论文部分内容阅读
声压水听器作为水下声压探测的核心器件在水声探测、海洋监测以及水下军事等领域发挥着重要的作用。本文设计的MEMS电容式声压水听器主要是通过敏感振膜在声波的作用下产生振动,将声信号转化为电信号从而实现对声压的检测。相比于当前占据较高市场份额的压电式声压水听器以及光纤式声压水听器,MEMS电容式声压水听器除了与液体介质具有良好的阻抗匹配,还具有小体积、低功耗、高灵敏度、宽频带和可批量化生产(低成本)等优点。本文对MEMS电容式声压水听器进行了结构设计,力学分析、热粘性声学仿真、工艺制备方案的摸索以及一致性测试,主要包含以下几点工作内容:(1)设计了电容式声压水听器的整体结构,并针对振动薄膜这一敏感单元进行了理论分析以及小信号模型分析,得到了水听器的振膜形变、塌陷电压以及谐振频率等参数与结构尺寸之间的关系,综合考虑下确定了水听器的各项结构尺寸。(2)针对小尺寸且工作在低频带的电容式声压水听器提出了热粘性声学分析方法,即在分析过程中需要考虑水听器结构壁面对声波的热阻尼与粘滞阻尼作用,进而在有限元分析的过程中引入了热粘性声学多物理场,分别通过静态分析、模态分析以及声扰动分析得到了水听器的振膜型变量、谐振频率、内部瞬时声速、内部声学温度变化以及接收灵敏度等重要参数。(3)利用MEMS技术对电容式声压水听器进行工艺制备,由于水听器面积大且厚度薄的振动薄膜在制备过程中极易破损,在制备过程中采用不同的工艺方法以及不同的薄膜材料进行多次尝试,主要包括采用牺牲层的方式通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备二氧化硅振动薄膜,以及采用SOI片与玻璃片进行阳极键合并减薄的方式制备单晶硅振动薄膜,最终通过阳极键合的方式制备出表面平整且质量较好的振动薄膜。(4)为了隔绝环境中的电磁干扰,将电容式声压水听器封装在设计好的电磁屏避壳中进行测试,通过阻抗分析仪对多个水听器进行测试,得到水听器电容容值的平均值为4.277pF,标准差为0.153pF,水听器的平均相位为-89.129°,标准差为0.153°,测试结果证明采用改进后的阳极键合工艺制备的电容式声压水听器具有良好的一致性。