【摘要】：設(shè)計并研究了基于壓電效應(yīng)的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)仿生結(jié)構(gòu)的三維矢量水聲傳感機(jī)理,包含基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的建模、定向探測分析,器件制備的基礎(chǔ)研究及其相關(guān)測試。通過Ansys 15.0對器件進(jìn)行了靜態(tài)位移分布和應(yīng)力分析仿真,借助掃描電鏡和原子力顯微鏡對鋯鈦酸鉛(PZT)壓電薄膜進(jìn)行了觀察,對器件進(jìn)行了掃頻測試和指向性測試,諧振頻率約為500Hz,輸出電壓峰-峰值為280mV。它對促進(jìn)現(xiàn)代水聲傳感技術(shù)的發(fā)展和解決對液體環(huán)境中微弱信號的高精度定位、識別、探測等技術(shù)難題具有一定的科學(xué)和實(shí)用價值。
【圖文】：

聽器體積進(jìn)一步縮小，還具有動態(tài)測試范圍廣，噪聲低及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)［５－７］，為解決當(dāng)前技術(shù)瓶頸和實(shí)際應(yīng)用問題提供了一種新技術(shù)、新途徑和新思路。１水聽器結(jié)構(gòu)本文設(shè)計的壓電式ＭＥＭＳ仿生結(jié)構(gòu)矢量水聲傳感器就是利用ＰＺＴ壓電功能材料的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿膫鞲袡C(jī)理。其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是以魚類的側(cè)線聽覺器官為原型［８－１０］，依據(jù)同振型矢量水聲傳感器的工作原理及正壓電效應(yīng)設(shè)計的。該結(jié)構(gòu)主要包括十字懸臂梁－中心粘接體和仿纖毛結(jié)構(gòu)的光纖兩部分。圖１為基礎(chǔ)芯片的整體結(jié)構(gòu)示意圖。用光纖模仿魚類可動纖毛，用ＰＺＴ壓電功能薄膜敏感單元模仿魚類感覺細(xì)胞，設(shè)計出該水聲傳感器的仿生換能基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，屬于一種新型無源器件。圖１水聽器仿生結(jié)構(gòu)２水聽器結(jié)構(gòu)仿真圖２為壓電式ＭＥＭＳ仿生結(jié)構(gòu)矢量水聲傳感器基礎(chǔ)芯片在ｘ、ｙ、ｚ方向上及總體的靜態(tài)位移分布圖［１１－１２］。由圖可見，當(dāng)在十字梁－中心連接體的ｚ方向施加載荷時，，由于４根懸臂梁的對稱性，各部分的位移和應(yīng)力曲線成中心對稱，最大位移僅０．０８９５μｍ。圖２靜態(tài)位移圖３ＰＺＴ薄膜特性如圖３所示，從左到右依次為１、５、１０層ＰＺＴ壓電薄膜，隨著薄膜厚度的增加，表面均勻性變好，致密性變好。但層數(shù)過多時薄膜在制作時質(zhì)量又無法得到保證，易出現(xiàn)放射性裂紋，最終選擇在器件懸臂梁上制備２０層的ＰＺＴ薄膜，如圖４所示。圖３ＰＺＴ壓電薄膜表面圖４２０層ＰＺＴ薄膜表面圖５懸臂梁變形圖如圖５所示，單根懸臂梁最大應(yīng)力發(fā)生在關(guān)于梁中心位置近似對稱的兩端，大小相等

傳感器就是利用ＰＺＴ壓電功能材料的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿膫鞲袡C(jī)理。其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是以魚類的側(cè)線聽覺器官為原型［８－１０］，依據(jù)同振型矢量水聲傳感器的工作原理及正壓電效應(yīng)設(shè)計的。該結(jié)構(gòu)主要包括十字懸臂梁－中心粘接體和仿纖毛結(jié)構(gòu)的光纖兩部分。圖１為基礎(chǔ)芯片的整體結(jié)構(gòu)示意圖。用光纖模仿魚類可動纖毛，用ＰＺＴ壓電功能薄膜敏感單元模仿魚類感覺細(xì)胞，設(shè)計出該水聲傳感器的仿生換能基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，屬于一種新型無源器件。圖１水聽器仿生結(jié)構(gòu)２水聽器結(jié)構(gòu)仿真圖２為壓電式ＭＥＭＳ仿生結(jié)構(gòu)矢量水聲傳感器基礎(chǔ)芯片在ｘ、ｙ、ｚ方向上及總體的靜態(tài)位移分布圖［１１－１２］。由圖可見，當(dāng)在十字梁－中心連接體的ｚ方向施加載荷時，由于４根懸臂梁的對稱性，各部分的位移和應(yīng)力曲線成中心對稱，最大位移僅０．０８９５μｍ。圖２靜態(tài)位移圖３ＰＺＴ薄膜特性如圖３所示，從左到右依次為１、５、１０層ＰＺＴ壓電薄膜，隨著薄膜厚度的增加，表面均勻性變好，致密性變好。但層數(shù)過多時薄膜在制作時質(zhì)量又無法得到保證，易出現(xiàn)放射性裂紋，最終選擇在器件懸臂梁上制備２０層的ＰＺＴ薄膜，如圖４所示。圖３ＰＺＴ壓電薄膜表面圖４２０層ＰＺＴ薄膜表面圖５懸臂梁變形圖如圖５所示，單根懸臂梁最大應(yīng)力發(fā)生在關(guān)于梁中心位置近似對稱的兩端，大小相等方向相反，梁上有大小相等的拉應(yīng)力區(qū)和壓應(yīng)力區(qū)，則ＰＺＴ薄膜上分布極性相反的電荷。根據(jù)仿真，本文設(shè)計ＰＺＴ壓電敏感單元時盡可能將其布置在應(yīng)力最大的壓電敏感區(qū)，共用底電極、斷開上電極的方式（見圖６），能
【作者單位】： 中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;
【基金】：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51605449) 山西省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃基金資助項(xiàng)目(No.201601D021064) 中北大學(xué)自然科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(No.XJJ2016027)
【分類號】：TB565.1

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9 柳增運(yùn);基于水聽器超聲聲場特性參數(shù)測量研究[D];北京化工大學(xué);2011年

10 邢廣振;激光外差校準(zhǔn)高頻水聽器及若干影響因素的研究[D];中國計量科學(xué)研究院;2013年

本文編號：2535302