一种新型三维MEMS电容式矢量水听器研制

介绍了一种基于MEMS工艺设计的电容式矢量水听器.该矢量水听器的检测单元包括一个“三明治”结构敏感芯片和一个采用变送集成技术的信号调理电路.通过优化敏感芯片的结构和低噪声的信号调理电路,使矢量水听器得到很高的灵敏度、分辨率.利用MEMS微机械加工工艺制作出矢量水听器,检测单元相互正交并进行了声学灌封.矢量水听器完成了水下驻波场测试,测试结果表明:该矢量水听器的接收灵敏度在1 000Hz时达到-180 dB(0 dB re 1 V/μPa),动态范围大于120 dB.     

应用于低频水声信号探测的小型潜标系统设计

针对水声信号探测和MEMS矢量水听器工程应用的需求，设计了一种应用于低频水声信号探测的小型潜标系统，该系统具有体积小、成本低、布放回收简便等优点，系统以FPGA为控制核心，控制三维姿态传感器采集MEMS矢量水听器姿态信息，同时将采集到的水听器信号一起传输至上位机分析和显示，实现水声信号的探测。实验结果表明:该系统数据传输速 率为2Ｍｂｙｔｅ/ｓ，探测信号频段范围为20Ｈｚ~1ｋＨｚ，该系统在水下工作稳定，可正确记录水声信号。     

基于HTCC电路的MEMS复合同振型水听器设计

矢量水听器是感知水下声信息的重要设备,基于MEMS微加工工艺研制了一种复合同振型矢量水听器,将MEMS矢量水听器芯片与压电陶瓷环在结构上组合在一起,能够同时拾取水下目标信号的标量信息和矢量信息。内部集成了HTCC调理电路,能够有效降低传感器耦合噪声,提高检测信号的信噪比。通过驻波管计量,MEMS复合式水听器的工作频率范围为20～1 000 Hz,矢量振速通道灵敏度为-170.5 d B@1 k Hz,标量声压通道灵敏度为-174.7 d B@1 k Hz。通过内嵌电路,信噪比提高了15 d B。     

高灵敏度宽频带阵列式仿生矢量水听器研究

针对MEMS仿生矢量水听器灵敏度和频带相互制约,不能同时满足宽频带高灵敏度测量的问题,在单个MEMS矢量水听器的基础上,设计了由四个单元构成的2×2单片集成微敏感结构阵列,实现了水听器的高灵敏度和宽频带。通过理论分析和ANSYS仿真分析,确定阵列微结构的尺寸,采用硅微机械加工工艺完成了阵列微结构的加工,最后在水声一级计量站对封装好的水听器进行了灵敏度和指向性校准测试。测试结果表明:该阵列式仿生矢量水听器未加前置放大时灵敏度达到-189 dB,频响范围20～5 000 Hz,具有良好的"8"字型指向性。     

一种仿侧线神经丘的MEMS矢量水听器设计

基于仿生学原理,设计了一种仿侧线神经丘的微电子机械系统(MEMS)矢量水听器。该水听器采用环形纤毛模拟鱼类侧线神经丘中的纤毛束与胶质顶,通过4个十字梁与集成在梁上的压敏电阻将声信号转换为电阻变化量,由电阻构成Wheatstone电桥将电阻变化量转换为电压信号。使用ANSYS软件对水听器结构进行了仿真,得到环形纤毛的结构参数。制作了水听器样机,通过比较校准法进行测试。测试结果表明该水听器带宽为20～1 000 Hz,灵敏度达到了-179.81 dB@1 kHz,在带宽内较单个十字梁与纤毛结构的纤毛式矢量水听器平均提高了15.55 dB,测试结果与仿真结论基本一致。     

复合式MEMS水听器的设计

针对微机电系统(MEMS)仿生矢量水听器工作频带窄,灵敏度低,且存在左、右舷模糊问题,设计了高灵敏宽频带复合式MEMS水听器。矢量部分选择4个不同纤毛长度的仿生矢量水听器组成阵列,各结构间采用并联方式,工作频带拓宽到4 800Hz,并分割出4个不同的频率段,在拓宽了频响带宽的同时保证了灵敏度。标量部分采用低频电容水声传感器进行优化设计,空腔注满硅油、振膜开设声学孔,提高振膜承压性的同时保证了良好的动态性能。后续对标量和矢量信息进行声能流联合算法处理,解决了左右舷模糊的难题。该文主要介绍了复合式MEMS水听器的工作原理,结合ANSYS workbench进行了仿真验证。选用玻璃片及绝缘衬底上的硅(SOI)片键合的单片集成复合结构工艺设计,在玻璃上定义空腔及下电极,在SOI片上定义十字梁和振膜,整体结构一致性好,定位精度高。     

