CN102103013A

CN102103013A - 三维矢量水听器

Info

Publication number: CN102103013A
Application number: CN 201010581544
Authority: CN
Inventors: 张国军; 杨玉华; 何常德; 关凌纲; 石归雄; 熊继军; 张文栋; 许娇; 王晓瑶
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2030-12-10
Also published as: CN102103013B

Abstract

本发明涉及MEMS传感器领域中的矢量水听器，具体是一种三维矢量水听器。解决了现有组合式三维矢量水听器存在的不利于实现微型化、且不易批量化生产等问题，包括分别用于敏感X向、Y向、Z向三方向水下声信号的敏感单元；用于敏感Z向单方向水下声信号的敏感单元包含半导体框架、悬置于半导体框架内且平行设置的两悬臂梁，两悬臂梁等长，且单端与半导体框架同一边框固定，自由端通过连接梁固定于一起；两悬臂梁与半导体框架固定的端部分别设有应变敏感元件，半导体框架上设有两基准敏感元件，连接组成电桥电路；两敏感单元的半导体框架为同平面集成。本发明结构简单、新颖，单片集成，易于微型化，易于制作和批量化生产，应用范围广阔。

Description

三维矢量水听器

技术领域

本发明涉及MEMS传感器领域中的矢量水听器，具体是一种三维矢量水听器。

背景技术

由声学理论可知，空间内任一个声信号都可以分解成X、Y、Z三个方向的分量信号，如图1所示。质点振速的三个分量：

v_{x} = \frac{p}{ρ_{0} c} \cos θ \cos α

v_{y} = \frac{p}{ρ_{0} c} \sin θ \cos α - - - (1)

v_{z} = \frac{p}{ρ_{0} c} \sin α

式中，p：声源的声压；

ρ₀：水的密度；

c：声速；

θ：声源在水平面内的方位角；

α：声源相对于水平面的俯仰角；

α = \arctan (\frac{v_{z}}{\sqrt{v_{x}^{2} + v_{y}^{2}}}) - - - (3)

由此可见，只要测得质点振速在水平面内的二个振速分量v_x，v_y，就可以由式(2)得到声源在水平面内的方位角θ，以此确定声源的方向；测得质点振速的三个振速分量v_x，v_y，v_z，就可由式(3)得到声源的俯仰角α，以此定位声源位置，这就是三维矢量水听器实现声源定位的基本原理。

现有三维矢量水听器都是由三个一维水听器组合而成，例如：专利号为ZL200510010300.9的中国专利公开了一种“多片式组合集成型三维矢量水听器装置”，该传感器是由三个矢量水听器单元在X、Y、Z三维坐标空间上，相互间垂直固定，并采用灌封材料进行灌封；专利号为ZL200910072009.2的中国专利公开了一种“基于压电式速度传感器的三维矢量水听器”，该传感器由三只压电式速度传感器通过连接杆依次连接构成。实践证明，这类组合式结构的三维矢量水听器已能够对水下声信号实现三维矢量探测，并已具备在低频下灵敏度高的优势。但组合时，三个一维水听器间的结构对称性不易保证，尤其在小尺寸条件下，存在灵敏度不高、性能不稳定的缺点，不利于实现三维矢量水听器的微型化；且为不影响三个一维水听器间的垂直固定关系，封装工艺相对复杂，不易批量化生产。

发明内容

本发明为了解决现有组合式三维矢量水听器存在的不利于实现微型化、且不易批量化生产等问题，提供了一种三维矢量水听器。

本发明是采用如下技术方案实现的：三维矢量水听器，包括采用MEMS微加工技术加工获得的分别用于敏感X向、Y向、Z向三方向水下声信号的敏感单元；其中，用于敏感X向、Y向两方向水下声信号的敏感单元为同一敏感单元，包含半导体框架、架设于半导体框架中央的十字形悬臂梁、垂直固定于十字形悬臂梁中央(即四梁交叉处)的微型柱状体，十字形悬臂梁的四梁端部分别设置有应变敏感元件(例如：压敏电阻、共振隧穿二极管RTD等)，十字形悬臂梁四梁端部的应变敏感元件连接组成分别用于测量X向、Y向两方向水下声信号的两个全桥差动电路；用于敏感Z向单方向水下声信号的敏感单元包含半导体框架、悬置于半导体框架内且平行设置的两悬臂梁，两悬臂梁等长，且单端与半导体框架同一边框固定，自由端通过连接梁固定于一起；两悬臂梁与半导体框架固定的端部分别设有应变敏感元件，半导体框架上设有两基准敏感元件，两基准敏感元件与两悬臂梁端部的应变敏感元件连接组成用于测量Z向单方向水下声信号的电桥电路，两悬臂梁端部应变敏感元件分别接入电桥电路的相对桥臂；两敏感单元的半导体框架为同平面集成。

