压电式MEMS一维矢量水声传感器研究
发布时间：2020-12-29 12:11
海洋在对外开放及国家经济发展中占据重要地位,在维护国家主权,国家安全及国家发展利益中扮演重要角色。建设海洋强国,必须进一步认识海洋,加快海洋科技创新步伐。声呐技术是探索海洋的重要手段,水声传感器作为其核心部件,更是可以助力中国深海科学研究走向国际前沿。本文结合MEMS（Micro Electro Mechanical System）加工工艺,利用压电效应设计一款四螺旋梁结构的一维矢量水声传感器。首先研究声音在水中的传播理论及水声传感器的工作原理,对矢量水声传感器的振动模型进行分析,选定d31型PZT(Pb(ZrxTi1-x)O3)薄膜作为压电功能材料。对压电一维矢量水声传感器进行初步设计,通过COMSOL仿真对水声传感器关键尺寸进行参数优化;完成器件的模态分析及静电分析,预估压电一维矢量水声传感器工作性能。完成传感器芯片的工艺流程设计及版图设计,制备（111）择优取向的PZT压电薄膜,实现功能层与4英寸SOI（Silicon-On-Insulator）晶圆片的异质集成,完成MEMS加工,得到压电一维...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
DIFAR系列声呐浮标系统
中北大学学位论文41956年，美国学者率先发表第一篇关于矢量水声传感器的经典论文“Hydrophoneformeasuringparticlevelocity”。文章设计以速度传感器安装在刚性球体内，形成直径为5英寸的对粒子速度敏感的低频水声传感器，这种类型的速度水声传感器结构简单，容易校准，稳定，并具有良好的方向性，文中还推导了水下声场中刚性均匀球体运动的数学表达式以及质点振速测量方法，为后世水声传感器的发展提供了理论指导[32]。在矢量水声传感器的发展上，美国和俄罗斯均处于领先地位，不仅研制出性能稳定的矢量水声传感器，成功实现工程实践，而且还在矢量水声传感器校准领域也进行了的研究[33,34]。1989年，矢量水声传感器的系统性著作“Vector-phaseMethodinAcoustics”于苏联发表，基于此，苏联科学家率先研制出同振球形矢量水声传感器，如图1-2所示。与标量水声传感器相比，矢量水声传感器性能更加优越，信噪比大约高出10~20dB[35,36]。图1-2同振球形矢量水声传感器Figure1-2Sphericalvectorhydroacousticsensorofresonanttype俄罗斯制备的矢量水声传感器总体性能上与传统小型阵列声呐的水平相当，且体积较小，已经得到大规模应用。俄罗斯海军将由几十只矢量水声传感器组成的水声传感器阵列布放在深海区进行潜艇监测，可对1km内的潜艇进行定位识别，矢量水声传感器测试距离可达4km。2004年，Wilcoxon公司制造出了具有三维指向性的同振型矢量水声传感器TV-001，该水声传感器采用压电加速度计作为内部敏感单元，响应范围为3Hz~7KHz，声压灵敏度较高（-193dB@1000Hz）的优点，然而体积较大，实物如图1-3所示，并将其应用在SURTASS拖曳线阵中解决了左右舷模糊这个海洋测试中的常见问题[37]。2007年，美
中北大学学位论文5国又将其与声压阵共同应用于拖曳线阵[38,39]。随后，美国海洋物理实验室所研制的Swallow浮标系统，该系统同时对声子速度和声压的三个正交分量进行测量，可以对海洋中某一点的声场进行完整的描述，该系统对于舰船辐射噪声比的增益比标准系统高3~6dB[40,41]。美国海军还将矢量水声传感器排布在近海岸及深海区起到近海岸警戒及潜艇监测的作用[42]。图1-3三维同振型矢量水声传感器Figure1-33dvectorhydroacousticsensorofresonanttype随着MEMS加工工艺的不断进步，MEMS器件也得到了极大地发展和应用，包括生物、汽车、通讯等领域。水声领域方面，美国科学家Howard1996年首先使用MEMS技术制备出了声速度传感器[43]。2006年科学家Li首次提出利用SOI片制备压阻式MEMS水声传感器[44]。