CN102853898B

CN102853898B - 三维mems单片集成矢量水声传感器

Info

Publication number: CN102853898B
Application number: CN201210284038.7A
Authority: CN
Inventors: 张国军; 宋小鹏; 李振; 薛晨阳; 熊继军; 张文栋
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2012-08-11
Filing date: 2012-08-11
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2032-08-11
Also published as: CN102853898A

Abstract

本发明提供了一种性能更加优化的三维MEMS单片集成矢量水声传感器。本发明矢量水声传感器包括硅基座框架、十字形悬臂梁、圆形中间连接体、微型柱状体，十字形悬臂梁上设置有八个应变压敏电阻，八个应变压敏电阻分别组成检测X向和Y向的两个惠斯通全桥差动电路；硅基座框架的四个角上开设有安置槽，安置槽端部固定有单悬臂梁，每根单悬臂梁的根部设有一个应变压敏电阻，其中两个应变压敏电阻设于梁正面、另外两个应变压敏电阻设于梁背面，且四个应变压敏电阻组成一个检测Z向的惠斯通全桥差动电路。本发明体积小、灵敏度高、轴间耦合度低、指向性好、工艺简单、易于制作和批量化生产。

Description

三维MEMS单片集成矢量水声传感器

技术领域

本发明涉及MEMS传感器领域中的水声传感器，特别是一种三维MEMS单片集成矢量水声传感器。

背景技术

矢量水听器是一种能够时间同步、空间共点测得水下声场中某一质点运动的矢量信息的传感器。随着水声技术的不断发展，为满足岸站建设的需要，服务海岸预警声呐系统，实现远程检测、识别，低频检测能力日益显得重要。目前，对矢量水声传感器来说面临几个问题:1）高灵敏度问题；2）甚低频检测问题；3）矢量水声传感器的小型化问题；4）抗噪声干扰问题等。对于以上问题，可以以MEMS技术平台为依托通过研发新型水声传感器来解决。

鉴于MEMS技术具有微型化(miniaturization)，多样化(multiplicify)，微电子化(micro electronics)等的3M特点及易实现水声传感器的小型化和一致性的优点，MEMS矢量水听器已成为当前国内外声换能器领域研究的热点之一。专利号为200610012991.0的中国发明专利公开了一种“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、其密度与水相近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遂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，基本实现了对水下声信号二维平面内方位、声压大小的探测。专利号为201010581544.3的中国发明专利公开了一种“三维矢量水听器”，该水听器由一个MEMS二维十字梁—柱状体结构和一个MEMS一维T型结构组合而成，该结构基本实现了三维水声信号的测量，但是该结构也存在一维T型结构尺寸不易控制，惠斯通电桥提取电路结构灵敏度低、体积大、强度低，T型结构与二维十字梁—柱状体结构轴间耦合度大等缺点。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，而提供一种操作工艺更为简单、更易于制作和批量化生产、灵敏度更高、轴间耦合度更低且安装更为方便的三维MEMS单片集成矢量水声传感器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种三维MEMS单片集成矢量水声传感器，包括正方形的硅基座框架、架设于硅基座框架中央的十字形悬臂梁、设于十字形悬臂梁中央的圆形中间连接体以及垂直固定于圆形中间连接体中央且密度与水密度相同或相近的微型柱状体；十字形悬臂梁的四根梁上共设置有八个应变压敏电阻，每根梁的两端端部各设有一个应变压敏电阻；位于X方向的两根梁上的四个应变压敏电阻连接组成一个测量X向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于Y方向的两根梁上的四个应变压敏电阻组成一个测量Y向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；在硅基座框架的四个角上分别开设有一个一端与硅基座框架中空部分相通的安置槽，每个安置槽的端部各固定有一根密度与水密度相同或相近的单悬臂梁，单悬臂梁的另一端悬置于硅基座框架的中空部分，安置槽的轴线和单悬臂梁的轴线都位于硅基座框架的对角线上；每根单悬臂梁的根部设置有一个应变压敏电阻，其中有两个应变压敏电阻设于单悬臂梁的正面、另外两个应变压敏电阻设于单悬臂梁的背面，并且设置在单悬臂梁上的四个应变压敏电阻连接组成一个测量Z向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；十字形悬臂梁和单悬臂梁上的应变压敏电阻的阻值都相等。

