论文部分内容阅读
声压测量与质点振速测量是声学测量的两种重要手段,相对于声压测量技术研究,质点振速测量一直是该领域研究的重点与难点。本文设计并制作一种基于MEMS纳米线结构的质点振速传感器,具有“8”字形指向性,可以广泛应用于噪声振动检测、材料检测、声源定位、水声测量。在MEMS质点振速传感器的设计上,提出了一种“体硅声腔---双纳米线”的传感器微结构,其中硅基声腔的尺寸为200微米深、1毫米宽,两根敏感纳米线的尺寸为长度1毫米、厚度450纳米、宽度5微米。该传感器设计的优点在于:（1）工艺简单、容易加工;（2）灵敏度好,尤其在低频区域具有较高灵敏度;（3）可靠性较高,应力小。建立了质点振速传感器的热传递物理模型,（1）讨论了纳米线的几何尺寸特别是两根热丝间距对灵敏度的影响,确定了纳米线尺寸;（2）通过数值计算分析了质点振速传感器频率特性。（3）通过测试纳米线的电学参数确定了工作条件。基于MEMS体硅微加工工艺制作了MEMS质点振速传感器。采用腐蚀工艺形成体硅声腔,通过腐蚀与剥离（lift-off）工艺制成纳米线结构。对关键工艺---腐蚀与剥离的工艺参数进行了优化,并分析了剥离工艺的影响因素。总结得到了一套适合该传感器加工的工艺参数。设计了MEMS质点振速传感器的信号处理电路,包括R-V转换、频率补偿、前置放大三个部分。电路噪声是实现信号处理部分需要考虑的关键。在R-V转换部分,本文对三种电路方案---镜像电流电桥、差分电桥、共发射极电桥的噪声特性进行了比较分析。由于具有可控性强、信噪比高的优点,优选镜像电流电桥作为R-V转换的最终方案。对质点振速传感器的一阶频率特性通过RC进行补偿,使频率大于1k Hz时,增益提高6dB/oct。在前置放大部分,通过设计降低偏置电路的噪声,实现了低噪声前置放大电路。测试表明,等效输入噪声达到5nV/√Hz以下,能够满足传感器的要求。本文对设计的MEMS质点振速传感器进行了输出测试。（1）将驻波管方法应用到质点振速传感器的灵敏度测量,给出了测量原理并搭建了测试平台,实现了声波频率100Hz3kHz范围内传感器灵敏度的测量。（2）测量结果表明,MEMS质点振速传感器的灵敏度可达到4.9m V/m·s-1@250Hz。