压电式MEMS仿生结构矢量水声传感器的研制

发布时间：2017-05-22 10:07

  本文关键词：压电式MEMS仿生结构矢量水声传感器的研制，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着推行海洋强国政策,加强海洋的开发、管理、利用以及控制等能力成为未来持续健康发展的重心,各国着重于研究矢量水声传感器。为了解决低频、远程、多目标物体识别,目前亟需解决的关键问题在于:探索、研究与发展矢量水声传感器实现微型化、低频下精确探测同时提升灵敏度。结合仿生原理,压电效应和MEMS技术开发的压电式MEMS矢量水声传感器有望解决上述问题。文中设计了基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器,通过仿生学原理和压电效应使设计出的水声传感器灵敏度得以提高;通过MEMS技术和压电原理,批量制造无源器件,实现微小型化。期望设计的传感器具有体积小,动态测试范围广,噪声低,灵敏度高等优点。本文分析了水生动物的侧线感觉传导的仿生学理论和材料的压电效应,通过对设计水声传感器的理论分析,论证本文制作的器件的可行性。根据上述理论,设计出四悬臂梁-中心连接体结构,建立了数学模型,对其固有频率,灵敏度,应力以及刚度进行分析,并通过MATLAB、ANSYS进行仿真、分析、对比。在MEMS加工技术平台上完成器件基础芯片的制作,组装。模仿水生动物感觉器,完成仿生封装,制造出压电式MEMS仿生矢量水声传感器的模型样机。最后,自主搭建振动测试平台初步完成模型样机的灵敏度、指向性的校准实验。实验结果表明设计的水听器质量轻、体积小、具有“8”字指向性。灵敏度为-192.2dB@500Hz(0dB参考值1V/μPa),频带宽度为20~300Hz。100Hz时频带内指向性凹点深度大于20dB,轴向灵敏度最大值不对称性小于0.2dB;300Hz时频带内指向性凹点深度大于23.5dB,轴向灵敏度最大值不对称性小于0.8dB。
【关键词】：压电效应 仿生结构 MEMS 水声传感器
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要4-5
• abstract5-9
• 1 绪论9-16
• 1.1 课题的研究依据和意义9-11
• 1.2 矢量水声传感器的国内外发展现状11-14
• 1.3 本论文研究的主要内容14-16
• 2 压电式MEMS仿生结构矢量水声传感器的工作原理16-26
• 2.1 压电式MEMS仿生结构矢量水声传感器的仿生原理16-17
• 2.2 压电式MEMS仿生结构矢量水声传感器的敏感原理17-22
• 2.2.1 压电效应17-19
• 2.2.2 压电式MEMS仿生结构矢量水声传感器动力学振动模型19-21
• 2.2.3 压电式MEMS仿生结构矢量水声传感器压电模块工作原理21-22
• 2.3 压电式MEMS仿生结构矢量水声传感器的定向探测22-25
• 2.3.1 声学理论分析水声传感器的拾振条件22
• 2.3.2 压电式MEMS仿生结构矢量水声传感器的定向理论研究22-25
• 2.4 本章小结25-26
• 3 压电式MEMS仿生矢量水声传感器基础结构设计与仿真26-39
• 3.1 压电式MEMS仿生结构矢量水声传感器基础芯片的设计26-27
• 3.2 压电式MEMS仿生结构矢量水声传感器基础芯片的力学特性分析27-32
• 3.3 压电式MEMS仿生结构矢量水声传感器基础芯片的ANSYS仿真分析32-38
• 3.3.1 静力学分析32-35
• 3.3.2 模态仿真分析35-37
• 3.3.3 谐响应分析37-38
• 3.4 本章小结38-39
• 4 压电式MEMS仿生结构矢量水声传感器件制造39-52
• 4.1 MEMS器件结构加工流程设计39-40
• 4.2 MEMS器件结构的版图设计40-43
• 4.3 PZT压电功能薄膜材料的制备及性能研究43-46
• 4.3.1 PZT薄膜层的制备方法43-44
• 4.3.2 Sol-Gel法制备PZT薄膜44-45
• 4.3.3 PZT薄膜的性能表征45-46
• 4.4 MEMS器件结构加工工艺研究46-49
• 4.5 仿纤毛结构的柔性的粘接技术49-50
• 4.6 压电式MEMS仿生结构矢量水声传感器的仿生封装50-51
• 4.7 本章小结51-52
• 5 压电式MEMS仿生矢量水声传感器性能的初步测试52-57
• 5.1 压电式MEMS仿生矢量水声传感器的振动台测试52-53
• 5.2 压电式MEMS仿生结构矢量水声传感器的水声校准测试53-56
• 5.2.1 接收灵敏度校准测试53-54
• 5.2.2 指向性测试54-56
• 5.3 本章小结56-57
• 6 总结与展望57-59
• 6.1 论文的主要研究内容及结论57-58
• 6.2 论文创新点58
• 6.3 工作展望58-59
• 参考文献59-64
• 攻读硕士学位期间所取得的研究成果64-65
• 致谢65-66

