MEMS仿生矢量水听器封装结构的设计与研究

针对MEMS仿鱼侧线矢量水听器提出三种封装结构,即采用聚氨酯材料制成的透声帽封装结构,透声帽内衬笼状支撑体的封装结构,透声帽内衬瓣状支撑体的封装结构采用ANSYS有限元建立三维封装模型并进行模态仿真,得出其固有频率分别为875 Hz、2 926 Hz、3006 Hz.采用Virtual.lab acoustic进行声衰减仿真并通过试验验证最终得出:内衬支撑体的封装结构,其有效带宽响应比无支撑体的透声帽封装结构宽2.2 kHz左右,同时,实验表明瓣状支撑体的收缩瓣状部分具有聚能效应,这种封装结构的水听器灵敏度比其他两种封装结构在相同频率点处高8 dB～ 12 dB.     

纳机电矢量水听器耐压结构设计

纳机电矢量水听器具有低频性能好,灵敏度高等性能优点,在深海探测领域具有巨大的应用潜力,为满足超深水工作的要求提出了绝缘托盘式新型封装结构,解决了纳机电矢量水听器的耐高静水压技术难题。首先,进行聚氨酯透声帽外围封装承压分析,理论论证聚氨酯基体树脂材料的极限耐静水压强度为42.3 MPa。然后,对MEMS芯片输出电压进行理论计算以及对其进行模态仿真,得出在高达20 MPa的静水压作用下,传感器的输出灵敏度基本无变化,而且工作频带有所拓宽。测试结果表明:改进封装的纳机电矢量水听器在高压20 MPa时,可以实时获得敲击信号;加压前后,该水听器在20 Hz~1 000 Hz工作频带内水听器的灵敏度和指向性基本一致。     

基于丁腈橡胶帽封装的MEMS仿生水听器的设计

针对现有封装结构会对灵敏度造成一定程度的损失,使现有水听器的灵敏度小于水听器芯片裸测灵敏度的问题,改用了透声性能好、耐腐蚀的丁腈橡胶(NBR)制作的透声帽,并对现有的矢量水听器的封装外壳进行相应的优化设计。该封装结构的水听器的共振频率降低到50 Hz以下,水听器所感兴趣的频段(50 Hz~4 kHz)不会受到封装谐振的干扰,拓宽了水听器的工作频段。该封装的灵敏度提高到几乎与裸片的灵敏度一致,达到(-170±2)dB,并优化金属管壳的圆盘的尺寸,即水听器最大径,由36 mm缩小至28 mm,使水听器的封装进一步小型化。     

纤毛式MEMS矢量水听器的优化设计与测试

针对目前MEMS仿生矢量水听器灵敏度偏低和现有封装结构的固有机械特性对芯片拾振特性影响很大的问题,对该结构水听器从两个方面进行优化设计,一是提出一种新型纤毛材料碳棒代替光纤,二是提出嵌入式透声帽封装结构.首先理论分析纤毛和封装对水听器灵敏度和频带的影响,并用ANSYS软件对其进行仿真,最后对加工的水听器样机进行频响和指向性测试.测试结果表明:在25 ～300 Hz,优化后的水听器灵敏度提高了5 dB;在300～ 1000 Hz,优化后水听器灵敏度提高10 dB,优化后水听器的共振峰明显后移,拓宽了水听器的工作频带,且具有良好的指向性,为水听器进一步的发展和工程应用奠定了基础.     

基于Parylene 封装的宽频带MEMS矢量水听器

针对目前水听器的聚氨酯封装所导致的窄频带问题,提出一种新的高疏水Parylene薄膜无透声帽封装矢量水听器,即利用Parylene薄膜的淀积高保形性、低渗透性和高绝缘性实现无透声帽封装,解决透声帽带来共振峰引入问题,拓宽水听器的频带。实验结果表明：水听器的共振峰由450 Hz提高到了1400 Hz。     

MEMS矢量水听器减振结构的设计与研究

在MEMS矢量水听器现有结构的基础上,设计出一种新型减振结构,期望利用该封装结构衰减水听器工作时安装平台的振动噪声,削弱安装平台振动对水听器测量精度的影响,提高水听器的抗噪能力。结合理论分析确定减振材料并采用有限元软件进行仿真,对矢量水听器先后采用原有封装结构和减振封装结构进行封装,并通过振动台实验和驻波桶灵敏度测试。测试结果表明：该结构可有效实现对MEMS矢量水听器干扰信号的衰减,同时基本不影响水听器的接收灵敏度。     

一种平面型透声水听器的建模与特性研究

为提高水听器的透声性能和接收性能,提出了一种基于穿孔金属骨架与柔性胶填充相结合的新型PVDF水听器背衬结构。具体分析了平面型PVDF水听器的工作机理,利用有限元法从水听器的透声性能和接收性能两个方面进行理论预报和优化设计。在此基础上,研制了平面型透声水听器样品并开展了性能测试。理论分析和实验结果表明,该背衬结构不仅可以有效抑制平面型PVDF水听器横向效应,起到提升低频灵敏度和降低频带内灵敏度起伏的作用,而且在改善水听器透声性能方面有较好的效果。     

