CN100451576C - 共振隧穿仿生矢量水声传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水声传感器，具体是共振隧穿仿生矢量水声传感器。解决了现有水声传感器的灵敏度和分辨率等指标的提高已达到检测的极限状态，从而限制检测精度提高的问题，该共振隧穿仿生矢量水声传感器，由半导体衬底及其上通过分子束外延技术、微机电器件MEMS加工工艺加工出的共振隧穿二极管、和其密度与水的密度相同或相近的微型柱状体构成，半导体衬底中部采用半导体体刻蚀技术刻蚀成十字形悬臂梁结构，微型柱状体固定于十字形悬臂梁的中央，共振隧穿二极管分别设置于十字形悬臂梁四梁上的端部。本发明采用纳米级器件制成，突破了常规微机电器件的极限，模拟鱼类侧线听觉器官的工作原理，最终以单个传感器实现了对水下声源声强的测量。

Description

共振隧穿仿生矢量水声传感器

技术领域

本发明涉及一种水声传感器，具体是一种基于共振隧穿二极管(RTD)的具有高灵敏度、低功耗、微体积和高转换效率的共振隧穿仿生矢量水声传感器。

背景技术

水声传感器是声纳探测的重要组成部分，从水声发展史来看，水声应用的每一步发展都离不开水声传感器技术的发展。随着科学技术的快速进步，水声传感器发展极为活跃、迅速，例如：在军事领域中，对采用隐身技术的舰艇、鱼雷等目标进行探测；另外，在民用方面：如海上目标定位，沉船打捞及海洋探测、渔业生产、航行保障等很多领域都应用水声传感器。

目前利用微机电(MEMS)工艺研制的微型水声传感器已经成功地应用在军用和民用的多种装备系统中，在微型、低功耗与高可靠性等方面有很大的提高。但是，随着水声传感器整体的微型化，其有效的敏感部件也随之急剧减小，其灵敏度和分辨率等指标的提高已达到检测的极限状态，因而限制了检测精度的进一步提高，难以适应现代技术发展的需要。这就有待于基于新原理，新效应的新型器件来突破常规微机电器件的极限。

NEMS(或称纳系统)是继MEMS之后在系统特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的一类超小型机电一体的系统，一般指特征尺寸在亚纳米至数百纳米，以纳米级结构所产生的新效应(量子效应、界面效应和尺度效应)为工作特征的器件和系统。这类器件具有体积小，灵敏度高、功耗低等优点。共振隧穿二极管是当前纳米电子学中最有希望的器件之一，它是一种基于共振隧穿薄膜隧穿效应的负阻型器件，具有速度快、频率高、低压低功耗的特点，使得它在微波振荡和高速数字电路等方面有着广阔的应用前景。此外，介观压阻理论研究表明，共振隧穿二极管(即共振隧穿薄膜)在力学信号的作用下，隧穿电流发生变化，图形上表现为I/V曲线发生变化漂移(如图3所示)。而I/V曲线的漂移又会引起基于共振隧穿二极管的共振隧穿二极管振荡器输出频率的变化。所以共振隧穿二极管振荡器可以应用于力学信号检测，且由于直接频率输出，容易实现数字化。

与此同时，仿生学是利用现有的科学技术把生物体或人的行为(如：视觉、听觉、感觉、嗅觉)和思维进行部分模拟的科学，以研制自动捕获信息、处理信息、模仿生物体或人的行为装置-仿生传感器为目的。由生物学理论可知，鱼类的听觉器官除了内耳外还有种特殊的皮肤感觉器官，叫侧线，侧线是鱼类及水生两栖类所特有的皮肤感觉器官，呈沟状或管状，硬骨鱼类则一般为管状，一般称之为侧线管，侧线管内充满黏液，管壁上有纤毛组织，水声信号通过黏液作用在纤毛上，引起纤毛偏斜，纤毛周围的感觉细胞获得刺激，刺激通过侧线神经传递到延脑，从而使鱼类产生听觉，侧线不但可以感受声波，而且具有定向性和连续性，特别是能感受到的低频率振动，这就为设计具有矢量指向性水声传感器提供了原型。

