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厦门大学MEMS压电加速度计与矢量传声器研究取得进展

导读: 自上世纪八、九十年代以来,MEMS(微机电系统)技术发展迅速,各种MEMS传感器、执行器及其微纳系统,体积小、重量轻且低功耗,不仅应用于国防尖端领域,在民用方面也日益普及。

自上世纪八、九十年代以来,MEMS(微机电系统)技术发展迅速,各种MEMS传感器、执行器及其微纳系统,体积小、重量轻且低功耗,不仅应用于国防尖端领域,在民用方面也日益普及。厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院郭航教授课题组,长期致力于MEMS与微能源技术的研究与开发,在2017年10月于成都召开的全国压电和声波理论及器件应用研讨会(SPAWDA 2017)上,硕士生朱林辉、博士生许马会、沈杰男、郝锐等四位同学参会并做了关于MEMS压电加速度计与矢量传声器的研发新进展、以及应用微流控技术来制备超长ZnO纳米线材料的报告,受到关注,并发表会议论文五篇。

微加速度计是MEMS技术的最成功的应用之一,不仅是惯性导航、制导系统中的核心部件,而且汽车安全气囊检测目前都是采用MEMS加速度计芯片,其全球市场在2015年就达15亿美元,且年增长率超过13%,但是相关技术与市场均由美国与欧洲主导。随着技术的不断发展,微加速度计向着航天航空、工业控制检测等领域发展,这要求微加速度计不仅要有高灵敏度,而且要有较宽的动态工作范围。MEMS压电微加速度计是将由加速度引起的压电薄膜材料的微小形变转化为电荷量,通过对电荷的收集检测来确定加速度的变化。与通常的压阻式或电容式微加速度计相比,压电式加速度计灵敏度高、动态工作范围宽且线性度好,但目前大多数的压电加速度计都是由传统工艺加工制造,体积大,耗能高,灵敏度较低且通常只能单轴检测。MEMS压电微加速度计因涉及到压电薄膜材料的制备及其与微传感器整体在结构与制造工艺方面的高度集成,难度较大,国内研究单位较少。课题组长期努力,多年来坚持创新,研发基于MEMS技术的压电微加速度计,对压电材料的制备从ZnO薄膜拓展到PZT薄膜,从单悬臂梁发展到十字梁及新型的“X”型微结构梁,从单轴检测发展到新型的d33与d31两种工作模式的三轴集成检测,并且正在加紧进行微加工制造,力争早日取得突破。

矢量传声器由声压传感器和质点振速传感器复合而成,可以空间共点和时间同步来测量声场中的有关矢量信息,包括声压梯度、质点振速、加速度、位移等,以及标量信息如声压等,通过确定声源的性质、类别与位置等来对战场中的武器做全面鉴别,是反导系统中不可或缺的核心部件之一。目前,我国国力不断增强,但周边安全形势不容乐观,突发因素日益增多,压力不断升高,国防上对具有自主知识产权的高性能矢量传声器的需求越来越迫切,国际上荷兰的相关研发领先,而国内对这方面的研究还开展得很少。课题组瞄准国家需求,集中力量深入研究,朱林辉、沈杰男对传统的双丝型双传感器微结构即SS型的矢量传声器进行分析,在此基础上,对新型的三丝传感器-加热器-传感器微结构即SHS型结构的矢量传声器深入探讨,从声流引起的流场绕动出发,首次建立了SHS结构的解析模型,并做了三维数值模拟仿真,确立了SHS型矢量传声器与SS型相比具有更小的本底噪声,确定了其微结构的基本设计参数以及微制造工艺流程,为今后的进一步研发奠定了良好的基础。

厦门大学MEMS压电加速度计与矢量传声器研究取得进展

图1 MEMS与微能源课题组朱林辉、沈杰男、许马会、郝锐(从左至右)等四位同学参加2017年全国压电和声波理论及器件应用研讨会

厦门大学MEMS压电加速度计与矢量传声器研究取得进展

图2 课题组成员在2017年全国压电和声波理论及器件应用研讨会做报告

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