MEMS矢量水听器的设计与性能优化

论文摘要

为了解决水下远场目标的检测以及安静型潜艇的侦测,低频、高信噪比检测已经成为声纳系统发展的一个重要趋势。水听器作为声纳系统实现接收声信号的核心器件,水听器的性能优劣将直接影响声纳系统的性能。矢量水听器可以同步共点的获取声场中的标量和矢量信息,并且具有良好的低频指向性、抗各项同性噪声等诸多特点,目前已成为备受水声领域关注的研究焦点之一。而将MEMS技术与传统水声技术相结合制作出的MEMS矢量水听器,具有微型化、集成化、低成本、低功耗等诸多优点,尤其是在低频段表现出良好的灵敏度和指向性。但是,MEMS矢量水听器在实际应用过程中仍存在一些问题,如水听器的灵敏度、带宽这两个关键指标此消彼长的问题,水听器的机械稳定性以及在高冲击应用场景下可靠性问题等等。本文基于前人的研究工作,针对MEMS矢量水听器的上述问题开展研究,具体包括:首先,根据MEMS矢量水听器在水下感应声信号转化为电信号的工作原理,利用COMSOL有限元仿真软件,建立了一套声-固（壳）-力-电多物理场耦合的有限元仿真模型。基于此模型分别对MEMS矢量水听器芯片进行了特征频率、应力响应、频响特性等关键性能的仿真研究,同时针对封装结构对外部声场的影响进行了声学仿真研究,并计算了声信号经过封装结构达到水听器内部的声传输和衰减情况。为后续水听器设计和优化奠定了理论基础。接着,为了解决MEMS矢量水听器芯片灵敏度和带宽性能固有矛盾的问题,提出了一种应力集中型水听器芯片结构设计,用来实现保证MEMS矢量水听器带宽性能的前提下,提升器件灵敏度的目的。通过在水听器芯片十字梁根部引入通孔结构设计,形成应力集中区域（SCR）,提高器件对应力的拾取能力。利用仿真软件,对比了三种不同的应力集中结构设计方案,选择了在相同负载下应力响应最大的结构设计作为最后的方案。成功制备了应力集中型MEMS矢量水听器样品,并进行了驻波管校准测试,结果表明:应力集中型水听器的灵敏度可以达到-187.9 dB（ref=1 V/μPa,@1000 Hz）,相较于传统的MEMS矢量水听器样品,在20 Hz1000 Hz的频响范围内灵敏度提高了约5 dB。应力集中结构在提高灵敏度的同时,对带宽、指向性指标无明显影响。最后,在优化MEMS矢量水听器芯片结构的基础上,提出一种新型的胶体封装设计方案,以解决MEMS矢量水听器的机械稳定性和在高冲击应用场景中的器件可靠性问题。通过有限元仿真,对比了有无胶体封装的芯片结构在冲击下的应力响应,仿真结果证明胶体封装方式有效地提高了MEMS矢量水听器的机械稳定性和抗冲击性。同时,为了验证胶体封装的应用是否对矢量水听器灵敏度、带宽、指向性等关键性能造成了影响,在驻波管内对胶体封装型MEMS矢量水听器样品进行了校准测试。测试结果表明:胶体封装型MEMS矢量水听器的灵敏度可以达到-164.3 dB（ref=1 V/μPa,@1000Hz）,并且在工作频段内水听器的灵敏度几乎没有影响,并且适当地提高了水听器的一阶谐振频率,频响范围由20 Hz630 Hz拓展到了20 Hz1000 Hz。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景和研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 国外研究现状
•     1.2.2 国内研究现状
•   1.3 本论文主要工作
•     1.3.1 研究内容
•     1.3.2 章节安排
• 第2章 MEMS矢量水听器的多物理场耦合仿真研究
•   2.1 引言
•   2.2 MEMS水听器内部芯片仿真研究
•     2.2.1 MEMS传感器仿真模型建立
•     2.2.2 传感器结构谐响应分析
•     2.2.3 多物理场耦合对传感器模态及谐振频率的影响
•     2.2.4 油阻尼对结构影响
•   2.3 水听器内外声场研究
•   2.4 声-固（壳）-力-电多物理场全耦合仿真
•   2.5 本章总结
• 第3章 利用应力集中结构优化MEMS矢量水听器
•   3.1 MEMS矢量水听器芯片结构优化方案
•   3.2 应力集中型芯片的仿真研究
•     3.2.1 应力集中结构模型的稳态研究
•     3.2.2 应力集中结构模型的特征频率分析
•   3.3 MEMS水听器芯片加工
•     3.3.1 芯片加工工艺选择
•     3.3.2 芯片加工工艺流程
•   3.4 应力集中型芯片的驻波管内测试
•     3.4.1 水听器灵敏度测试
•     3.4.2 水听器指向性测试
•   3.5 本章总结
• 第4章 MEMS矢量水听器芯片封装设计
•   4.1 胶体封装型芯片的仿真研究
•     4.1.1 不同性质的胶体对芯片的影响
•     4.1.2 胶体型芯片的抗冲击性研究
•     4.1.3 胶体型芯片的稳态研究
•     4.1.4 胶体型芯片的谐振频率分析
•   4.2 胶体封装型芯片的驻波管内测试
•     4.2.1 水听器灵敏度测试
•     4.2.2 水听器指向性测试
•   4.3 本章总结
• 第5章 结论与展望
•   5.1 工作总结
•   5.2 论文创新点
•   5.3 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 石晶晶

导师: 黄晓东

关键词: 矢量水听器,有限元仿真,应力集中,胶体封装

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,工业通用技术及设备

单位: 东南大学

分类号: TB565.1

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.003398

总页数: 87

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