十字形悬臂梁及其上的应变压敏电阻、圆形中间连接体和微型柱状体共同组成了本发明水声传感器的二维敏感单元，用于检测X、Y方向的水下声信号，其中，微型柱状体为本发明水声传感器的二维拾振单元。单悬臂梁及其上的应变压敏电阻组成了本发明水声传感器的一维敏感单元，用于检测Z方向的水下声信号，其中，单悬臂梁为本发明水声传感器的一维拾振单元。中间连接体为圆形时，X方向与Y方向横向耦合效应最小，有助于提高二维敏感单元的定向精度。

具体分析时，对于本发明结构中的十字形悬臂梁，在各梁的两端部（即：梁的顶部和根部）分别设置有一个应变压敏电阻，位于X方向的两根梁上的四个应变压敏电阻和位于Y方向的两根梁上的四个应变压敏电阻分别构成了一个惠斯通全桥差动电路（如图3、4），这样在XOY平面内就形成了两路惠斯通全桥差动电路分别用于检测X方向和Y方向的声信号；当作为二维拾振单元的微型柱状体拾取到声信号后，微型柱状体带动四个梁臂发生形变，梁内部的应力随梁的变形而变化，从而使梁臂上的应变压敏电阻的阻值发生变化，通过惠斯通全桥差动电路将阻值的变化转化为电压的变化，从而实现对X方向和Y方向声信号的测量。对于本发明结构中的单悬臂梁，在各梁臂的根部分别设置有一个应变压敏电阻，并且其中两个应变压敏电阻设于梁臂的正面、另外两个应变压敏电阻设于梁臂的背面（这样安排电阻使一维拾振单元—单悬臂梁变形时其上正面布置应变压敏电阻与背面布置的压敏电阻阻值变化相反），单悬臂梁上的四个应变压敏电阻构成了一个检测Z方向声信号的惠斯通全桥差动电路（如图5），这样当作为一维拾振单元的四根单悬臂梁拾取到Z向声信号时，梁的根部应力随梁的变形而变化，从而使单悬臂梁上的应变压敏电阻的阻值发生变化，通过惠斯通全桥差动电路将应变压敏电阻阻值的变化转化为电压的变化，从而实现对Z向声信号的测量。本发明与专利号为201010581544.3的中国发明专利公开的 “三维矢量水听器”相比，本发明结构充分利用半导体硅基座框架的内部空间，极大地缩减了结构的尺寸，并且本发明结构单悬臂梁上的应变压敏电阻采用了惠斯通全桥结构，极大地提高了结构的灵敏度。

本发明矢量水声传感器依据的理论基础为同振形矢量水听器设计的理论。由声学基础理论可知，在声波作用下矢量水听器拾振单元（二维拾振单元为微型柱状体、一维拾振单元为单悬臂梁）的振速与拾振单元的表面作用力（如图6所示）之间存在以下关系：

（1）

式中：Z_m为拾振单元对接收声波的机械阻抗，Z_s为拾振单元的声阻抗。

同振式矢量水听器的拾振单元结构一般是柱形或球形，本发明中的拾振单元为：二维拾振单元微型柱状体和一维拾振单元单悬臂梁，矢量水听器的拾振单元按上述关系推导出下列关系：

当满足波数k与拾振单元半径a乘积远远小于1，即ka﹤﹤1的条件时，有：

（2）

式中，V是矢量水听器拾振单元的振速，V₀是矢量水听器拾振单元周围液体介质的振速，ρ₀是介质密度，

是矢量水听器拾振单元平均密度。

由式（2）可知，在设计同振式矢量水听器时，尽量保证拾振单元的平均密度与介质密度接近，这样就能保证矢量水听器拾振单元的振速与介质的振速幅值相同，相位差为零。

根据上述条件，本发明采用MEMS技术加工的单片集成矢量水声传感器的拾振单元—微型柱状体和单悬臂梁的密度与水密度相近，且整体尺寸很好的满足了ka﹤﹤1。

本发明三维MEMS单片集成矢量水声传感器依据的定向理论基础如下：根据声学理论，声场中任意质点的振速可分解为X、Y、Z三个方向的分量信号，如图7所示：

（3）

式中：p为声源的声压，c为声速，ρ₀为水的密度，θ为声源在水平面内的方位角，α为声源相对于水平面的俯仰角。

根据式（3）中的各式有：

（4）

（5）

由此可见，只要测得质点振速在水平面内的两个速度分量V_x、V_y，就可得到声源在水平面内的方位角θ，测得质点振速在空间内的三个速度分量V_x、V_y、V_z，就可得到声源的俯仰角α。

