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MEMS仿生矢量水声传感器设计及其工艺研究

作　者: 谢斌
导　师: 薛晨阳
学　校: 中北大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: MEMS技术 矢量水声传感器 仿生原理 压阻效应
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 252次
引　用: 1次
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内容摘要


随着声隐身技术的发展,水下运动目标的辐射噪声大幅度下降,这对噪声测试技术提出了新的挑战,尤其是低频、远距离探测。矢量水声传感器的发展和应用,大大提高了对安静型目标的探测能力,矢量水声传感器相关技术正在成为水声工程领域令人瞩目的研究方向之一。目前对矢量水声传感器来说急需解决的几个问题是: 1,高灵敏度问题; 2,甚低频检测问题;3,矢量水声传感器的小型化问题;4,抗噪声干扰问题等。以上问题可以以MEMS技术平台为依托,开发新型传感器制作技术,并通过微系统集成技术途径得到解决。本文基于MEMS技术基本理论,提出采用量子阱薄膜的介观压阻原理实现水声信号的检测,利用MEMS工艺技术制作小型矢量水声传感器。期望利用量子阱薄膜材料的高灵敏度压阻效应,提高矢量水声传感器的探测灵敏度;利用声学柱体的仿生原理和声学原理实现传感器低频矢量探测,并且利用MEMS技术实现小型化。论文根据鱼类侧线器官仿生原理,提出了一种新型MEMS仿生矢量水声传感器。文中概括地介绍了仿生传感器的仿生原理和声学探测原理;完成了以压敏电阻为敏感元件的水声传感器仿生结构设计并对传感器结构进行了仿真;采用标准的压阻式MEMS加工工艺完成了水声传感器四梁微结构的加工并对水声传感器进行了封装,最后在中科院声学所和715所对MEMS仿生矢量水声传感器进行实验测试。测试结果显示:该仿生矢量水声传感器具有很好低频‘8’字型矢量指向性,声压灵敏度达到-200dB。理论分析和实验测试结果表明,将该仿生传感微结构应用于水声探测是可行的,将鱼类侧线听觉仿生原理和MEMS技术相结合应用于水声探测领域,为新型高性能水声传感器的研究开拓新的方向。本文研究创新点主要体现在: a)本文基于鱼类侧线听觉仿生学原理,首次设计出仿生矢量水声传感器微结构,所以传感器结构新颖。b)传感器采用具有介观压阻特性纳米超晶格薄膜作为敏感元件,实现声学信号到电学信号的转化,所以原理新颖。c)采用MEMS技术对水声传感器结构进行设计和加工,在矢量水声传感器制作方法新颖。因此本文的研究具有较强的创新性,为开发新型传感器打下基础。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-19
  1.1 引言  10
  1.2 研究的背景和意义  10-14
  1.3 矢量水声传感器研究现状  14-17
  1.4 本文研究的主要内容  17-19
第2章 仿生矢量水声传感器理论基础  19-30
  2.1 矢量水声传感器分类及应用  19-21
  2.2 矢量水声传感器各测量参量的关系  21-22
  2.3 矢量水听器工作原理  22-25
  2.4 仿生水声传感器仿生与声学原理  25-29
    2.4.1 水声传感器仿生原理  25-27
    2.4.2 水声传感器声学探测原理  27-29
  2.5 本章小结  29-30
第3章 仿生矢量水声传感器硅微验证结构设计与加工  30-56
  3.1 硅微仿生矢量水声传感器设计  30-34
    3.1.1 结构设计  30-31
    3.1.2 压敏元件设计  31-34
  3.2 硅微矢量水声传感器有限元仿真和声学仿真  34-42
    3.2.1 有限元仿真  34-41
    3.2.2 声学仿真  41-42
  3.3 硅微传感器结构加工  42-55
    3.3.1 工艺设计  42-50
    3.3.2 版图设计  50-54
    3.3.3 传感器基本参数测试  54-55
  3.4 本章小结  55-56
第4章 GaAs 基仿生矢量水声传感器设计与加工  56-75
  4.1 GaAs 基仿生矢量水声传感器设计  56-61
    4.1.1 结构设计  56-57
    4.1.2 压敏元件设计  57-61
  4.2 GaAs 基矢量水声传感器有限元仿真  61-63
  4.3 GaAs 基仿生矢量水声传感器结构加工  63-74
    4.3.1 工艺设计  63-71
    4.3.2 版图设计  71-73
    4.3.3 传感器基本参数测试  73-74
  4.4 本章小结  74-75
第5章 仿生矢量水声传感器封装与测试  75-85
  5.1 传感器封装  75-77
    5.1.1 透声橡胶帽制作  75-76
    5.1.2 封装外壳制作  76-77
    5.1.3 传感器封装  77
  5.2 性能测试  77-83
    5.2.1 消声水池测试  77-81
    5.2.2 驻波管测试  81-83
  5.3 结果分析  83-84
  5.4 本章小结  84-85
结束语  85-87
参考文献  87-91
攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果  91-93
致谢  93

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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