压电式MEMS仿生结构矢量水听器设计-开题报告

毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：专 业：设计(论文)题目：压电式MEMS仿生结构矢量水听器封装及性能测试研究指导教师: 2013年12月10日开题报告填写要求1开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）。文中应用参考文献处应标出文献序号，文后“参考文献”的书写，应按照国标GB 771487文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性；4学生的“学号”要写全号（如,为10位数），不能只写最后2位或1位数字；5. 有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”；6. 指导教师意见和所在专业意见用黑墨水笔工整书写，不得随便涂改或潦草书写。毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述1.1本课题的研究背景及意义 水声学作为声学的一个分支，主要研究声波在水下的产生、辐射、传播和接收的理论，用以解决与水下目标探测、识别以及信息传输过程有关的声学问题。在海战中，声纳是海上作战个体（各种舰、艇）的五官，所有的水下战场侦察都要以声纳为媒体，缺之不可1。水声换能器作为声纳系统的重要部件之一，是水声学的一个重要研究方向，新型水声换能器的研究是海军声纳技术发展的一个关键内容。水声换能器是水下各种发射、接收测量用传感器的总称， 它将水下的声信号转换成电信号（接收换能器），或将电信号转换成水下的声信号（发射换能器），是声纳的重要组成部分。一部声纳性能的优劣与水声换能器性能的优劣直接相关。在水声工程中，换能器技术处于一个基础性的地位。换能器技术的进步可带动声纳系统技术水平的提高，因此，新型水声换能器的研究工作具有重要意义2。矢量水听器是接收换能器的一种。在国外，矢量水听器是继标量水听器后的热门研究课题。矢量水声传感器不但可以同时探测声压信号和振速信号，而且具有宽带一致的偶极子指向性3。在水声测量系统中，矢量水声传感器的采用使系统的抗干扰能力和线谱检测能力获得提高因此矢量水声传感器的研究工作受到国内外研究者的极大重视。随着技术的不断发展，技术需求越来越多，为满足岸站建设的需要，实现远程检测、识别，低频检测能力日益显得重要。同时，随着目标信号的减弱，高灵敏度检测问题也变得非常迫切。目前，对矢量水声传感器来说急需解决的几个关键问题是：高灵敏度问题；甚低频检测问题；矢量水声传感器的小型化问题；抗噪声干扰问题等4。 以上问题可以以微机电系统(micro electro mechanical system，MEMS)技术平台为依托，利用仿生学理论和压电原理，通过开发新型传感器的仿生制造技术以及仿生微系统的集成技术得到解决。1.2 本课题的发展现状及前景1.2.1 国外本课题的发展现状及前景矢量水听器由于体积小、重量轻、布放方便等特点，在实际应用中已经受到重视。近年来，在MEMS仿生器件研究方面，国外已有多家研究机构通过模仿鱼类侧线器官、蟋蟀的听觉纤毛等，设计并制造出了多种压电式、压阻式以及电容式的MEMS纤毛仿生微传感器，如德国的Nest-erov和Brand于2005年研制出了压阻式MEMS仿生微探测器，美国伊利诺斯州立大学微米纳米技术研究中心的Chen等于2006年通过模仿鱼类的侧线器官工作原理，研制出了纤毛式MEMS仿生微流量传感器。荷兰的Krijnen等在2006年通过模仿蟋蟀的听觉纤毛，制作出了纤毛式仿生微声传感器5。 目前，在美国和俄罗斯，性能稳定的矢量水听器已经进入了工程应用阶段。美国在SURTASS系统中已经应用矢量水听器，解决了左右舷模糊问题；前苏联利用其研制的矢量水听器托线阵，系统地研究了矢量水听器托线阵的姿态、拖拽速度和流噪声对矢量水听器检测性能的影响。国外的纤毛仿生传感器也主要为微触觉传感器或微流量传感器，关于纤毛式的仿生MEMS水声传感器还未见报道6。1.2.2 国内本课题的发展现状及前景 国内从“八.五”期间开始矢量水听器的研究，并取得了丰硕的成果，先后研发了以双迭片为敏感元件的不动外壳型矢量水听器和以加速度计为敏感元件的同振球型矢量水听器。十年来，我国在矢量水听器的研制方面取得了长足的进步，先后研制出多种结构具有自主产权的矢量水听器，包括动圈式矢量水听器、悬臂梁式多维测振传感器、压电圆盘弯曲式同振型矢量水听器以及中、高频二维柱形、三维球型矢量水听器等，从而实现了水声测量中不同场合的不同需求7。