基于热粘性声学的电容式声压水听器

发布时间：2021-12-19 12:08

　　针对水下设备平台对于声压信号探测的需要,设计了一款微电子机械系统（MEMS）电容式声压水听器,通过理论分析和Comsol仿真分析,确定水听器敏感振动薄膜的半径为600μm,膜厚为3μm,空腔高度为3μm。考虑到声波在小尺寸声学换能器中传播时会受到热阻尼和粘滞阻尼的作用,在仿真分析的过程中创新性地加入了热粘性声学多物理场。在工艺加工的过程中尝试了牺牲层工艺和阳极键合工艺两种关键工艺步骤,并最终通过阳极键合工艺得到了质量较高的振动薄膜。测试过程中将水听器封装在金属屏蔽壳内,避免受到外界复杂电磁环境的干扰,利用阻抗分析仪对水听器进行测试,得到水听器平均电容值为4.277 pF,平均相位为-89.129°,证明水听器符合电容性特征并且具有良好的一致性,同时验证了振动薄膜加工方案的可行性,为制备薄膜结构的传感器提供了新思路。 

【文章来源】：微纳电子技术. 2020,57(07)北大核心

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

电容式声压水听器的结构示意图

电容式声压水听器的敏感单元为位于传感器中心的振动薄膜，因此薄膜的材料特性和力学性能决定了传感器的静态及动态特性。振动薄膜的力学特性可以由板壳理论[8]分析得出，振动薄膜在电场力Fe和声压p的作用下发生形变而向下弯曲，如图2所示，图中r为振动薄膜的半径，t为薄膜厚度，x为距离薄膜中心的距离，wpk为薄膜的最大形变量，即峰值挠度。振动薄膜在Fe和p作用下受到的压力（p0）为本文假定振动薄膜表面的压力分布均匀，根据板壳理论[8]可以得到振动薄膜沿半径方向的挠度为

式中：ρ为振动薄膜密度。实验中选用单晶硅制备振动薄膜，振动薄膜的密度、泊松比和弹性模量均为确定值，因此，薄膜结构的f取决于振动薄膜的r和t，利用Matlab作图得到r和t对f的影响如图3所示。根据所作的力学特性分析，结合水听器的各项指标要求以及工艺实现的可行性等，得到电容式声压水听器的结构参数：振动薄膜的半径为600μm，膜厚为3μm，空腔高度为3μm。

【参考文献】：
期刊论文
[1]锥形纤毛式MEMS矢量水听器的设计[J]. 徐庆达,杨溪,张兰胜,李晨歌,张国军,张文栋.  微纳电子技术. 2019(06)
[2]复合式MEMS水听器的设计[J]. 王雁,刘梦然,张国军.  压电与声光. 2017(02)

硕士论文
[1]MEMS麦克风的低噪前置放大器及偏置电路设计[D]. 王一川.西安电子科技大学 2015



本文编号：3544391