CN101738250B - 矢量水听器的t形敏感体 - Google Patents

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本发明涉及MEMS传感器领域中的矢量水听器，具体是一种矢量水听器的T形敏感体。解决了现有矢量水声传感器因加工工艺的原因无法在矢量探测和高灵敏上发挥最佳优势的问题，包括由长方体基座、长方体立柱构成的T形体，长方体基座上通过扩散工艺加工有三个阻值相等的基准电阻，长方体立柱上通过扩散工艺加工有位于长方体立柱根部的应变压敏电阻，应变压敏电阻R1的阻值与基准电阻的阻值相等，应变压敏电阻R1与基准电阻R2、R3、R4连接构成惠斯通电桥。结构简单、新颖，灵敏度高、体积小、功耗低、探测距离远、具有良好的“8”字形指向性，加工成本低，适合批量化生产，以其生产加工的矢量水听器应用范围广阔。

Description

矢量水听器的T形敏感体
技术领域
本发明涉及MEMS传感器领域中的矢量水听器，具体是一种矢量水听器的T形敏感体。
背景技术
专利号为ZL200610012991.0的中国专利公开了一种“共振隧穿仿生矢量水声传感器”，该传感器用固定于十字形悬臂梁中央的微型柱状体代替纤毛，以固定在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，通过测量微型柱状体的状态，实现对水下声信号的方位、声压大小的探测。
经检验，该结构的矢量水声传感器极具矢量探测和高灵敏的优势。但按照当前国内外MEMS加工工艺的加工能力，该结构的矢量水声传感器在实现时，十字形悬臂梁和微型柱状体是无法一体化成型，必须分体实现，即十字形悬臂梁和微型柱状体分别加工，然后再集成在一起。以分体部件集成为一体不但存在连接不牢固的可能，而且模态不易模拟控制，因此必然会降低矢量水声传感器在矢量探测和高灵敏上的优势。
发明内容
本发明为了解决现有矢量水声传感器因加工工艺的原因无法在矢量探测和高灵敏上发挥最佳优势的问题，提供了一种矢量水听器的T形敏感体。
本发明是采用如下技术方案实现的：矢量水听器的T形敏感体，包括以硅片为加工材料、经硅基MEMS加工工艺加工出的T形体，T形体由长方体基座、与长方体基座垂直固定连接的长方体立柱构成，长方体基座上通过扩散工艺加工有三个阻值相等的基准电阻R2、R3、R4，长方体立柱上通过扩散工艺加工有应变压敏电阻R1，且该应变压敏电阻R1位于长方体立柱的根部(即长方体立柱靠近长方体基座的端部)，应变压敏电阻R1的阻值与基准电阻的阻值相等，应变压敏电阻R1与基准电阻R2、R3、R4连接构成惠斯通电桥，其中，三个基准电阻R2、R3、R4分别作为惠斯通电桥的单边基准桥臂，应变压敏电阻R1作为惠斯通电桥的单边应变桥臂。
本发明以垂直固定于长方体基座上的长方体立柱代替纤毛，以设置在长方体立柱根部的应变压敏电阻R1代替纤毛周围的感觉细胞，同样模仿鱼类侧线听觉原理，当有信号作用于长方体立柱时，长方体立柱会产生应力、应变变化，从而导致长方体立柱根部设置的应变压敏电阻R1阻值发生变化，使由应变压敏电阻R1与基准电阻R2、R3、R4连接构成的惠斯通电桥的输出发生变化，根据惠斯通电桥的输出变化，实现对水下声信号的方位、声压大小的测量。所述硅基MEMS加工工艺及扩散工艺是现有公知技术。
对本发明所述矢量水听器的T形敏感体进行有限元仿真分析：
首先，根据理论知识，将T形体的几何尺寸初步设计为：长方体立柱的几何尺寸为20×130×2000μm3(厚×宽×长)，长方体基座的几何尺寸为300×900×1900μm3(厚×宽×长)，应变压敏电阻R1与基准电阻R2、R3、R4为P型电阻，且按[110]晶向布置；然后，利用ANSYS10.0有限元仿真分析软件建立仿真模型，如图5所示；并沿Z轴方向在T形体的长方体立柱上加1Pa大小的力，得到T形体的等效应力云图，如图6所示。
为综合灵敏度、频响、横向灵敏度三方面因素来进一步优化T形体结构。依次通过改变T形体长方体立柱的长度、宽度、厚度，以得出T形体微结构在不同几何尺寸下的固有频率、灵敏度、横向灵敏度。
1、改变长方体立柱的长度分别为1500μm、2000μm、2500μm、3000μm，而长方体立柱宽度和厚度分别保持为130μm、20μm不变，利用ANSYS软件仿真得到固有频率、长方体立柱上最大应力、横向干扰应力，如表1所示。
表1
  长方体立柱长度(μm)   1500   2000   2500   3000
  固有频率(Hz)   12335.0   6929.4   4430.9   3075.3
  长方体立柱上最大应力(pa)   1.723e4   2.919e4   4.847e4   7.007e4
  横向干扰应力(pa)   506.787   624.807   566.854   400.997
2、改变长方体立柱的宽度分别为90μm、110μm、130μm、150μm，而长方体立柱长度和厚度分别保持为2000μm、20μm不变，利用ANSYS软件仿真得到固有频率、长方体立柱上最大应力、横向干扰应力，如表2所示。
表2
  长方体立柱宽度(μm)   90   110   130   150
  固有频率(Hz)   6919.3   6924.8   6929.4   6934.0