对本发明三维MEMS单片集成矢量水声传感器进行力学分析，根据振动学理论，由十字形悬臂梁、圆形中间连接体及微型柱状体组成的二维敏感单元的共振频率为：

（6）

式中：m-二维敏感单元质量，L-梁臂长，b-梁臂宽，t-梁臂厚，h-微型柱状体高度，a-圆形中间连接体半径。

由四根单悬臂梁单端固定组成的一维敏感单元的共振频率为：

（7）

式中：L^a-单悬臂梁梁长，t` -单悬臂梁梁厚，v-纵向声速。

对本发明三维MEMS单片集成矢量水声传感器进行应力分析（如图8至图12所示），十字形悬臂梁、圆形中间连接体及微型柱状体组成的二维敏感单元的单根悬臂梁在弯矩M和水平力F共同作用下的任意一点x的应力σ₁为:

（8）

一维敏感单元的四根单悬臂梁上任意位置x处，随着梁的厚度分布的正应力σ_z为：

（9）

式中：z-据中性面上方距离，I-中性轴的惯性矩。

三维MEMS单片集成矢量水声传感器的灵敏度可表示为：

（10）

式中：V_in-输入电压幅值。

从式（10）可以看，水声传感器的灵敏度与悬臂梁上的应力成正比，结合式（8）、式（9）可知：水声传感器的灵敏度与微型柱状体的长度和单端固定的单悬臂梁的长度成正比。水声传感器的固有频率与微型柱状体的长度和单端固定的单悬臂梁的长度成反比。

综合灵敏度、频响、横向灵敏度三方面因素设定本发明三维MEMS单片集成矢量水声传感器的尺寸如表1所示：

表1 本发明三维MEMS单片集成矢量水声传感器尺寸

Figure 2012102840387100002DEST_PATH_IMAGE001

根据该尺寸利用ANSYS12.0 workbench有限元仿真软件对本发明三维MEMS单片集成矢量水声传感器进行有限元仿真分析：对传感器进行静力分析，具体为建立仿真模型，在二维敏感单元中二维拾振单元微型柱状体侧面上沿Y轴负半轴方向加载1Pa的载荷，同时在一维敏感单元上沿Z负方向加载1Pa力进行静力分析，得到最大应力和等效应力云图，如图13所示。对传感器进行模态分析，得到结构固有频率和一阶模态云图，如图14所示。根据仿真结果利用式(10)得出传感器灵敏度如表2所示：

表2本发明三维MEMS单片集成矢量水声传感器灵敏度

Figure 2012102840387100002DEST_PATH_IMAGE002

根据仿真结果，本发明三维MEMS单片集成矢量水声传感器的工作频段为0—1412Hz，能够很好的处理1KHz以下的甚低频检测问题，结合式(10)可得灵敏度为0.222mV/Pa（-197.7dB）。经测试，本发明三维MEMS单片集成矢量水声传感器具有良好地“8”字形指向性，如图15至图17所示。

本发明三维MEMS单片集成矢量水声传感器结构简单、设计合理、体积小、灵敏度高、轴间耦合度低、指向性好、操作工艺简单、安装方便、易于制作和批量化生产。

附图说明

图1为本发明三维MEMS单片集成矢量水声传感器的结构示意图。

图2为本发明三维MEMS单片集成矢量水声传感器的应变压敏电阻排布示意图。

图3为十字形悬臂中梁位于X方向的两根梁上的四个应变压敏电阻连接组成测量X向水下声信号的惠斯通全桥差动电路原理图。

图4为十字形悬臂中梁位于Y方向的两根梁上的四个应变压敏电阻连接组成测量Y向水下声信号的惠斯通全桥差动电路原理图。

图5为四根单悬臂梁上的四个应变压敏电阻连接组成测量Z向水下声信号的惠斯通全桥差动电路原理图。

图6为本发明中微型柱状体声散射坐标示意图。

图7为声信号在空间内按X、Y、Z三个方向分解示意图。

图8为本发明中十字形悬臂梁变形示意图。

图9为本发明中十字形悬臂梁的单根悬臂梁的受力分析示意图。

图10为本发明中圆形中间连接体受力分析示意图。

图11为本发明中单悬臂梁变形示意图。

图12为本发明中单悬臂梁的受力分析示意图。

图13为本发明仿真模型的等效应力云图。

图14为本发明仿真模型的一阶模态云图。

图15为本发明于160Hz测试频率下X方向指向性示意图。

图16为本发明于160Hz测试频率下Y方向指向性示意图。

图17为本发明于315Hz测试频率下Z方向指向性示意图。

图中：1-硅基座框架、2-十字形悬臂梁、3-圆形中间连接体、4-微型柱状体、5-应变压敏电阻、6-安置槽、7-单悬臂梁。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述：