发明内容

本发明为了解决现有水声传感器的灵敏度和分辨率等指标的提高已达到检测的极限状态，从而限制检测精度进一步提高的问题，利用基于共振隧穿薄膜隧穿效应的共振隧穿二极管这一纳米级器件，提供了一种共振隧穿仿生矢量水声传感器。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种共振隧穿仿生矢量水声传感器，由半导体衬底及其上通过分子束外延(MBE)技术、微机电器件MEMS加工工艺加工出的共振隧穿二极管RTD、和其密度与水的密度相同或相近的微型柱状体构成，半导体衬底中部采用半导体体刻蚀技术刻蚀成十字形悬臂梁结构，微型柱状体固定于十字形悬臂梁的中央(即四梁交叉处)，共振隧穿二极管RTD分别设置于十字形悬臂梁四梁上的端部。使用时，将共振隧穿二极管RTD通过引线串联稳压电源、电阻、电感，并联电容，构成基于共振隧穿二极管的共振隧穿二极管振荡器，稳压电源对共振隧穿二极管RTD施加偏置电压使之工作于微分负阻区(当共振隧穿二极管RTD自身的寄生电阻、电感和电容足够大时，无需再外加电阻、电容、电感)，共振隧穿二极管RTD振荡器的振荡频率由电感值、RTD的I/V特性曲线和电容值共同决定。所以当电感和电容值一定时，振荡频率随着共振隧穿二极管I/V曲线的漂移而改变；因此，微型柱状体在声波作用下作自由运动时，对十字形悬臂梁上的共振隧穿二极管产生应力作用，引起共振隧穿二极管的I/V曲线漂移，共振隧穿二极管的I/V曲线的漂移又影响着共振隧穿二极管振荡器的振荡频率的变化，通过测量振荡频率的变化，就能得知声压的大小，并整合基于十字形悬臂梁四梁上共振隧穿二极管的四个共振隧穿二极管振荡器的振荡频率变化信号，经由后续信号处理电路处理，最终得出声源的方位及声压大小。与现有技术相比，本发明用固定于半导体衬底十字形悬臂梁中央的与水的密度相近或相同的微型柱状体代替纤毛，且以固定在半导体衬底十字形悬臂梁上微型柱状体周围的共振隧穿二极管代替纤毛周围的感觉细胞，模仿鱼类侧线听觉原理，实现对水下声信号的探测，同时由于采用微型柱状体的密度与水的密度相近或相同，从而保证了微型柱状体与水质点同振，最终通过测量微型柱状体的振速，实现对水下声信号的方位、声压大小的测量。就对微型柱状体的实现来说：一、可以通过查阅相关资料寻找与水密度相近或相同的材料制成微型柱状体；二、通过在具有一定硬度材质制成的微型柱状体上开设轴向通孔，使微型柱状体整体密度与水的密度相近或相同。所述的共振隧穿二极管采用标准的集成电路(IC)表面工艺制作。

所述的分子束外延(MBE)技术、微机电器件MEMS加工工艺、半导体体刻蚀技术、集成电路(IC)表面工艺是现有公知技术。

本发明采用纳米级器件制成，突破了常规微机电器件的极限，具有高灵敏度、低功耗、微体积和高转换效率的优点；并模拟鱼类侧线听觉器官的工作原理，最终以单个传感器实现了对水下声源声强(即声压和质点振速信息)的测量。

