發(fā)布時(shí)間：2017-05-22 10:07

  本文關(guān)鍵詞：壓電式MEMS仿生結(jié)構(gòu)矢量水聲傳感器的研制，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著推行海洋強(qiáng)國政策,加強(qiáng)海洋的開發(fā)、管理、利用以及控制等能力成為未來持續(xù)健康發(fā)展的重心,各國著重于研究矢量水聲傳感器。為了解決低頻、遠(yuǎn)程、多目標(biāo)物體識(shí)別,目前亟需解決的關(guān)鍵問題在于:探索、研究與發(fā)展矢量水聲傳感器實(shí)現(xiàn)微型化、低頻下精確探測(cè)同時(shí)提升靈敏度。結(jié)合仿生原理,壓電效應(yīng)和MEMS技術(shù)開發(fā)的壓電式MEMS矢量水聲傳感器有望解決上述問題。文中設(shè)計(jì)了基于壓電效應(yīng)的MEMS仿生結(jié)構(gòu)矢量水聲傳感器,通過仿生學(xué)原理和壓電效應(yīng)使設(shè)計(jì)出的水聲傳感器靈敏度得以提高;通過MEMS技術(shù)和壓電原理,批量制造無源器件,實(shí)現(xiàn)微小型化。期望設(shè)計(jì)的傳感器具有體積小,動(dòng)態(tài)測(cè)試范圍廣,噪聲低,靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。本文分析了水生動(dòng)物的側(cè)線感覺傳導(dǎo)的仿生學(xué)理論和材料的壓電效應(yīng),通過對(duì)設(shè)計(jì)水聲傳感器的理論分析,論證本文制作的器件的可行性。根據(jù)上述理論,設(shè)計(jì)出四懸臂梁-中心連接體結(jié)構(gòu),建立了數(shù)學(xué)模型,對(duì)其固有頻率,靈敏度,應(yīng)力以及剛度進(jìn)行分析,并通過MATLAB、ANSYS進(jìn)行仿真、分析、對(duì)比。在MEMS加工技術(shù)平臺(tái)上完成器件基礎(chǔ)芯片的制作,組裝。模仿水生動(dòng)物感覺器,完成仿生封裝,制造出壓電式MEMS仿生矢量水聲傳感器的模型樣機(jī)。最后,自主搭建振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)初步完成模型樣機(jī)的靈敏度、指向性的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的水聽器質(zhì)量輕、體積小、具有“8”字指向性。靈敏度為-192.2dB@500Hz(0dB參考值1V/μPa),頻帶寬度為20~300Hz。100Hz時(shí)頻帶內(nèi)指向性凹點(diǎn)深度大于20dB,軸向靈敏度最大值不對(duì)稱性小于0.2dB;300Hz時(shí)頻帶內(nèi)指向性凹點(diǎn)深度大于23.5dB,軸向靈敏度最大值不對(duì)稱性小于0.8dB。
【關(guān)鍵詞】：壓電效應(yīng) 仿生結(jié)構(gòu) MEMS 水聲傳感器
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP212
【目錄】：

• 摘要4-5
• abstract5-9
• 1 緒論9-16
• 1.1 課題的研究依據(jù)和意義9-11
• 1.2 矢量水聲傳感器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11-14
• 1.3 本論文研究的主要內(nèi)容14-16
• 2 壓電式MEMS仿生結(jié)構(gòu)矢量水聲傳感器的工作原理16-26
• 2.1 壓電式MEMS仿生結(jié)構(gòu)矢量水聲傳感器的仿生原理16-17
• 2.2 壓電式MEMS仿生結(jié)構(gòu)矢量水聲傳感器的敏感原理17-22
• 2.2.1 壓電效應(yīng)17-19
• 2.2.2 壓電式MEMS仿生結(jié)構(gòu)矢量水聲傳感器動(dòng)力學(xué)振動(dòng)模型19-21
• 2.2.3 壓電式MEMS仿生結(jié)構(gòu)矢量水聲傳感器壓電模塊工作原理21-22
• 2.3 壓電式MEMS仿生結(jié)構(gòu)矢量水聲傳感器的定向探測(cè)22-25
• 2.3.1 聲學(xué)理論分析水聲傳感器的拾振條件22
• 2.3.2 壓電式MEMS仿生結(jié)構(gòu)矢量水聲傳感器的定向理論研究22-25
• 2.4 本章小結(jié)25-26
• 3 壓電式MEMS仿生矢量水聲傳感器基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真26-39
• 3.1 壓電式MEMS仿生結(jié)構(gòu)矢量水聲傳感器基礎(chǔ)芯片的設(shè)計(jì)26-27
• 3.2 壓電式MEMS仿生結(jié)構(gòu)矢量水聲傳感器基礎(chǔ)芯片的力學(xué)特性分析27-32
• 3.3 壓電式MEMS仿生結(jié)構(gòu)矢量水聲傳感器基礎(chǔ)芯片的ANSYS仿真分析32-38
• 3.3.1 靜力學(xué)分析32-35
• 3.3.2 模態(tài)仿真分析35-37
• 3.3.3 諧響應(yīng)分析37-38
• 3.4 本章小結(jié)38-39
• 4 壓電式MEMS仿生結(jié)構(gòu)矢量水聲傳感器件制造39-52
• 4.1 MEMS器件結(jié)構(gòu)加工流程設(shè)計(jì)39-40
• 4.2 MEMS器件結(jié)構(gòu)的版圖設(shè)計(jì)40-43
• 4.3 PZT壓電功能薄膜材料的制備及性能研究43-46
• 4.3.1 PZT薄膜層的制備方法43-44
• 4.3.2 Sol-Gel法制備PZT薄膜44-45
• 4.3.3 PZT薄膜的性能表征45-46
• 4.4 MEMS器件結(jié)構(gòu)加工工藝研究46-49
• 4.5 仿纖毛結(jié)構(gòu)的柔性的粘接技術(shù)49-50
• 4.6 壓電式MEMS仿生結(jié)構(gòu)矢量水聲傳感器的仿生封裝50-51
• 4.7 本章小結(jié)51-52
• 5 壓電式MEMS仿生矢量水聲傳感器性能的初步測(cè)試52-57
• 5.1 壓電式MEMS仿生矢量水聲傳感器的振動(dòng)臺(tái)測(cè)試52-53
• 5.2 壓電式MEMS仿生結(jié)構(gòu)矢量水聲傳感器的水聲校準(zhǔn)測(cè)試53-56
• 5.2.1 接收靈敏度校準(zhǔn)測(cè)試53-54
• 5.2.2 指向性測(cè)試54-56
• 5.3 本章小結(jié)56-57
• 6 總結(jié)與展望57-59
• 6.1 論文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論57-58
• 6.2 論文創(chuàng)新點(diǎn)58
• 6.3 工作展望58-59
• 參考文獻(xiàn)59-64
• 攻讀碩士學(xué)位期間所取得的研究成果64-65
• 致謝65-66

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