MEMS矢量水听器阵列方位估计的对比研究

基于新型微机电系统(MEMS)仿生矢量水听器,首先利用计算机仿真对比分析了阵列空间谱估计4种相关算法(包括MUSIC算法、Capon最小方差法、空间平滑算法和MMUSIC算法)的优劣性.其次在对比分析的基础上,考虑实际操作的可行性和信号处理的准确性,选取定向精度较高,分辨能力较强的MUSIC算法处理不相干信号源,选取MMUSIC算法处理相干信号源.通过仿真验证和实验分析,结果表明,该MEMS矢量水听器阵列定向精度均在5°以内,具有较好的定向能力.     

基于MEMS标矢量一体化水听器的浮标系统设计

MEMS标矢量一体化水听器为一种新型的复合式水听器,针对其特性与应用前景和海洋探测需求,基于该传感器设计了一种声呐浮标系统。该系统由STM32、模数转换模块AD7606、无线模块AS01-ML01DP等构成,实现了数据采集存储、无线发送等功能,探测频率为20Ｈｚ~1ｋＨｚ,数据传输速率为2Ｍｂｉｔ/ｓ,由基站实时接收来自水下传感器的信号,经试验验证,该系统能够正常工作,满足传感器工程应用需求。     

MEMS矢量水听器定位误差分析与测试

针对一种纤毛式微机械电子(MEMS)矢量水听器的工作原理进行分析,通过分析得出该矢量微传感器的定位误差主要来源于纤毛柱体的偏差.通过有限元仿真分析得出纤毛柱体的偏差对矢量水听器在两个方向上的灵敏度有较大影响,理论计算出在纤毛偏移下2个轴向灵敏度度误差为9.74％.对水听器结构进行轴向灵敏度测试,测出x向灵敏度为0.683 mV/g(其中g为重力加速度),y向灵敏度为0.755 mV/g,两个方向上灵敏度相对误差为9.5％,与仿真结果接近.     

标矢量一体化水听器的设计北大核心

MEMS仿生矢量水听器具有体积小、刚性安装和单支定位等优点,但是在单支水听器定位时,常存在双边指向性造成左右舷模糊的问题。为了解决单支矢量水听器定位的问题,设计了一种通过集成一个标量通道实现单边指向性的标矢量一体化水听器。首先,详细介绍了标矢量一体化水听器的制备过程。然后,通过ANSYS 17.0软件对标矢量敏感结构的模态进行了仿真分析,确定了标矢量敏感单元共同的可测带宽为20-1 000 Hz。经过耐压实验,该标矢量一体化水听器可经受5 MPa的静水压力。从指向性测试可以看出标量端具有较为完整的全向指向性,矢量端具有良好的8字形双边指向性,验证了本设计的可行性。通过外场实验得出,标量信息采集端与标准水听器信噪比皆在40 dB左右,证明标量信息采集端具有良好的声音接收能力。     

基于三元阵列式MEMS水听器的被动定位系统设计

声纳系统是水下武器装备的重要组成部分,其发展趋向隐蔽性、小型化。文章提出了一种基于小型化三元阵列式微机电系统(MEMS)水听器的被动定位系统。首先,设计了一种三元阵列式MEMS水听器,即在同一芯片上集成三个不同角度偏差的MEMS矢量敏感单元;其次,在充分分析水听器工作原理的基础上建立了阵列式水听器的定位模型,并通过仿真验证了其设计的合理性;最后,以STM32单片机为控制核心设计了阵列式MEMS水听器的信号处理与目标定位系统。这种三元阵列式MEMS水听器在仿真定位中展现了良好的定位精度,充分证明了本系统设计的正确性及实用性。     

高灵敏加速度计微弱信号提取电路设计与测试

介绍了一种压阻式高灵敏加速度传感器微弱信号提取电路。该信号提取电路采用两级信号放大设计,两级之间设计有二阶巴特沃兹低通滤波器。本设计电路通过电路仿真软件进行仿真和外接加速度计测试。测试结果表明,该微弱信号检测提取电路可以很好地对高灵敏MEMS加速度计输出的信号进行放大,具体表现为可将传感器输出信号从毫伏级放大到伏级。采用这种电路设计的MEMS高灵敏加速度计输出信号具有良好的低频特性,可以满足高灵敏传感器宽频带测试的需要。     

