基于热粘性声学的电容式声压水听器

作     者：张鹏飞 王任鑫 李照东 张文栋 Zhang Pengfei;Wang Renxin;Li Zhaodong;Zhang Wendong

作者机构：中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室太原030051 

出 版 物：《微纳电子技术》 (Micronanoelectronic Technology)

年 卷 期：2020年第57卷第7期

页      面：532-540页

学科分类：082403[工学-水声工程] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0824[工学-船舶与海洋工程] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(51875535) 水声技术重点实验室稳定支持专题资助项目(JCKYS2019604SSJS013) 

主　　题：电容式声压水听器 热粘性声学 振动薄膜 牺牲层 阳极键合 

摘      要：针对水下设备平台对于声压信号探测的需要,设计了一款微电子机械系统(MEMS)电容式声压水听器,通过理论分析和Comsol仿真分析,确定水听器敏感振动薄膜的半径为600μm,膜厚为3μm,空腔高度为3μm。考虑到声波在小尺寸声学换能器中传播时会受到热阻尼和粘滞阻尼的作用,在仿真分析的过程中创新性地加入了热粘性声学多物理场。在工艺加工的过程中尝试了牺牲层工艺和阳极键合工艺两种关键工艺步骤,并最终通过阳极键合工艺得到了质量较高的振动薄膜。测试过程中将水听器封装在金属屏蔽壳内,避免受到外界复杂电磁环境的干扰,利用阻抗分析仪对水听器进行测试,得到水听器平均电容值为4.277 pF,平均相位为-89.129°,证明水听器符合电容性特征并且具有良好的一致性,同时验证了振动薄膜加工方案的可行性,为制备薄膜结构的传感器提供了新思路。