目前，国内关于纤毛式仿生MEMS传感器的研究还比较少，主要研究成果是中北大学微米纳米研究中心设计并制造的压阻式MEMS仿生结构矢量水听器，如图1所示8。该水听器是通过模仿鱼类侧线器官的神经丘感觉器，完成了以压敏电阻为敏感单元的水声传感器仿生组装设计；利用新型精巧的仿生结构和压阻敏感机理设计制作新型的矢量水声传感器；利用MEMS批量制造技术，实现矢量水声传感器的小型化和一致性；结合MEMS工艺和组装工艺技术，解决复杂结构的仿生制造问题。该矢量水声传感器的低频特性、灵敏度、小尺寸以及水声传感器的一致性等方面带来好处，为水声传感器的设计提供一种新方法9。图1 压阻式MEMS仿生结构矢量水听器1.3 本课题相关理论综述1.3.1 压电材料基本介绍 压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。分为无机压电材料、有机压电材料和复合压电材料。无机压电材料又分为压电晶体和压电陶瓷10。压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。有机压电材料又称压电聚合物，如聚偏氟乙烯(PVDF)（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料及其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数(d)偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。第三类是复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深度。1.3.2 压电效应基本介绍 压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器11。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。 正压电效应（如图2）是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。 逆压电效应（如图3）是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应12。电荷 可以证明，正压电效应和逆压电效应中的系数是相等的，且具有正压电效的材料必然具有逆压电效应。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。电荷晶体电极电极 压缩外力拉伸外力未加压力时 图2 正压电效应原理图 外力使晶体产生电荷外加反向电场外加电场未施加电场时电极晶体电极 图3 逆压电效应原理图 外加电场使晶体产生形变1.3.3 仿生理论介绍高度特化的皮肤感觉器官一侧线器官，是水生两栖动物及鱼类所特有的听觉器官侧线呈沟状或管状，鱼类身体两侧一般各有1条侧线。少数鱼类每侧有2条或更多条。侧线主管形成很多小管分支至体外开孔，在体侧即形成侧线，在两分支小管之问，每一段主管管壁上分布有呈节状的神经丘感觉器（如图4所示），这些神经丘感觉器浸润在充满黏液的侧线管内13。神经丘是皮肤感觉器官的基本单位，由几个感觉细胞和一些支撑细胞组成。感觉细胞低于四周的支持细胞。每一感觉细胞上都有1根粗而长的动毛和数根细而短的不动毛。支持细胞的分泌物在感觉器外表凝结成一长的胶质顶，即感觉顶，感觉纤毛则被包藏在顶的内部。侧线器官的管壁上由带纤毛的感觉细胞和支撑细胞组成，感觉细胞主要起触觉感受器和振动感受器的作用一。感觉细胞上的神经末稍通过侧线神经而联接于延脑发出的迷走神经。神经丘浸润在黏液中，不论是水内还是水外的声波、振动波等外力作用于水，都可使水的压力产生变化，这种压力通过侧线孔进人管内，传递于黏液，引起黏液流动；再由黏液传递到神经丘，引起感觉顶发生偏斜，通过感觉顶内的黏液流动，使得可动纤毛也发生偏斜，从而使感觉细胞获得刺激；刺激通过感觉神经纤维，经侧线神经传递到延脑。这就是鱼类侧线器官的感觉传导途径，如图5所示14。侧线管通过皮肤表面的孔，水的振动传入侧线管鱼类侧线器官的主要作用是：确定方位；感觉水流；感受低频率声波；辅助趋流性定向。它可以感知水压大小、水流速度、水流方向、水中物体的位置和其他各种变化，还能感受水下低频声波。鱼类在捕食、逃避敌害与求偶产卵活动中，都有赖于侧线对振动的感觉作用。鱼类侧线这一特殊听觉器官为设计具有定向性的水声传感器提供了原型。