基于MEMS加速度计的数字倾角测量仪的设计

设计由MEMS加速度计与SoC型单片机C8051F040组合而成的一种新型数字倾角测量仪,通过对MEMS加速度计的输出信号进行调理和A／D采集．并且在获得数字信号后进行温度补偿,解算出倾角值并通过LCD1602显示。该倾角测量仪具有体积小、重量轻、精度高的特性,可广泛应用于建筑、机械、道路、桥梁和地质勘探等重力参考系下测量倾角的场合。     

FIR数字滤波在MEMS加速度计中的应用

简要分析了MEMS加速度计应用模型中的噪声来源,介绍了FIR数字低通滤波器的设计方法,并用FPGA实现的FIR滤波器对MEMS加速度计的输出信号进行了实时滤波处理。通过对滤波前后时、频域信号的比较,可以看出采用FIR数字低通滤波器能有效抑制加速度计输出信号中的高频噪声、提高加速度计的测量精度。实验结果表明,滤波前噪声信号标准偏差为1.53×10-5V,经FIR数字低通滤波后的噪声信号标准偏差降低为5.4×10-6V,加速度计的分辨率由126μg提高到42μg。     

一种新型过载传感器的数字化设计

针对以往输出模拟信号的过载传感器传输稳定性差、抗干扰性差、操作不便等问题,提出了一种可实现数字信号输出的新型过载传感器。选用基于MEMS技术的电容式加速度计实现对过载信号的高精度采集,信号经调理电路后通过STM32微处理器内部的模数转换模块处理数据,采用RS-485通信总线实现数字信号的传输,最终实现过载参量的灵敏采集和数字信号输出。实验证明,该传感器在性能可靠性及功能完整性方面均满足设计要求。     

基于24位置的MEMS惯性传感器快速标定方法

针对微惯性测量单元原始输出信息受零偏、标度因数、非正交误差等误差项干扰影响测量精度的问题,提出一种无需借助高精度转台的MEMS IMU快速原位标定方案。在分析MEMS惯性传感器输出特性的基础上建立传感器误差模型,利用六面体夹具设计IMU 24位置连续转停标定方案,以重力及各次旋转角度为参考信息完成传感器误差标定。针对加速度计零偏、标度因数、非正交误差9个参数构造标定模型,采用牛顿法估计误差参数最优值,考虑陀螺仪零偏与标度因数6个误差参数,利用最小二乘法计算误差参数最优估值。分别进行加速度计、陀螺标定补偿实验,实验结果表明,提出的MEMS IMU快速原位标定方法能快速得到传感器误差参数,提高了输出数据精度。     

MEMS仿生矢量水听器封装结构的隔振研究

利用隔振原理,设计了矢量水声传感器系统中一种新型隔振封装结构模型,即加入橡胶减振器的新型封装结构。采用ANSYS软件对封装模型进行模态分析,研究模型结构和几何尺寸对其隔振性能的影响,确定最优隔振封装结构;对模型的几何尺寸及橡胶隔震材料力学参数进行优化,并对优化模型的隔振性能进行实验测试和评估。实验结果表明：所设计的新型橡胶减振结构具有一定的减振效果,隔离了一定程度的核心器件以外的外界振动干扰,提高了原有封装结构矢量水听器的探测灵敏度。再次验证了硅微MEMS仿生矢量水声传感器不但体积小、质量轻、结构简单,而且具有低频灵敏度高等优点。     

基于Kalman滤波和六位置法的加速度计标定补偿

加速度计的零偏、刻度因子、安装误差都会影响加速度计的精度。以微机械系统(MEMS)加速度计为实验对象,采用卡尔曼(Kalman)滤波对实验数据进行滤波,结合六位置法得到MEMS加速度计的零偏、刻度因子、安装误差与MEMS加速度计测量值的关系,最终获得基于Kalman滤波和六位置法的MEMS加速度计标定补偿数学模型。通过实验测试表明,补偿后MEMS加速度计的输出值更接近标准值,且加速度计解算俯仰角(-90°~+90°)的绝对误差由补偿前的1°经补偿后减小为0.34°。验证了该标定补偿算法的可行性,对提高MEMS加速度计测量精度有较好的理论和工程应用价值。     

基于MEMS的硅微压阻式加速度传感器设计

硅微加速度传感器是MEMS器件中的一个重要分支,具有十分广阔的应用前景。由于硅微加速度传感器具有响应快、灵敏度高、精度高、易于小型化等优点,而且该种传感器在强辐射作用下能正常工作,因而在近年来发展迅速。文章首先对传感器结构及工作原理进行了简单介绍,给出了一种基于MEMS技术制作的压阻式硅微加速度传感器的结构和工艺,并对制作的加速度传感器样品进行了动态测试,测试结果表明与理论设计值基本吻合。