2010年，科学家Choi研制出新型的压电式MEMS水声传感器并完成相关测试[45]。MEMS加工技术的出现使得水声传感器体积明显缩校水声传感器应用广泛，是许多水声系统的关键部件之一，如水下噪声监测、海底测绘和成像、海洋哺乳动物和渔业生态系统研究、水下通信、声音导航和测距（声纳）系统。我国早期开展的关于海洋环境和舰船辐射噪声的研究工作，核心器件就是矢量水声传感器[46-49]。除此外，我国海军也致力于开展矢量水声传感器的军事应用，例如西北工业大学赵俊渭教授将研制出的一维矢量水声传感器应用于深水炸弹上，矢量水声传感器在水雷应用工作上也取得了很好的效果[50-52]。基于多样化的应用需求，我国学者也积极开展关于矢量水声传感器的研究[53-55]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]海洋侧扫声呐探测技术的现状及发展[J]. 何勇光. 工程建设与设计. 2020(04)
[2]MEMS压电水听器和矢量水听器研究进展[J]. 李俊红,马军,魏建辉,任伟. 应用声学. 2018(01)
[3]用于矢量水听器的弯曲圆盘型声压水听器[J]. 周宏坤,洪连进,葛锡云,赵俊波,冯雪磊. 应用声学. 2017(06)
[4]弛豫铁电单晶弯曲梁矢量水听器研究[J]. 尹义龙,李俊宝,邢建新,吕可佳. 声学学报. 2014(02)
[5]弹性矩形空气腔障板水下声散射近场矢量特性[J]. 杨德森,朱中锐,时胜国,莫世奇. 哈尔滨工程大学学报. 2013(09)
[6]基于单目视觉的微型飞行器移动目标定位方法[J]. 郭力,昂海松,郑祥明. 系统工程与电子技术. 2012(05)
[7]我国海洋科技创新能力与海洋经济发展的协调性分析[J]. 王泽宇,刘凤朝. 科学学与科学技术管理. 2011(05)
[8]纤毛式矢量水听器新型封装结构的研究[J]. 许姣,张国军,石归雄,王晓瑶,刘细宝,张文栋. 传感技术学报. 2011(04)
[9]光纤阵与压电阵的海试比较[J]. 王法栋,王磊,王麟玉,孟洲. 应用声学. 2010(02)
[10]潜艇噪声水平对声呐探测性能影响分析[J]. 陈剑,鲁民月,庞天照. 舰船科学技术. 2009(12)
博士论文
[1]蓝色经济与蓝色经济区发展研究[D]. 林强.青岛大学 2010
[2]矢量声场与矢量信号处理理论研究[D]. 王德俊.哈尔滨工程大学 2004
硕士论文
[1]光纤三维矢量传感器研究[D]. 杨昌.天津大学 2012
[2]新世纪中国海洋方向安全分析[D]. 汪文件.中共中央党校 2000
本文编号：2945619
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
DIFAR系列声呐浮标系统
中北大学学位论文41956年，美国学者率先发表第一篇关于矢量水声传感器的经典论文“Hydrophoneformeasuringparticlevelocity”。文章设计以速度传感器安装在刚性球体内，形成直径为5英寸的对粒子速度敏感的低频水声传感器，这种类型的速度水声传感器结构简单，容易校准，稳定，并具有良好的方向性，文中还推导了水下声场中刚性均匀球体运动的数学表达式以及质点振速测量方法，为后世水声传感器的发展提供了理论指导[32]。在矢量水声传感器的发展上，美国和俄罗斯均处于领先地位，不仅研制出性能稳定的矢量水声传感器，成功实现工程实践，而且还在矢量水声传感器校准领域也进行了的研究[33,34]。1989年，矢量水声传感器的系统性著作“Vector-phaseMethodinAcoustics”于苏联发表，基于此，苏联科学家率先研制出同振球形矢量水声传感器，如图1-2所示。与标量水声传感器相比，矢量水声传感器性能更加优越，信噪比大约高出10~20dB[35,36]。图1-2同振球形矢量水声传感器Figure1-2Sphericalvectorhydroacousticsensorofresonanttype俄罗斯制备的矢量水声传感器总体性能上与传统小型阵列声呐的水平相当，且体积较小，已经得到大规模应用。俄罗斯海军将由几十只矢量水声传感器组成的水声传感器阵列布放在深海区进行潜艇监测，可对1km内的潜艇进行定位识别，矢量水声传感器测试距离可达4km。2004年，Wilcoxon公司制造出了具有三维指向性的同振型矢量水声传感器TV-001，该水声传感器采用压电加速度计作为内部敏感单元，响应范围为3Hz~7KHz，声压灵敏度较高（-193dB@1000Hz）的优点，然而体积较大，实物如图1-3所示，并将其应用在SURTASS拖曳线阵中解决了左右舷模糊这个海洋测试中的常见问题[37]。2007年，美