附图说明

图1为共振隧穿仿生矢量水声传感器的结构示意图；

图2为十字形悬臂梁上应力分布曲线；

图3为共振隧穿二极管的I/V特性曲线；

图4为共振隧穿二极管振荡器的电路原理图；

图5为共振隧穿二极管振荡器的应力-频率输出曲线；

图6为本发明的实物图；

图7为本发明测试时的矢量指向性图；

图8为本发明声学探测的测试结果图；

图9为本发明共振隧穿二极管设置的位置图；

图10为信号处理框图；

图中：1-半导体衬底；2-共振隧穿二极管RTD；3-十字形悬臂梁；4-微型柱状体。

具体实施方式

一种共振隧穿仿生矢量水声传感器，由半导体衬底1及其上通过分子束外延(MBE)技术、微机电器件MEMS加工工艺加工出的共振隧穿二极管RTD2、和其密度与水的密度相同或相近的微型柱状体4构成，半导体衬底1中部采用半导体体刻蚀技术刻蚀成十字形悬臂梁结构，微型柱状体4固定于十字形悬臂梁3的中央(即四梁交叉处)，共振隧穿二极管RTD2分别设置于十字形悬臂梁3四梁上的端部。所述半导体衬底1中部十字形悬臂梁3利用背面刻蚀工艺刻蚀成薄且具有弹性的悬臂梁。所述微型柱状体4可采用两端封闭的空芯光子晶体光纤柱体，另外，有很多塑料的密度与水的密度相同、相近，因此所述微型柱状体4很容易制成。

为了在十字形悬臂梁3上正确布置共振隧穿二极管压敏元件，利用Ansys软件对半导体衬底十字形悬臂梁3的四梁上应力分布进行静力仿真，得出了在声压作用下的梁上应力分布曲线(如图2所示)，由图2可知，十字形悬臂梁的四梁两端处的应力最大，且等值反向，所以，所述共振隧穿二极管RTD2分别设置于十字形悬臂梁3的四梁的端部，另外从实现工艺角度考虑，共振隧穿二极管RTD2易设置于十字形悬臂梁3的四梁交叉侧的端部(即微型柱状体四周边缘处)。

为了了解本发明的后续信号处理，如图9和图10所示，假定布置x轴正方向的共振隧穿二极管为RTDx+，x轴负方向的共振隧穿二极管为RTDx-，y轴正方向的共振隧穿二极管为RTDy+，y轴负方向的共振隧穿二极管为RTDy-。由上述应力分布分析可知，当有声压作用时，半导体衬底十字形悬臂梁的四梁上的RTDx+与RTDx-，RTDy+与RTDy-处的应力分布等值反向，由于压敏效应，RTDx+与RTDx-，RTDy+与RTDy-构成的振荡器的振荡频率发生变化，且两处振荡器的输出频率的变化量也将是等值反向。因此将四路频率输出信号滤波放大后，用频率转换电路把两处振荡器的输出频率信号转化成电压信号，再将RTDx+与RTDx-，RTDy+与RTDy-各通道输出的电压信号输入到差分放大电路，实现RTDx+与RTDx-，RTDy+与RTDy-各通道的差值输出，输入到A/D数据采集电路，将模拟电压信号转换成数字信号，再输入微处理器，在相关软件支持下通过微处理器计算出声源平面角度和声压，所述功能的后续信号处理电路为本技术领域的技术人员很容易实现的，因此在说明书中只提供了信号处理框图用以理解。

对本传感器进行了声学探测机理验证，通过实验验证了该基于共振隧穿二极管RTD的共振隧穿仿生矢量水声传感器具有声学探测和矢量指向性能，具体测试样品以及相应的结果见图6、图7和图8。该水声传感器结构是模仿水声鱼类的特殊听觉原理，即具有新型性，也具有合理性；同时其制造有纳米薄膜技术和MEMS工艺技术的技术保障。

Claims (3)

1、一种共振隧穿仿生矢量水声传感器，其特征在于由半导体衬底(1)及其上通过分子束外延MBE技术、微机电器件MEMS加工工艺加工出的共振隧穿二极管(2)、和其密度与水的密度相同或相近的微型柱状体(4)构成，半导体衬底(1)中部采用半导体体刻蚀技术刻蚀成十字形悬臂梁结构，微型柱状体(4)固定于十字形悬臂梁(3)的中央，共振隧穿二极管(2)分别设置于十字形悬臂梁(3)四梁上的端部。

2、根据权利要求1所述的共振隧穿仿生矢量水声传感器，其特征在于所述共振隧穿二极管(2)分别设置于十字形悬臂梁(3)的四梁交叉侧的端部。

3、根据权利要求1或2所述的共振隧穿仿生矢量水声传感器，其特征在于所述半导体衬底(1)中部十字形悬臂梁(3)利用背面刻蚀工艺刻蚀成薄且具有弹性的悬臂梁。

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