神经末梢水皮肤侧线位于鱼体的上侧 神经末梢把振动转化为神经信息感觉神经内沟 (a) 鱼类的侧线器官传出神经元传入神经元支撑细胞感觉细胞不动纤毛可动纤毛感觉顶 （b） 神经丘感觉器 图4 鱼类侧线器官及其神经丘感觉器 感觉细胞纤毛粘液感觉顶声音信号 图5 鱼类侧线器官的感觉传导途径1.3.4 压电式MEMS仿生结构矢量水听器1.3.4.1 压电式MEMS仿生结构矢量水听器仿生组装原理流程图水声信号水声信号 鱼类侧线器官的感觉传导途径感觉顶偏斜透声帽倾斜水声传感器的仿生感觉传导途径粘液流动蓖麻油流动纤毛振动塑料柱体振动毛细胞感觉晶体变形极化 延脑感知信号电路处理 图6 压电式MEMS仿生结构矢量水听器的仿生组装原理图1.3.4.2 压电式MEMS仿生结构矢量水听器仿生组装原理简介 对压电式MEMS仿生结构矢量水听器，将其透声橡胶帽、蓖麻油、刚硬塑料柱体、压敏电阻、金属导线分别模仿成鱼类侧线器官的感觉顶、感觉顶内部的黏液、可动纤毛、感觉细胞以及神经纤维15。因此，当有水下声信号作用于水听器的透声橡胶帽（感觉顶）时，透声橡胶帽（感觉顶）将会通过蓖麻油(黏液)把相应的声音信号传递给刚硬塑料柱体(可动纤毛)，刚硬塑料柱体与其所处的介质质点同振，从而将感受到的声信号传递给压电敏感单元(感觉细胞)，即压电晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷使梁产生应力变化。通过金属导线(神经纤维)以及相应的电路信号检测单元，即可以实现水下水平面内声信号的矢量探测16。1.4 本课题的目的与意义 根据鱼类侧线听觉仿生原理，将压电原理和MEMS 技术应用于矢量水听器是一种新原理、新方法的探索，并且适用于低频的水声探测。压电式MEMS矢量水听器是一种基于压电效应的MEMS结构微型无源器件，它可以实现x，y，z三个方向的压力信息感知，提供水平方位角和俯仰角信息，具有三维矢量性，可以更进一步缩小矢量水听器体积，且具有低噪声、高动态测试范围、灵敏度高等优点。本课题通过振动台标定与驻波管测试相结合的测试方法对矢量水听器的声压灵敏度和指向性进行系统的测试。对该水听器的研究促进了我国水声传感前沿技术发展并解决了弱信号水下目标高精度定向探测难题，具有重要科学价值和现实意义。 通过本次毕业设计，我了解了水听器的发展历程、了解了几种常见水听器的基本结构、工作原理；懂得了压电效应原理和应用仿生学原理制造新型仿生结构的水听器，掌握了压电式MEMS仿生结构矢量水听器微结构的组装和整体封装原理、学会了通过振动台标定与驻波管测试相结合的测试方法对矢量水听器的声压灵敏度和指向性进行系统的测试。参考文献：1 张国军，陈尚，薛晨阳，张斌珍，张开瑞.纤毛式MEMS矢量水声传感器的仿生组装.纳米技术与精密工程， 2009.5 ，7(3): 221227.2 陈尚，薛晨阳，张斌珍，张国军，乔慧，张开锐. 哈尔滨工程大学学报，2008，29(5):493498.3 许姣，张国军，石归雄，等纤毛式矢量水听器新型封装结构的研究.传感技术学报，2011，24(4)：154 乔慧，刘俊，张斌珍一种新型压阻式硅微仿生矢量水听器的设计传感技术学报，2008，21(2)：3013045 Horst M，MullerIndications for Fealure Detection with the LateralLine Organ in FishJComp Biochem Physiol，1996，114A(3)：2572636 XUE Chenyang，CHEN Shang，ZHANG Wendong，et a1Design，Fabrication，and Preliminary Characterization of a Novel MEMSBionic Vector HydrophoneJMicroelectronics JoumaI，2007，38：102110267 陈丽洁，张鹏，徐兴烨，等矢量水听器综述J传感器与微系统，2006，25(6)：5-88 Fan Z,Chen J，Zou J，et a1Design and fabrication of artificial lateral-line flow sensorsJJournal of Micromechanics and Microengineering，2002，12(5)：655-6619 范继祥矢量水听器校准装置研究D哈尔滨：哈尔滨工程大学，200710 费腾矢量水听器校准装置J声学技术，2005(增刊)：28929111 朱元鼎, 孟庆闻.软骨鱼类的侧线管系统在分类学上的应用J. 海洋渔业, 1979, 1.12 余华兵，刘宏，潘悦等. 小尺度声传感器的指向性锐化技术研究. 