中北大学学位论文5国又将其与声压阵共同应用于拖曳线阵[38,39]。随后，美国海洋物理实验室所研制的Swallow浮标系统，该系统同时对声子速度和声压的三个正交分量进行测量，可以对海洋中某一点的声场进行完整的描述，该系统对于舰船辐射噪声比的增益比标准系统高3~6dB[40,41]。美国海军还将矢量水声传感器排布在近海岸及深海区起到近海岸警戒及潜艇监测的作用[42]。图1-3三维同振型矢量水声传感器Figure1-33dvectorhydroacousticsensorofresonanttype随着MEMS加工工艺的不断进步，MEMS器件也得到了极大地发展和应用，包括生物、汽车、通讯等领域。水声领域方面，美国科学家Howard1996年首先使用MEMS技术制备出了声速度传感器[43]。2006年科学家Li首次提出利用SOI片制备压阻式MEMS水声传感器[44]。2010年，科学家Choi研制出新型的压电式MEMS水声传感器并完成相关测试[45]。MEMS加工技术的出现使得水声传感器体积明显缩校水声传感器应用广泛，是许多水声系统的关键部件之一，如水下噪声监测、海底测绘和成像、海洋哺乳动物和渔业生态系统研究、水下通信、声音导航和测距（声纳）系统。我国早期开展的关于海洋环境和舰船辐射噪声的研究工作，核心器件就是矢量水声传感器[46-49]。除此外，我国海军也致力于开展矢量水声传感器的军事应用，例如西北工业大学赵俊渭教授将研制出的一维矢量水声传感器应用于深水炸弹上，矢量水声传感器在水雷应用工作上也取得了很好的效果[50-52]。基于多样化的应用需求，我国学者也积极开展关于矢量水声传感器的研究[53-55]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]海洋侧扫声呐探测技术的现状及发展[J]. 何勇光. 工程建设与设计. 2020(04)
[2]MEMS压电水听器和矢量水听器研究进展[J]. 李俊红,马军,魏建辉,任伟. 应用声学. 2018(01)
[3]用于矢量水听器的弯曲圆盘型声压水听器[J]. 周宏坤,洪连进,葛锡云,赵俊波,冯雪磊. 应用声学. 2017(06)
[4]弛豫铁电单晶弯曲梁矢量水听器研究[J]. 尹义龙,李俊宝,邢建新,吕可佳. 声学学报. 2014(02)
[5]弹性矩形空气腔障板水下声散射近场矢量特性[J]. 杨德森,朱中锐,时胜国,莫世奇. 哈尔滨工程大学学报. 2013(09)
[6]基于单目视觉的微型飞行器移动目标定位方法[J]. 郭力,昂海松,郑祥明. 系统工程与电子技术. 2012(05)
[7]我国海洋科技创新能力与海洋经济发展的协调性分析[J]. 王泽宇,刘凤朝. 科学学与科学技术管理. 2011(05)
[8]纤毛式矢量水听器新型封装结构的研究[J]. 许姣,张国军,石归雄,王晓瑶,刘细宝,张文栋. 传感技术学报. 2011(04)
[9]光纤阵与压电阵的海试比较[J]. 王法栋,王磊,王麟玉,孟洲. 应用声学. 2010(02)
[10]潜艇噪声水平对声呐探测性能影响分析[J]. 陈剑,鲁民月,庞天照. 舰船科学技术. 2009(12)
博士论文
[1]蓝色经济与蓝色经济区发展研究[D]. 林强.青岛大学 2010
[2]矢量声场与矢量信号处理理论研究[D]. 王德俊.哈尔滨工程大学 2004
硕士论文
[1]光纤三维矢量传感器研究[D]. 杨昌.天津大学 2012
[2]新世纪中国海洋方向安全分析[D]. 汪文件.中共中央党校 2000
本文编号：2945619
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