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 孟洪;拖曳阵非声传感器输出的线性拟合法[J];声学与电子工程;2000年03期

2 夏钟福,王飞鹏;驻极体声传感器及其储电材料的现状[J];电声技术;2003年07期

3 霍明学,刘晓为,张铁良,兰慕杰,王东旺;电容式多晶硅微声传感器的模拟与设计[J];压电与声光;2004年01期

4 关欣,何友,衣晓;水声传感器信息处理技术[J];火力与指挥控制;2004年04期

5 赵怀坤;林岳松;郭云飞;;多声传感器异步融合算法[J];传感技术学报;2007年12期

6 李瑞;肖文;姚东;许秉时;;光纤声传感器的实验系统研究[J];光电工程;2009年06期

7 李春洪;顾鸿;赵晓东;;作战仿真中水声传感器的建模与集成[J];计算机仿真;2011年02期

8 孙志洁;张学磊;;被动声传感器组网的若干应用问题[J];电声技术;2011年06期

9 郑国锋;任新敏;冯浩楠;崔丽娟;;一种适用于高压气体管道的次声传感器[J];现代电子技术;2012年22期

10 洪淄明;陈金;邱求进;;多模光纤声传感器[J];电声技术;1989年02期

中国重要会议论文全文数据库 前9条

1 智升科;;光纤声传感器[A];全国第十一次光纤通信暨第十二届集成光学学术会议（OFCIO’2003）论文集[C];2003年

2 郭泉;杨亦春;;消除次声传感器一致性误差的方法研究[A];2008年全国声学学术会议论文集[C];2008年

3 姚伟;纪新明;刘全;黄宜平;;小型红外吸收光声传感器对二氧化硫的检测[A];第二届长三角地区传感技术学术交流会论文集[C];2006年

4 陶文凤;包永强;赵力;;一种用于水声传感器节点的改进节能算法[A];2012'中国西部声学学术交流会论文集(Ⅰ)[C];2012年

5 房栋;李宇;尹力;黄海宁;;水声传感器网络MAC协议研究与实现[A];2009年全国水声学学术交流暨水声学分会换届改选会议论文集[C];2009年

6 邱勋林;朱伽倩;夏钟福;沈绍群;张冶文;;用作硅基微型声传感器的Si_3N_4/SiO_2双层驻极体膜微型化后的电荷稳定性[A];第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];2001年

7 周跃海;曾X;童峰;;一种水声传感器网络初始化方案设计及实验[A];中国声学学会水声学分会2013年全国水声学学术会议论文集[C];2013年

8 侯文魁;丁向辉;林京;;Mach-Zehnder干涉型光纤声传感器的3×3耦合器检测算法研究[A];2007年全国水声学学术会议论文集[C];2007年

9 白晶;韩亮;;反潜CGF系统中吊声传感器的建模方法[A];中国系统仿真学会第五次全国会员代表大会暨2006年全国学术年会论文集[C];2006年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 金韦 摘译;猫狗恐吓器[N];电子报;2003年

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 吴东方;Sagnac干涉式光纤声传感器及其定位技术研究[D];复旦大学;2008年

2 陶建成;结构声辐射预测中的振动和近场声传感器布放研究[D];南京大学;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 胡滨;三维水声传感器网络自适应分辨率数据重构研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

2 刘文静;水声传感器网络MAC协议研究[D];大连理工大学;2015年

3 张文哲;水声传感器网络MAC协议设计与分析[D];大连理工大学;2015年

4 杨春雨;水声传感器网络MAC协议的性能研究[D];大连海事大学;2016年

5 郑长海;声定位系统中的发射与接收技术研究[D];中北大学;2016年

6 贺婷;压电式MEMS仿生结构矢量水声传感器的研制[D];中北大学;2016年

7 郭泉;次声传感器及次声检测技术研究[D];山东科技大学;2009年

8 杜巍;无源声传感器网目标概率定位算法[D];杭州电子科技大学;2009年

9 刘鸣涛;水声传感器网络试验平台监控软件的设计与开发[D];中国海洋大学;2009年

10 李晓文;水声传感器网络定位技术的研究[D];哈尔滨工程大学;2013年

  本文关键词：压电式MEMS仿生结构矢量水声传感器的研制，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：385359