声学学报J.2000, 25(4)：31932213 Newnham R EPiezoelectric sensers and actuators：SmartmaterialsC/IEEE Frequency Control Symposium，Proceedings Of the 1992USA。1992：513-52414 张景亮，译聚氨酯一脲水声换能器及水听器用新型透声密封材料J橡耀资源利用，2011，1：262915杜功焕，朱哲民，龚秀芳声学基础M南京：南京大学出版社。200116Cordienko V A，Gordienko E L，Dryndin A VAbsouhe Pressure Calibration of Acoustic Receivers in a Vibrating Column of Liquid JAcoustical Physics，1994，40(2)：219222毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：2.1本课题研究的问题 （1）了解压电式MEMS仿生结构矢量水听器的工作原理； （2）完成压电式MEMS仿生结构矢量水听器的封装； （3）对压电式MEMS仿生结构矢量水听器进行振动台测试与驻波场测量； （4）对测试结构进行分析。2.2拟采用的研究手段2.2.1 研究计划流程图完成压电式MEMS仿生结构的矢量水听器的仿生组装 本课题研究计划流程如图7所示。采用振动台测试驻波管测试对测试结果进行分析图7 研究计划流程图2.2.2 具体步骤分析2.2.2.1 完成压电式MEMS仿生结构矢量水听器的仿生组装压电式MEMS仿生结构矢量水听器的仿生微结构包括两部分：高精度“四悬臂梁-中心质量块”微结构和刚硬塑料柱体。将刚硬塑料柱体和压电敏感单元分别模仿成鱼类侧线器官的可动纤毛以及感觉细胞，并将刚硬塑料柱体固定于四梁中心质量块的中央（即四梁交叉处），压电敏感单元在四个悬臂梁上。其中，“四悬臂梁-中心质量块”结构采用MEMS基硅微机械加工技术加工而成，刚硬塑料柱体则采用塑料成型技术制作而成。当“四悬臂梁-中心质量块”加工好以后，便可以进行刚硬塑料柱体的粘接。由于柱体是否在中心连接体的正中央直接决定着水听器的指向性的对称性。因此在柱体粘接过程中，一定要保证聋轴与Y轴保持正交几何关系。该仿生微结构可实现水平面内的信号探测。压电式MEMS仿生结构矢量水听器具体的组装方法如下所述：1 焊接好传感器仿生微结构的输出导线，将其固定在组装外壳的内部支撑体上，2 将配好的聚氨酯材料导人组装壳的密封槽中（倒人的聚氨酯材料约为槽深的2/3），然后将加工好的聚氨酯橡胶帽插在有聚氨酯材料的密封槽中，加热至橡胶帽被固定。3 为了保证刚硬柱体与水质点同振，通过注油孔在密封好的透声橡胶帽内注满与水密度接近而又绝缘的蓖麻油。4 待透声橡胶帽内的蓖麻油灌满之后，对电缆进行处理首先将电缆灌封部分用砂纸打毛，除去粉末，然后用酒精或汽油清洗，晾干。5 将端部已经打毛处理干净的电缆与仿生微结构的内部引出线焊接在一起将注油口及金属电缆出口密封。2.2.2.2 采用振动台测试 压电式MEMS仿生结构矢量水听器的振动台测试是将水声传感器固定在振动台上，其最大输出方向与振动台平面垂直。由信号发生器产生一定频率一定幅值的信号，经过功率放大后送入振动台，振动台上安装有标准加速度计和待测水声传感器，标准加速度计产生反馈信号控制振动台以一定加速度进行振动。由于标准加速度计的灵敏度已知，因此可以得到待测件的灵敏度。固定信号的频率并调整信号幅值，逐点测量，可以得到加速度在不同g值下的输出灵敏度值。2.2.2.3 驻波管测试 由于缺少合适的声源产生足够信噪比的声场，以及没有合适的校准水域隔绝反射信号对校准的干扰。因此，在20Hz到几百赫兹频率范围内使用自由场校准水声传感器变得非常困难，在此频率范围内，可以在一个圆形的、垂直的、一端开口的管中产生平面驻波，在驻波场中对矢量水声传感器进行校准。 驻波管校准装置由锁相放大器、电子开关、前置放大器、功率放大器、声源、校准管和垂直回转装置组成。发射换能器位于校准管底部，由功率放大器激励在校准管内垂直向上发射声波，在校准管内建立驻波声场。标准水声传感器和待校传感器分别置于距水面d0和d处。由于管中为驻波声场，管中任意一点声压满足psin(kd)的关系（其中k为波数，d为考察点与水一空气界面之间距离），标准水声传感器所在位置处的声压P0可以通过测量标准水声传感器的开路电压在得到。知道了标准水声传感器所在位置处的声压以后，就可以计算被校水声传感器的灵敏度。2.2.2.4 对测试结果进