  长方体立柱上最大应力(pa)   2.926e4   2.921e4   2.919e4   2.899e4
  横向干扰应力(pa)   476.098   368.169   624.807   708.371
3、改变长方体立柱的厚度分别为10μm、20μm、30μm、40μm，而长方体立柱长度和宽度分别保持为2000μm、130μm不变，利用ANSYS软件仿真得到固有频率、长方体立柱上最大应力、横向干扰应力，如表3所示。
表3
  长方体立柱厚度(μm)   10   20   30   40
  固有频率(Hz)   3465.5   6929.4   10386.   13846.0
  长方体立柱上最大应力(pa)   1.251e5   2.919e4   1.367e4   0.7472e4
  横向干扰应力(pa)   541.824   624.807   398.705   689.038
由表1～3所示，随着长方体立柱长度的增加，固有频率在逐渐减小、长方体立柱上最大应力在逐渐增加；随着长方体立柱宽度的增加，固有频率在逐渐增大、长方体立柱上最大应力在逐渐减小；随着长方体立柱厚度的增加，固有频率在逐渐增大，长方体立柱上最大应力在逐渐减小。
为了同时得到较高灵敏度和较宽的频带范围，在综合考虑T形体微结构的灵敏度和频带范围情况下，最终确定了长方体立柱的几何尺寸为20×130×2000μm3(厚×宽×长)。该几何尺寸下，T形体微结构的固有频率6929.4Hz、长方体立柱上最大应力2.919e4pa、横向干扰应力624.807pa，横向干扰应力远小于长方体立柱上最大应力，可以忽略不计。
按照灵敏度的计算公式Usc＝(πlσl+πtσt)U0来计算T形体微结构的输出灵敏度，其中，σl，σt分别为径向和横向的应力，πl，πt分别为径向和横向的压阻系数，U0为惠斯通桥供电电压。在上述几何尺寸下，πl＝71.8e-11，σl＝2.919e4pa，取供电电压U0＝5V，由灵敏度计算公式可得T形体微结构的输出灵敏度为0.104mV/Pa；由固有频率可确定T形体微结构的工作频带范围为0-6929.4HZ；横向灵敏度为2.1％。
与现有技术相比，本发明仍模拟鱼类侧线听觉器官的工作原理实现对水下声源的探测，在矢量探测和高灵敏上仍然具有绝对优势；本发明敏感水声信号的微结构采用T形体，尽管T形体结构简单，但极具新颖性，且以当前的MEMS加工工艺可以一体化加工制造，加工成本低，适合大批量生产；T形体长方体基座与长方体立柱间的连接无问题，因此使本发明所述T形敏感体能在矢量探测和高灵敏上发挥最佳优势；T形体上设置的应变压敏电阻与基准电阻采用基于硅微压阻效应的压敏电阻，不但性能稳定，而且功耗低；经检验，本发明所述T形敏感体具有良好的“8”字形矢量指向性(如图4所示)，在8字形的头部有最大的灵敏度，在腰部灵敏度较小，可以抑制横向噪声信号，抗干扰能力强。
本发明结构简单、新颖，灵敏度高、体积小、功耗低、探测距离远、具有良好的“8”字形指向性，加工成本低，适合批量化生产，以其生产加工的矢量水听器应用范围广阔，可以适用于各类民用船只避障，渔业捕捞，海洋勘探的重要设备。
附图说明
图1为本发明T形体的结构示意图；
图2为T形体上的基准电阻和应变压敏电阻的分布连接示意图；
图3为T形体上基准电阻和应变压敏电阻连接构成的惠斯通电桥电路图；
图4为本发明所具有的“8”字形指向图；
图5为本发明利用ANSYS有限元仿真分析软件建立的仿真模型；
图6为图5仿真模型的等效应力云图；
图中：1-长方体基座；2-长方体立柱。
具体实施方式
如图1-3所示，矢量水听器的T形敏感体，包括以硅片为加工材料、经硅基MEMS加工工艺加工出的T形体，T形体由长方体基座1、与长方体基座1垂直固定连接的长方体立柱2构成，长方体基座1上通过扩散工艺加工有三个阻值相等的基准电阻R2、R3、R4，长方体立柱2上通过扩散工艺加工有应变压敏电阻R1，且该应变压敏电阻R1位于长方体立柱2的根部(即长方体立柱靠近长方体基座的端部)，应变压敏电阻R1的阻值与基准电阻的阻值相等，应变压敏电阻R1与基准电阻R2、R3、R4连接构成惠斯通电桥，其中，三个基准电阻R2、R3、R4分别作为惠斯通电桥的单边基准桥臂，应变压敏电阻R1作为惠斯通电桥的单边应变桥臂。

Claims (2)

1.一种矢量水听器的T形敏感体，其特征在于：包括以硅片为加工材料、经硅基MEMS加工工艺加工出的T形体，T形体由长方体基座(1)、与长方体基座(1)垂直固定连接的长方体立柱(2)构成，长方体基座(1)上通过扩散工艺加工有三个阻值相等的基准电阻R2、R3、R4，长方体立柱(2)上通过扩散工艺加工有应变压敏电阻R1，且该应变压敏电阻R1位于长方体立柱(2)的根部，应变压敏电阻R1的阻值与基准电阻的阻值相等，应变压敏电阻R1与基准电阻R2、R3、R4连接构成惠斯通电桥，其中，三个基准电阻R2、R3、R4分别作为惠斯通电桥的单边基准桥臂，应变压敏电阻R1作为惠斯通电桥的单边应变桥臂。
2.根据权利要求1所述的矢量水听器的T形敏感体，其特征在于：长方体立柱的几何尺寸为20×130×2000μm3。
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