一种新型压阻式硅微仿生矢量水听器的设计

介绍了一种新型的基于压阻效应的硅微仿生矢量水听器,详细叙述了该矢量水听器的结构设计方法,利用有限元软件ANSYS对矢量水听器结构进行了模态分析,采用振动台标定与低频校准装置测试相结合的方法对水听器进行测试,并给出了检测单元的加速度频响特性曲线和声压灵敏度曲线,以及矢量水听器在水下测试的接收灵敏度曲线和指向性图的测试结果.通过此实验方法,不仅验证了该矢量水听器设计的合理性,而且验证了它适用于低频检测,应用于水声探测具有一定的可行性.实验证明,该矢量水听器的接收灵敏度在500 Hz时达到-189.6 dB(0 dB=1 V/μPa),并具有良好的"8"字形的指向性.     

一种新型压阻式硅微仿生矢量水听器的设计

介绍了一种新型的基于压阻效应的硅微仿生矢量水听器,详细叙述了该矢量水听器的结构设计方法,利用有限元软件ANSYS对矢量水听器结构进行了模态分析,采用振动台标定与低频校准装置测试相结合的方法对水听器进行测试,并给出了检测单元的加速度频响特性曲线和声压灵敏度曲线,以及矢量水听器在水下测试的接收灵敏度曲线和指向性图的测试结果。通过此实验方法,不仅验证了该矢量水听器设计的合理性,而且验证了它适用于低频检测,应用于水声探测具有一定的可行性。实验证明,该矢量水听器的接收灵敏度在500Hz时达到-189.6dB(0dB=1V/μPa),并具有良好的“8”字形的指向性。     

一种MEMS同振柱型仿生矢量水听器的研制

提出了一种结合MEMS技术、仿生原理和压阻原理的同振柱型矢量水听器,即由二维仿生水听器和声压水听器组合而成的柱体。在声学理论基础上详细介绍了该水听器的封装设计及制作过程,在国防水声一级计量站对该矢量水听器进行校准实验,实验结果表明:该同振型矢量水听器的工作频带范围为0～3 kHz;X通道灵敏度-177.9 dB(2 kHz),Y通道灵敏度-175.4 dB(2 kHz),声压通道灵敏度-175.8 dB(2 kHz);具有很好的"8"字指向性;可承受3 MPa压力。此新型MEMS同振矢量水听器适用于民用船只避障,渔业捕捞,海洋勘探等领域。     

基于共振隧穿二极管的矢量水声传感器设计

提出了一种基于共振隧穿二极管(RTD)的矢量水声传感器,传感器采用共振隧穿二极管作为敏感元件,共振隧穿二极管布置在传感器结构中柱体的四周边缘.两个反方向变化的基于共振隧穿二极管的振荡器的输出信号通过信号处理电路预处理后输入微处理器,计算出声源水平方位角和声压.分析并设计了基于共振隧穿二极管的振荡电路、矢量水声传感器物理结构以及制作工艺,讨论了传感器信号处理方法.     

MEMS矢量水听器及其方位估计研究

水下目标被动侦测对高灵敏、低频检测矢量水听器提出了越来越高的要求,传统的矢量水听器已不能满足需求。基于新原理的矢量水听器的大量研究,提出了一种新的MEMS矢量水听器,介绍了该水听器方位检测原理;设计了方位估计实验方案,完成了实际的方位估计实验。测试结果表明：该水听器角度测试值与真实值基本相符,误差约为2°。     

四元阵型MEMS矢量水听器微结构设计

针对当前的MEMS矢量水听器存在左右舷模糊问题,提出了一种四元阵型MEMS矢量水听器微结构。首先,从理论上分析了当前的MEMS矢量水听器左右舷模糊问题,从而提出了可消除左右舷模糊的四元阵型MEMS矢量水听器微结构。其次,对四元阵型MEMS矢量水听器微结构进行有限元仿真,声源方向可以通过分析各阵元应力分布情况而唯一确定。最后,通过驻波声场试验验证其可行性,结果表明,该微结构可实现左右舷分辨,有效消除左右舷模糊。     

Advancements in technology and design of NEMS vector hydrophone

This paper reports on recent developments to improve the performance of hair vector hydrophone by means of several technological advancements in the fabrication procedures and corresponding sensor design. With fish’s lateral line organs as prototypes, NEMS (Nano-Electromechanical System) vector hydrophone with directivity has been designed. This paper describes the meso-piezoresistance effect of resonant tunneling thin-film, and the NEMS hydrophone based on this effect is highly sensitive and small size. The application of bionics structure may improve the low-frequency sensitivity of hydrophone. The calibration test shows that NEMS vector hydrophone’s receiving sensitivity is up to −170 dB (0dB = 1 V/μPa), has a good directional pattern in the form of “8” shape. The sea test shows that the direction of target can be detected by single NEMS vector hydrophone. In the anechoic tank, it has been verified that NEMS vector hydrophone can track the trajectory of the moving target.