海洋在對(duì)外開放及國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位,在維護(hù)國(guó)家主權(quán),國(guó)家安全及國(guó)家發(fā)展利益中扮演重要角色。建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó),必須進(jìn)一步認(rèn)識(shí)海洋,加快海洋科技創(chuàng)新步伐。聲吶技術(shù)是探索海洋的重要手段,水聲傳感器作為其核心部件,更是可以助力中國(guó)深�？茖W(xué)研究走向國(guó)際前沿。本文結(jié)合MEMS（Micro Electro Mechanical System）加工工藝,利用壓電效應(yīng)設(shè)計(jì)一款四螺旋梁結(jié)構(gòu)的一維矢量水聲傳感器。首先研究聲音在水中的傳播理論及水聲傳感器的工作原理,對(duì)矢量水聲傳感器的振動(dòng)模型進(jìn)行分析,選定d₃₁型PZT(Pb(Zr_xTi_1-x)O₃)薄膜作為壓電功能材料。對(duì)壓電一維矢量水聲傳感器進(jìn)行初步設(shè)計(jì),通過(guò)COMSOL仿真對(duì)水聲傳感器關(guān)鍵尺寸進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化;完成器件的模態(tài)分析及靜電分析,預(yù)估壓電一維矢量水聲傳感器工作性能。完成傳感器芯片的工藝流程設(shè)計(jì)及版圖設(shè)計(jì),制備（111）擇優(yōu)取向的PZT壓電薄膜,實(shí)現(xiàn)功能層與4英寸SOI（Silicon-On-Insulator）晶圓片的異質(zhì)集成,完成MEMS加工,得到壓電一維... 

【文章來(lái)源】：中北大學(xué)山西省

【文章頁(yè)數(shù)】：72 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

DIFAR系列聲吶浮標(biāo)系統(tǒng)

中北大學(xué)學(xué)位論文41956年，美國(guó)學(xué)者率先發(fā)表第一篇關(guān)于矢量水聲傳感器的經(jīng)典論文“Hydrophoneformeasuringparticlevelocity”。文章設(shè)計(jì)以速度傳感器安裝在剛性球體內(nèi)，形成直徑為5英寸的對(duì)粒子速度敏感的低頻水聲傳感器，這種類型的速度水聲傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易校準(zhǔn)，穩(wěn)定，并具有良好的方向性，文中還推導(dǎo)了水下聲場(chǎng)中剛性均勻球體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式以及質(zhì)點(diǎn)振速測(cè)量方法，為后世水聲傳感器的發(fā)展提供了理論指導(dǎo)[32]。在矢量水聲傳感器的發(fā)展上，美國(guó)和俄羅斯均處于領(lǐng)先地位，不僅研制出性能穩(wěn)定的矢量水聲傳感器，成功實(shí)現(xiàn)工程實(shí)踐，而且還在矢量水聲傳感器校準(zhǔn)領(lǐng)域也進(jìn)行了的研究[33,34]。1989年，矢量水聲傳感器的系統(tǒng)性著作“Vector-phaseMethodinAcoustics”于蘇聯(lián)發(fā)表，基于此，蘇聯(lián)科學(xué)家率先研制出同振球形矢量水聲傳感器，如圖1-2所示。與標(biāo)量水聲傳感器相比，矢量水聲傳感器性能更加優(yōu)越，信噪比大約高出10~20dB[35,36]。圖1-2同振球形矢量水聲傳感器Figure1-2Sphericalvectorhydroacousticsensorofresonanttype俄羅斯制備的矢量水聲傳感器總體性能上與傳統(tǒng)小型陣列聲吶的水平相當(dāng)，且體積較小，已經(jīng)得到大規(guī)模應(yīng)用。俄羅斯海軍將由幾十只矢量水聲傳感器組成的水聲傳感器陣列布放在深海區(qū)進(jìn)行潛艇監(jiān)測(cè)，可對(duì)1km內(nèi)的潛艇進(jìn)行定位識(shí)別，矢量水聲傳感器測(cè)試距離可達(dá)4km。2004年，Wilcoxon公司制造出了具有三維指向性的同振型矢量水聲傳感器TV-001，該水聲傳感器采用壓電加速度計(jì)作為內(nèi)部敏感單元，響應(yīng)范圍為3Hz~7KHz，聲壓靈敏度較高（-193dB@1000Hz）的優(yōu)點(diǎn)，然而體積較大，實(shí)物如圖1-3所示，并將其應(yīng)用在SURTASS拖曳線陣中解決了左右舷模糊這個(gè)海洋測(cè)試中的常見問(wèn)題[37]。2007年，美

中北大學(xué)學(xué)位論文5國(guó)又將其與聲壓陣共同應(yīng)用于拖曳線陣[38,39]。隨后，美國(guó)海洋物理實(shí)驗(yàn)室所研制的Swallow浮標(biāo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時(shí)對(duì)聲子速度和聲壓的三個(gè)正交分量進(jìn)行測(cè)量，可以對(duì)海洋中某一點(diǎn)的聲場(chǎng)進(jìn)行完整的描述，該系統(tǒng)對(duì)于艦船輻射噪聲比的增益比標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)高3~6dB[40,41]。美國(guó)海軍還將矢量水聲傳感器排布在近海岸及深海區(qū)起到近海岸警戒及潛艇監(jiān)測(cè)的作用[42]。圖1-3三維同振型矢量水聲傳感器Figure1-33dvectorhydroacousticsensorofresonanttype隨著MEMS加工工藝的不斷進(jìn)步，MEMS器件也得到了極大地發(fā)展和應(yīng)用，包括生物、汽車、通訊等領(lǐng)域。水聲領(lǐng)域方面，美國(guó)科學(xué)家Howard1996年首先使用MEMS技術(shù)制備出了聲速度傳感器[43]。2006年科學(xué)家Li首次提出利用SOI片制備壓阻式MEMS水聲傳感器[44]。2010年，科學(xué)家Choi研制出新型的壓電式MEMS水聲傳感器并完成相關(guān)測(cè)試[45]。MEMS加工技術(shù)的出現(xiàn)使得水聲傳感器體積明顯縮校水聲傳感器應(yīng)用廣泛，是許多水聲系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，如水下噪聲監(jiān)測(cè)、海底測(cè)繪和成像、海洋哺乳動(dòng)物和漁業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究、水下通信、聲音導(dǎo)航和測(cè)距（聲納）系統(tǒng)。我國(guó)早期開展的關(guān)于海洋環(huán)境和艦船輻射噪聲的研究工作，核心器件就是矢量水聲傳感器[46-49]。除此外，我國(guó)海軍也致力于開展矢量水聲傳感器的軍事應(yīng)用，例如西北工業(yè)大學(xué)趙俊渭教授將研制出的一維矢量水聲傳感器應(yīng)用于深水炸彈上，矢量水聲傳感器在水雷應(yīng)用工作上也取得了很好的效果[50-52]。基于多樣化的應(yīng)用需求，我國(guó)學(xué)者也積極開展關(guān)于矢量水聲傳感器的研究[53-55]。

【參考文獻(xiàn)】：
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博士論文
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碩士論文
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本文編號(hào)：2945619