如图1至图5所示，一种三维MEMS单片集成矢量水声传感器，包括正方形的硅基座框架1、架设于硅基座框架1中央的十字形悬臂梁2、设于十字形悬臂梁2中央的圆形中间连接体3以及垂直固定于圆形中间连接体3中央且密度与水密度相同或相近的微型柱状体4；十字形悬臂梁2的四根梁上共设置有八个应变压敏电阻5——R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，每根梁的两端端部各设有一个应变压敏电阻5；位于X方向的两根梁上的四个应变压敏电阻5——R1、R2、R3、R4连接组成一个测量X向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于Y方向的两根梁上的四个应变压敏电阻5——R5、R6、R7、R8连接组成一个测量Y向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；其特征在于：在硅基座框架1的四个角上分别开设有一个一端与硅基座框架1中空部分相通的安置槽6，每个安置槽6的端部各固定有一根密度与水密度相同或相近的单悬臂梁7，单悬臂梁7的另一端悬置于硅基座框架1的中空部分，安置槽6的轴线和单悬臂梁7的轴线都位于硅基座框架1的对角线上；每根单悬臂梁7的根部设置有一个应变压敏电阻5，其中有两个应变压敏电阻5设于单悬臂梁7的正面、另外两个应变压敏电阻5设于单悬臂梁7的背面，并且设置在单悬臂梁7上的四个应变压敏电阻5——R9、R10、R11、R12连接组成一个测量Z向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；十字形悬臂梁2和单悬臂梁7上的应变压敏电阻5的阻值都相等。

进一步地，所述的十字形悬臂梁2、圆形中间连接体3及单悬臂梁7都是采用SOI材料经过现有的MEMS微机械工艺加工而成的；所述的应变压敏电阻5是通过现有的半导体扩散工艺加工而成的。

所述的十字形悬臂梁2的每根梁的梁长1000um、梁宽130um、梁厚20um；所述的圆形中间连接体3的直径为600um、厚为20um；所述的微型柱状体4高5000um、外径200um、内径130um；所述的单悬臂梁7的梁长2500um、梁宽130um、梁厚20um。

Claims

1.一种三维MEMS单片集成矢量水声传感器，包括正方形的硅基座框架（1）、架设于硅基座框架（1）中央的十字形悬臂梁（2）、设于十字形悬臂梁（2）中央的圆形中间连接体（3）以及垂直固定于圆形中间连接体（3）中央且密度与水密度相同或相近的微型柱状体（4）；十字形悬臂梁（2）的四根梁上共设置有八个应变压敏电阻（5），每根梁的两端端部各设有一个应变压敏电阻（5）；位于X方向的两根梁上的四个应变压敏电阻（5）连接组成一个测量X方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于Y方向的两根梁上的四个应变压敏电阻（5）组成一个测量Y方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；其特征在于：在硅基座框架（1）的四个角上分别开设有一个一端与硅基座框架（1）中空部分相通的安置槽（6），每个安置槽（6）的端部各固定有一根密度与水密度相同或相近的单悬臂梁（7），单悬臂梁（7）的另一端悬置于硅基座框架（1）的中空部分，安置槽（6）的轴线和单悬臂梁（7）的轴线都位于硅基座框架（1）的对角线上；每根单悬臂梁（7）的根部设置有一个应变压敏电阻（5），其中有两个应变压敏电阻（5）设于单悬臂梁（7）的正面、另外两个应变压敏电阻（5）设于单悬臂梁（7）的背面，并且设置在单悬臂梁（7）上的四个应变压敏电阻（5）连接组成一个测量Z方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；十字形悬臂梁（2）和单悬臂梁（7）上的应变压敏电阻（5）的阻值都相等。

2.根据权利要求1所述的三维MEMS单片集成矢量水声传感器，其特征在于：所述的十字形悬臂梁（2）、圆形中间连接体（3）及单悬臂梁（7）都是采用SOI材料经过现有的MEMS微机械工艺加工而成的；所述的应变压敏电阻（5）是通过现有的半导体扩散工艺加工而成的。

3.根据权利要求1或2所述的三维MEMS单片集成矢量水声传感器，其特征在于：所述的十字形悬臂梁（2）的每根梁的梁长1000um、梁宽130um、梁厚20um；所述的圆形中间连接体（3）的直径为600um、厚为20um；所述的微型柱状体（4）高5000um、外径200um、内径130um；所述的单悬臂梁（7）的梁长2500um、梁宽130um、梁厚20um。