利用ANSYS10.0有限元仿真分析软件对本发明所述三维矢量水听器进行有限元仿真分析：建立仿真模型，在用于敏感X向、Y向两方向水下声信号的敏感单元的微型柱状体侧面上沿Y轴负半轴方向加载1Pa的载荷，同时在用于敏感Z向单方向水下声信号的敏感单元上沿Z方向加1Pa力进行静态分析，得到仿真模型的等效应力云图，如图7所示。

综合灵敏度、频响、横向灵敏度三方面因素来进一步优化本发明所述三维矢量水听器。依次通过改变梁长、梁宽、梁厚以及微型柱状体的长度，得出本发明所述三维矢量水听器在不同几何尺寸下的固有频率、梁上最大应力、横向干扰应力。

1、改变用于敏感X向、Y向两方向水下声信号的敏感单元的梁长分别为800μm、900μm、1000μm、1100μm，而梁宽和梁厚分别保持为60μm、10μm不变，利用ANSYS软件仿真得到固有频率、梁上最大应力、横向干扰应力，如表1所示。

表1

梁长(μm)	800	900	1000	1100
					固有频率(Hz)	526.87	489.81	459.22	433.23
梁上最大应力(pa)	2.346e5	2.981e5	3.108e5	3.213e5
					横向干扰应力(pa)	1919.654	2240.278	2788.754	3719.167

2、改变梁宽分别为80μm、100μm、120μm、140μm，而梁长和梁厚分别保持为1000μm、10μm不变，利用ANSYS软件仿真得到固有频率、梁上最大应力、横向干扰应力，如表2所示。

表2

3、改变梁厚分别为10μm、20μm、30μm、40μm，而梁长和梁宽分别保持为1000μm、120μm不变，利用ANSYS软件仿真得到固有频率、梁上最大应力、横向干扰应力，如表3所示。

表3

4、改变微型柱状体的长度分别为3000μm、4000μm、5000μm、6000μm，而梁长、梁宽和梁厚分别保持为1000μm、120μm、10μm不变，利用ANSYS软件进行模态分析得到固有频率、梁最大应力、横向干扰应力，如表4所示。

表4

微型柱状体长度(μm)	3000	4000	5000	6000
					固有频率(Hz)	987.31	641.70	459.22	349.30

梁上最大应力(pa)	1.121e5	1.991e5	3.108e5	4.474e5
					横向干扰应力(pa)	999.627	1784.006	2788.754	4002.955

5、改变用于敏感Z向两方向水下声信号的敏感单元的梁长分别为1800μm、1900μm、2000μm、2100μm，而梁宽和梁厚分别保持为60μm、10μm不变，利用ANSYS软件仿真得到固有频率、梁上最大应力，如表5所示。

表5

梁长(μm)	1800	1900	2000	2100
					固有频率(Hz)	459.22	459.22	459.22	459.22
梁上最大应力(pa)	1.056e5	1.063e5	1.300e5	1.432e5

由表1～5可知，梁长、梁宽、梁厚的变化对固有频率、梁上最大应力的影响，本发明所述三维矢量水听器的几何尺寸直接关系到其工作性能，本领域技术人员应根据实际应用环境的需要进行确定。

与现有技术相比，本发明将悬臂梁式声电换能结构与四梁纤毛式声电换能结构结合设计，实现了单片集成式三维矢量水听器，极具新颖性、创造性，可以以当前成熟的MEMS加工工艺一体化加工制造，加工成本低，适合大批量生产；经测试具有良好的“8”字形指向性，如图8、9所示，能够在矢量探测和高灵敏度上占据绝对优势。

