為實現水聽器體積微型化,提高其固有頻率并保證靈敏度,提出了一種新型無源器件,即基于壓電效應的微機電系統(tǒng)（MEMS）一維球形矢量水聽器。使用COMSOL軟件進行仿真設計,確定器件關鍵尺寸。采用MEMS工藝加工制得器件并進行測試,結果表明:該水聽器靈敏度達到-205 dB（0 dB=1 V/μPa）,固有頻率可達到1. 6 kHz,具有良好的一維指向性。 

【文章來源】：傳感器與微系統(tǒng). 2020,39(03)CSCD

【文章頁數】：3 頁

【部分圖文】：

壓電式一維矢量水聽器結構示意

根據質點振速水聽器聲波接收理論，當ka?1時(k為聲波的波數，a為拾振單元幾何線寬)，拾振單元附近聲場不發(fā)生明顯畸變[10,11]。使用Comsol對傳感器三維模型進行聲固耦合分析，得到在不同頻率下該水聽器附近聲場畸變系數隨拾振小球直徑的變化曲線，如圖2所示。隨著該小球直徑的增加，聲場的畸變系數逐漸增大。同時，聲波頻率越高，聲場的畸變系數越大。為保證聲場在較寬的聲波頻率范圍內不發(fā)生畸變，根據MEMS工藝特征線寬(μm級)，初步確定拾振單元直徑為1 500μm。由于水聲探測目標的工作頻率多為2 000 Hz以下，所以探測目標聲波波數k<8.4(k=2πf/v，其中，v為水中聲速，取1 500 m/s)，該球形拾振單元滿足ka?1(ka=0.012 6)的條件，理論上也表明當該拾振單元直徑為1 500μm時，該水聽器附近聲場不發(fā)生明顯畸變。如圖3所示為豎直方向和水平方向分別施加1 gn加速度載荷后梁的正應力分布曲線，從圖中可以看出，只有豎直方向施加載荷時，梁上才有應力分布，在水平方向施加載荷時，無應力分布，說明該水聽器可以檢測豎直方向的聲信號，并可抑制水平方向聲信號的干擾，具有良好的一維指向性。根據該應力分布曲線，分別在每根梁的外側加工PZT壓電薄膜。

如圖3所示為豎直方向和水平方向分別施加1 gn加速度載荷后梁的正應力分布曲線，從圖中可以看出，只有豎直方向施加載荷時，梁上才有應力分布，在水平方向施加載荷時，無應力分布，說明該水聽器可以檢測豎直方向的聲信號，并可抑制水平方向聲信號的干擾，具有良好的一維指向性。根據該應力分布曲線，分別在每根梁的外側加工PZT壓電薄膜。施加相同載荷時，應力大小與梁尺寸有很大關系，對不同梁長、梁寬、梁厚進行應力仿真分析得到應力分布曲線如圖4所示。


本文編號：3140240