畸变，根据MEMS工艺特征线宽(μm级)，初步确定拾振单元直径为1 500μm。由于水声探测目标的工作频率多为2 000 Hz以下，所以探测目标声波波数k<8.4(k=2πf/v，其中，v为水中声速，取1 500 m/s)，该球形拾振单元满足ka?1(ka=0.012 6)的条件，理论上也表明当该拾振单元直径为1 500μm时，该水听器附近声场不发生明显畸变。如图3所示为竖直方向和水平方向分别施加1 gn加速度载荷后梁的正应力分布曲线，从图中可以看出，只有竖直方向施加载荷时，梁上才有应力分布，在水平方向施加载荷时，无应力分布，说明该水听器可以检测竖直方向的声信号，并可抑制水平方向声信号的干扰，具有良好的一维指向性。根据该应力分布曲线，分别在每根梁的外侧加工PZT压电薄膜。
如图3所示为竖直方向和水平方向分别施加1 gn加速度载荷后梁的正应力分布曲线，从图中可以看出，只有竖直方向施加载荷时，梁上才有应力分布，在水平方向施加载荷时，无应力分布，说明该水听器可以检测竖直方向的声信号，并可抑制水平方向声信号的干扰，具有良好的一维指向性。根据该应力分布曲线，分别在每根梁的外侧加工PZT压电薄膜。施加相同载荷时，应力大小与梁尺寸有很大关系，对不同梁长、梁宽、梁厚进行应力仿真分析得到应力分布曲线如图4所示。
本文编号：3140240
【文章来源】：传感器与微系统. 2020,39(03)CSCD
【文章页数】：3 页
【部分图文】：
压电式一维矢量水听器结构示意
根据质点振速水听器声波接收理论，当ka?1时(k为声波的波数，a为拾振单元几何线宽)，拾振单元附近声场不发生明显畸变[10,11]。使用Comsol对传感器三维模型进行声固耦合分析，得到在不同频率下该水听器附近声场畸变系数随拾振小球直径的变化曲线，如图2所示。随着该小球直径的增加，声场的畸变系数逐渐增大。同时，声波频率越高，声场的畸变系数越大。为保证声场在较宽的声波频率范围内不发生畸变，根据MEMS工艺特征线宽(μm级)，初步确定拾振单元直径为1 500μm。由于水声探测目标的工作频率多为2 000 Hz以下，所以探测目标声波波数k<8.4(k=2πf/v，其中，v为水中声速，取1 500 m/s)，该球形拾振单元满足ka?1(ka=0.012 6)的条件，理论上也表明当该拾振单元直径为1 500μm时，该水听器附近声场不发生明显畸变。如图3所示为竖直方向和水平方向分别施加1 gn加速度载荷后梁的正应力分布曲线，从图中可以看出，只有竖直方向施加载荷时，梁上才有应力分布，在水平方向施加载荷时，无应力分布，说明该水听器可以检测竖直方向的声信号，并可抑制水平方向声信号的干扰，具有良好的一维指向性。根据该应力分布曲线，分别在每根梁的外侧加工PZT压电薄膜。
如图3所示为竖直方向和水平方向分别施加1 gn加速度载荷后梁的正应力分布曲线，从图中可以看出，只有竖直方向施加载荷时，梁上才有应力分布，在水平方向施加载荷时，无应力分布，说明该水听器可以检测竖直方向的声信号，并可抑制水平方向声信号的干扰，具有良好的一维指向性。根据该应力分布曲线，分别在每根梁的外侧加工PZT压电薄膜。施加相同载荷时，应力大小与梁尺寸有很大关系，对不同梁长、梁宽、梁厚进行应力仿真分析得到应力分布曲线如图4所示。
本文编号：3140240
本文链接：https://www.wllwen.com/guanlilunwen/gongchengguanli/3140240.html
