海洋在對外開放及國家經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)重要地位,在維護國家主權,國家安全及國家發(fā)展利益中扮演重要角色。建設海洋強國,必須進一步認識海洋,加快海洋科技創(chuàng)新步伐。聲吶技術是探索海洋的重要手段,水聲傳感器作為其核心部件,更是可以助力中國深�？茖W研究走向國際前沿。本文結合MEMS（Micro Electro Mechanical System）加工工藝,利用壓電效應設計一款四螺旋梁結構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,對矢量水聲傳感器的振動模型進行分析,選定d₃₁型PZT(Pb(Zr_xTi_1-x)O₃)薄膜作為壓電功能材料。對壓電一維矢量水聲傳感器進行初步設計,通過COMSOL仿真對水聲傳感器關鍵尺寸進行參數(shù)優(yōu)化;完成器件的模態(tài)分析及靜電分析,預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計及版圖設計,制備（111）擇優(yōu)取向的PZT壓電薄膜,實現(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... 

【文章來源】：中北大學山西省

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

DIFAR系列聲吶浮標系統(tǒng)

中北大學學位論文41956年，美國學者率先發(fā)表第一篇關于矢量水聲傳感器的經(jīng)典論文“Hydrophoneformeasuringparticlevelocity”。文章設計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構簡單，容易校準，穩(wěn)定，并具有良好的方向性，文中還推導了水下聲場中剛性均勻球體運動的數(shù)學表達式以及質(zhì)點振速測量方法，為后世水聲傳感器的發(fā)展提供了理論指導[32]。在矢量水聲傳感器的發(fā)展上，美國和俄羅斯均處于領先地位，不僅研制出性能穩(wěn)定的矢量水聲傳感器，成功實現(xiàn)工程實踐，而且還在矢量水聲傳感器校準領域也進行了的研究[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，且體積較小，已經(jīng)得到大規(guī)模應用。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)進行潛艇監(jiān)測，可對1km內(nèi)的潛艇進行定位識別，矢量水聲傳感器測試距離可達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作為內(nèi)部敏感單元，響應范圍為3Hz~7KHz，聲壓靈敏度較高（-193dB@1000Hz）的優(yōu)點，然而體積較大，實物如圖1-3所示，并將其應用在SURTASS拖曳線陣中解決了左右舷模糊這個海洋測試中的常見問題[37]。2007年，美

中北大學學位論文5國又將其與聲壓陣共同應用于拖曳線陣[38,39]。隨后，美國海洋物理實驗室所研制的Swallow浮標系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時對聲子速度和聲壓的三個正交分量進行測量，可以對海洋中某一點的聲場進行完整的描述，該系統(tǒng)對于艦船輻射噪聲比的增益比標準系統(tǒng)高3~6dB[40,41]。美國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加工工藝的不斷進步，MEMS器件也得到了極大地發(fā)展和應用，包括生物、汽車、通訊等領域。水聲領域方面，美國科學家Howard1996年首先使用MEMS技術制備出了聲速度傳感器[43]。2006年科學家Li首次提出利用SOI片制備壓阻式MEMS水聲傳感器[44]。2010年，科學家Choi研制出新型的壓電式MEMS水聲傳感器并完成相關測試[45]。MEMS加工技術的出現(xiàn)使得水聲傳感器體積明顯縮校水聲傳感器應用廣泛，是許多水聲系統(tǒng)的關鍵部件之一，如水下噪聲監(jiān)測、海底測繪和成像、海洋哺乳動物和漁業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究、水下通信、聲音導航和測距（聲納）系統(tǒng)。我國早期開展的關于海洋環(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，我國海軍也致力于開展矢量水聲傳感器的軍事應用，例如西北工業(yè)大學趙俊渭教授將研制出的一維矢量水聲傳感器應用于深水炸彈上，矢量水聲傳感器在水雷應用工作上也取得了很好的效果[50-52]�；诙鄻踊膽眯枨螅覈鴮W者也積極開展關于矢量水聲傳感器的研究[53-55]。

【參考文獻】：
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本文編號：2945619