【摘 要】
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声呐系统是海洋监测的主要设备,水声换能器是声纳系统的关键组成部分,其中接收换能器又称为水听器,其质量水平直接影响声呐系统的监测能力。本文提出了一种基于Al N薄膜的MEMS（Micro-electromechanical Systems）压电水听器,并设计了圆形电极式和环形电极式水听器两种结构。通过正压电效应,压电水听器实现声信号到电信号的转换,具有小型、高灵敏度及高集成度等优点,且可批量化生产,
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声呐系统是海洋监测的主要设备,水声换能器是声纳系统的关键组成部分,其中接收换能器又称为水听器,其质量水平直接影响声呐系统的监测能力。本文提出了一种基于Al N薄膜的MEMS（Micro-electromechanical Systems）压电水听器,并设计了圆形电极式和环形电极式水听器两种结构。通过正压电效应,压电水听器实现声信号到电信号的转换,具有小型、高灵敏度及高集成度等优点,且可批量化生产,提高了一致性,降低了成本。本文对MEMS压电水听器进行有限元仿真分析、结构改进、工艺制备,并设计了新型封装结构及水听器微弱信号调理电路,完成水听器基础表征与性能测试,主要包括以下几点内容:（1）建立水听器有限元仿真模型,分析水听器的前四阶谐振频率,研究其振动模态,得出水听器的谐振频率与几何参数的关系;计算压电薄膜受声音激励时的表面电荷分布和应力分布;根据仿真分析结果,优化水听器结构设计。（2）设计压电水听器的制备流程及所用工艺,绘制掩膜版图,制备水听器;详细剖析制备过程中的关键工艺原理和品控要素,形成成熟工艺制程。（3）对制备完成的水听器进行基础表征测试,使用扫描电子显微镜（SEM）观察水听器表面形态;阻抗分析仪测试水听器的阻抗曲线;通过多普勒（POLYTEC）谐振测试观察水听器的振型、振幅和振速。（4）解析水听器信号特征,设计与水听器匹配的微弱信号提取电路,介绍电路各模块功能;分析封装过程中影响信号输出的因素,改进封装管壳结构,实现水听器输出信号的提取与放大。（5）搭建空气中与水下测试平台,分别测试两种结构的水听器在不同环境下的灵敏度、线性度及噪声分辨率等参数,对比分析其性能。在前期研究基础上,已积累MEMS水听器相关制备经验,本文延续之前工作,开展水听器的新型结构探索和测试方法研究。在10-1000Hz频段水听器的灵敏度达-177d B（re:1V/μPa）,且在不同环境下非线性误差均处于2%以下。
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