本发明结构简单、新颖，单片集成，易于微型化，易于制作和批量化生产。应用范围广阔，可以适用于各类民用船只避障、渔业捕捞、海洋勘探等领域。

附图说明

图1为声信号在空间内按X、Y、Z三个方向分解的示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明上敏感元件的分布图；

图4为用于敏感X向、Y向两方向水下声信号的敏感单元上应变敏感元件连接构成的全桥差动电路中X向测量电桥的电路原理图；

图5为用于敏感X向、Y向两方向水下声信号的敏感单元上应变敏感元件连接构成的全桥差动电路中Y向测量电桥的电路原理图；

图6为用于敏感Z向单方向水下声信号的敏感单元上敏感元件连接构成的电桥电路-Z向测量电桥的电路原理图；

图7为本发明利用ANSYS有限元仿真分析软件建立的仿真模型的等效应力云图；

图8为本发明于60Hz测试频率下指向性的示意图；

图9为本发明于186Hz测试频率下指向性的示意图；

图中：1-半导体框架；2-十字形悬臂梁；3-微型柱状体；4-应变敏感元件；5-半导体框架；6、7-悬臂梁；8-连接梁；9-应变敏感元件；10-基准敏感元件。

具体实施方式

如图2所示，三维矢量水听器，包括采用MEMS微加工技术加工获得的分别用于敏感X向、Y向、Z向三方向水下声信号的敏感单元；其中，用于敏感X向、Y向两方向水下声信号的敏感单元为同一敏感单元，包含半导体框架1、架设于半导体框架1中央的十字形悬臂梁2、垂直固定于十字形悬臂梁2中央(即四梁交叉处)的微型柱状体3，十字形悬臂梁2的四梁端部分别设置有应变敏感元件4(例如：压敏电阻、共振隧穿二极管RTD等)，十字形悬臂梁2四梁端部的应变敏感元件4连接组成分别用于测量X向、Y向两方向水下声信号的两个全桥差动电路，如图4、5所示；用于敏感Z向单方向水下声信号的敏感单元包含半导体框架5、悬置于半导体框架5内且平行设置的两悬臂梁6、7，两悬臂梁6、7等长，且单端与半导体框架5同一边框固定，自由端通过连接梁8固定于一起；两悬臂梁6、7与半导体框架5固定的端部分别设有应变敏感元件9，半导体框架5上设有两基准敏感元件10，两基准敏感元件10与两悬臂梁6、7端部的应变敏感元件9连接组成用于测量Z向单方向水下声信号的电桥电路，如图6所示，两悬臂梁6、7端部应变敏感元件9分别接入电桥电路的相对桥臂；两敏感单元的半导体框架1、5为同平面集成。

Claims

1.一种三维矢量水听器，包括采用MEMS微加工技术加工获得的分别用于敏感X向、Y向、Z向三方向水下声信号的敏感单元；其中，用于敏感X向、Y向两方向水下声信号的敏感单元为同一敏感单元，包含半导体框架（1）、架设于半导体框架（1）中央的十字形悬臂梁（2）、垂直固定于十字形悬臂梁（2）中央的微型柱状体（3），十字形悬臂梁（2）的四梁端部分别设置有应变敏感元件（4），十字形悬臂梁（2）四梁端部的应变敏感元件（4）连接组成分别用于测量X向、Y向两方向水下声信号的两个全桥差动电路；其特征在于：用于敏感Z向单方向水下声信号的敏感单元包含半导体框架（5）、悬置于半导体框架（5）内且平行设置的两悬臂梁（6、7），两悬臂梁（6、7）等长，且单端与半导体框架（5）同一边框固定，自由端通过连接梁（8）固定于一起；两悬臂梁（6、7）与半导体框架（5）固定的端部分别设有应变敏感元件（9），半导体框架（5）上设有两基准敏感元件（10），两基准敏感元件（10）与两悬臂梁（6、7）端部的应变敏感元件（9）连接组成用于测量Z向单方向水下声信号的电桥电路，两悬臂梁（6、7）端部应变敏感元件（9）分别接入电桥电路的相对桥臂；两敏感单元的半导体框架（1、5）为同平面集成。