為實(shí)現(xiàn)水聽(tīng)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(wú)源器件,即基于壓電效應(yīng)的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）一維球形矢量水聽(tīng)器。使用COMSOL軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),確定器件關(guān)鍵尺寸。采用MEMS工藝加工制得器件并進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明:該水聽(tīng)器靈敏度達(dá)到-205 dB（0 dB=1 V/μPa）,固有頻率可達(dá)到1. 6 kHz,具有良好的一維指向性。 

【文章來(lái)源】：傳感器與微系統(tǒng). 2020,39(03)CSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：3 頁(yè)

【部分圖文】：

壓電式一維矢量水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)質(zhì)點(diǎn)振速水聽(tīng)器聲波接收理論，當(dāng)ka?1時(shí)(k為聲波的波數(shù)，a為拾振單元幾何線寬)，拾振單元附近聲場(chǎng)不發(fā)生明顯畸變[10,11]。使用Comsol對(duì)傳感器三維模型進(jìn)行聲固耦合分析，得到在不同頻率下該水聽(tīng)器附近聲場(chǎng)畸變系數(shù)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(chǎng)的畸變系數(shù)逐漸增大。同時(shí)，聲波頻率越高，聲場(chǎng)的畸變系數(shù)越大。為保證聲場(chǎng)在較寬的聲波頻率范圍內(nèi)不發(fā)生畸變，根據(jù)MEMS工藝特征線寬(μm級(jí))，初步確定拾振單元直徑為1 500μm。由于水聲探測(cè)目標(biāo)的工作頻率多為2 000 Hz以下，所以探測(cè)目標(biāo)聲波波數(shù)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(dāng)該拾振單元直徑為1 500μm時(shí)，該水聽(tīng)器附近聲場(chǎng)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(yīng)力分布曲線，從圖中可以看出，只有豎直方向施加載荷時(shí)，梁上才有應(yīng)力分布，在水平方向施加載荷時(shí)，無(wú)應(yīng)力分布，說(shuō)明該水聽(tīng)器可以檢測(cè)豎直方向的聲信號(hào)，并可抑制水平方向聲信號(hào)的干擾，具有良好的一維指向性。根據(jù)該應(yīng)力分布曲線，分別在每根梁的外側(cè)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(yīng)力分布曲線，從圖中可以看出，只有豎直方向施加載荷時(shí)，梁上才有應(yīng)力分布，在水平方向施加載荷時(shí)，無(wú)應(yīng)力分布，說(shuō)明該水聽(tīng)器可以檢測(cè)豎直方向的聲信號(hào)，并可抑制水平方向聲信號(hào)的干擾，具有良好的一維指向性。根據(jù)該應(yīng)力分布曲線，分別在每根梁的外側(cè)加工PZT壓電薄膜。施加相同載荷時(shí)，應(yīng)力大小與梁尺寸有很大關(guān)系，對(duì)不同梁長(zhǎng)、梁寬、梁厚進(jìn)行應(yīng)力仿真分析得到應(yīng)力分布曲線如圖4所示。


本文編號(hào)：3140240