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MEMS空气声矢量传感器
2019-05-27 10:37:00
北京大学微纳电子学系高成臣教授课题组依托MEMS工艺平台，经过6年的持续研究，在国内首次研制出了高性能的热式声粒子振速传感器，并完成了声粒子振速传感器与声压传感器的系统集成，制作出了高性能的MEMS空气声矢量传感器，该传感器能够完成声压信号的全信息检测。下图分别为MEMS声粒子振速传感器的敏感芯片及探头和MEMS声矢量传感器样品。
三轴声粒子速度传感器敏感芯片及探头
MEMS声矢量传感器实物图
声音由声压信号和声粒子振动速度信号构成，其中声压是标量信号，与方向无关，声粒子振速是矢量信号，包含了声音传播的方向信息。声矢量传感器是能够同时把声音的声压及声质点振速信号转换为电信号的敏感元件。这种能够同时实现声信号的全息检测技术，将大大促进声学技术的发展，将推动新的检测校准方法制定，新的应用产品开发，开辟新的应用领域。
由于声粒子振速矢量信号量值低，信号微弱，检测难度大，多年来鲜有突破，尤其是在矢量特性及自噪声方面存在很大难度，因此以往声音信号检测主要以测量声压信号为主，检测元件主要为麦克风，主要基于压电和电容检测原理为主。基于MEMS的声粒子振速信号直接检测技术是国际上近年来发展的一种新型检测技术，由荷兰屯特大学最早提出并实现，取得了许多重要成果，并开展了系统应用。
高成臣教授课题组依托微米/纳米加工技术国家级重点实验室工艺平台，基于微纳加工技术开发了热式声粒子振速传感器，突破了高灵敏敏感结构设计与优化、跨尺度悬梁结构加工、多传感器集成、微弱信号检测及敏感特性测试等关键技术，构建了声压及声质点振速检测系统，实现了声信号的三轴矢量测量。该项技术的突破，将为国内声学技术的发展提供重要的测试手段。该技术可广泛应用于声学特性测量、多声源定位、发动机故障定位、仪器设备噪声源定位、复杂系统的声学健康监测、指向性人机对话等，在民用、工业及国防中有着广泛的用途。
MEMS空气声矢量传感器是实现声音信号全特性测量的感知系统，经过高成臣教授课题组的长期努力，其核心技术指标已经达到国外最好水平，矢量特性优于42dB，自噪声优于30 dB,频响范围100Hz~6kHz，。该技术指标已完全满足实际使用要求，并且传感器工艺技术已经成熟，可以实现小批量生产。
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