MEMS压电矢量水听器

矢量水听器已成为水下探测的声学换能器一种新类型，它已广泛应用于水声工程领域中。MEMS矢量水听器是矢量水听器的一个重要发展方向。本项目提出了一种新型MEMS矢量水听器，即基于压电薄膜的MEMS压电矢量水听器。它除具有MEMS器件微小型的特点外，有较高灵敏度；是无源器件，工作稳定可靠；外电路简单，可置于MEMS矢量水听器的外壳中。本项目对带有惯性质量的悬臂梁压电复合梁和桥式压电复合梁两种结构，在粘滞液体中受声强迫振动，和相应的声-力-电作用过程进行原理分析；解决MEMS工艺过程中的关键问题，进行MEMS工艺研究；在理论分析和工艺制备条件下，提出优化设计；研制出MEMS压电矢量水听器的实验器件；并对它的灵敏度、工作带宽、指向性等关键参数进行性能测量，它将为今后MEMS压电矢量水听器及其在水声工程中的应用打下基础。

MEMS矢量水听器具有体积小、重量轻、成本低，易实现低频检测等优点，在水声测量中具有重要的应用。针对目前微矢量水听器存在的需要外加电源、工艺复杂、灵敏度低等问题，提出以MEMS压电加速度计作为核心传感部件的MEMS压电矢量水听器，它制备工艺相对简单，成品率高，是无源的因而噪声只是材料本身的热噪声，且灵敏度预计比压阻式要高。由近似解析和有限元分析，得出加速度计的灵敏度和谐振频率，并在此基础上对其结构和压电层材料进行了优化设计和选择。在对压电层制备、体刻蚀、狭缝刻蚀等关键工艺研究的基础上，研制了基于ZnO薄膜的MEMS压电加速度计，并装配后构成MEMS矢量水听器。采用标准加速度计直接对MEMS矢量水听器进行校准测试。测试结果表明：加速度灵敏度在20-1,200Hz范围内约为0.83 mV/m•s-2。经过液柱法测量，在1kHz时，MEMS矢量水听器等效声压灵敏度为-229.5dB（ref. 1V/μPa），比同类型压阻式MEMS矢量水听器的灵敏度高17dB以上。本项目研究为今后MEMS压电矢量水听器的应用打下了良好的基础。