CN103064060A - 四元列阵mems矢量水听器微结构 - Google Patents

四元列阵mems矢量水听器微结构 Download PDF

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本发明为一种四元阵列MEMS矢量水听器微结构。本发明包括正方形衬底，正方形衬底上刻蚀有四个十字形悬臂梁，每个十字形悬臂梁中心固定有微型柱状体，十字形悬臂梁的梁臂上设有压敏电阻，四个十字形悬臂梁相对于正方形衬底之间的角度各不相同，分别为0o、30o、45o和60o。本发明微结构采用MEMS工艺制成，具有高灵敏度、低功耗、微体积的优点。与现有单矢量水听器相比，利用本发明微结构制作的水听器定向精度高、空间分辨率力强，可有效的消除了左右舷模糊问题。与传统的水听器阵列相比，本发明极大的缩小了阵列尺寸，并且本发明列阵采用MEMS工艺一次成型，各阵元间具有极高的一致性，为后续算法解算减轻压力。

Description

四元列阵MEMS矢量水听器微结构
技术领域
本发明涉及一种MEMS矢量水听器，具体是一种四元列阵MEMS矢量水听器微结构。
背景技术
矢量水听器作为一种能够时间同步、空间共点测得水下声场矢量信息的传感器，在海洋工程和海洋开发中有着广泛的应用前景。基于MEMS技术研制的矢量水听器正逐渐向微型化，集成化发展。利用MEMS技术研制的单矢量水听器已经可以进行目标定向功能，例如专利号为200610012991.0的中国发明专利公开的一种“共振隧穿仿生矢量水声传感器”，实现了对水下声信号二维平面内方位的探测。但是，随着研究的进一步深入也发现尽管单只矢量水听器可以对空间目标进行定向，但是单只系统的可靠性较差，对于已知的空间偶极子指向性，其定向精度不高，空间分辨率力不够，存在左右舷模糊等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有单矢量水听器定向精度不高，空间分辨率力不够，存在左右舷模糊等问题，而提供了一种四元列阵MEMS矢量水听器微结构。由于利用本发明微结构制作的矢量水听器工作时相当于四只单矢量水听器同时从四个方向获取矢量信息，所以可以通过数据融合技术对获取的矢量冗余信息从决策级和数据级的融合层次进行融合处理，对声源目标的方位进行估计，从而得到比单矢量水听器更优越的检测和估计性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种四元列阵MEMS矢量水听器微结构，包括以硅为材料的正方形衬底，以正方形衬底的中心为坐标原点并沿正方形衬底两组对边的中线方向建立XOY坐标系，在正方形衬底上XOY坐标系的四个象限中采用ICP等离子刻蚀技术分别刻蚀有结构尺寸完全相同的镂空十字形悬臂梁，四个十字形悬臂梁的中心交叉处刻蚀为圆形片，在圆形片上分别垂直固定有一根密度与水密度相同或相近的微型柱状体，在各十字形悬臂梁的每根单梁的两端分别利用离子注入技术注入硼离子形成压敏电阻，所有的压敏电阻的阻值都相等；四个十字形悬臂梁分别以其各自的中心交叉处为坐标原点并沿其各自的悬臂梁方向建立相对坐标系，并任意的设其中一个十字形悬臂梁的相对坐标系为X1OY1、一个十字形悬臂梁的相对坐标系为X2OY2、一个十字形悬臂梁的相对坐标系为X3OY3、一个十字形悬臂梁的相对坐标系为X4OY4；以正方形衬底上XOY坐标系的X轴为基准并按逆时针方向，以上四个相对坐标系X1OY1、X2OY2、X3OY3、X4OY4中，其中任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为0o、任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为30o、任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为45o、任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为60o；位于相对坐标系X1OY1中X1方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻连接成一个检测X1方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X1OY1中Y1方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻连接成一个检测Y1方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；位于相对坐标系X2OY2中X2方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻连接成一个检测X2方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X2OY2中Y2方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻连接成一个检测Y2方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；位于相对坐标系X3OY3中X3方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻连接成一个检测X3方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X3OY3中Y3方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻连接成一个检测Y3方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；位于相对坐标系X4OY4中X4方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻连接成一个检测X4方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X4OY4中Y4方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻连接成一个检测Y4方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路。所述的MEMS加工技术、ICP等离子刻蚀技术、离子注入技术是现有公知技术。
按相对坐标系的编号，分别将相对坐标系X1OY1中的十字形悬臂梁及其对应的微型柱状体命名为阵元一，阵元一中两根X1方向的悬臂梁上的四个压敏电阻R1、R2、R3、R4之间连接成一个检测X1方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，两根Y1方向的悬臂梁上的四个压敏电阻R5、R6、R7、R8连接成一个检测Y1方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；将相对坐标系X2OY2中的十字形悬臂梁及其对应的微型柱状体命名为阵元二，阵元二中两根X2方向的悬臂梁上的四个压敏电阻R9、R10、R11、R12连接成一个检测X2方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，两根Y2方向的悬臂梁上四个的压敏电阻R13、R14、R15、R16连接成一个检测Y2方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；将相对坐标系X3OY3中的十字形悬臂梁及其对应的微型柱状体命名为阵元三，阵元三中两根X3方向的悬臂梁上的四个压敏电阻R17、R18、R19、R20连接成一个检测X3方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，两根Y3方向的悬臂梁上的四个压敏电阻R21、R22、R23、R24连接成一个检测Y3方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；将相对坐标系X4OY4中的十字形悬臂梁及其对应的微型柱状体命名为阵元四，阵元四中两根X4方向的悬臂梁上的四个压敏电阻R25、R26、R27、R28连接成一个检测X4方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，两根Y4方向的悬臂梁上的四个压敏电阻R29、R30、R31、R32连接成一个检测Y4方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路。
数据融合处理时要求各阵元灵敏度一致，相位同步，所以各阵元的结构尺寸完全一致。根据振动学理论，阵列式MEMS矢量水听器微结构的共振频率可以由下式决定：
Figure 509716DEST_PATH_IMAGE001
       （1）
式中：m-各阵元质量，L-梁臂长，b-梁臂宽，t-梁臂厚，h-微型柱状体高度，a-圆形结构半径。
水听器可靠工作频率上限小于等于固有频率的三分之二，结合上式，根据实际的工作频率带宽需求灵活确定结构尺寸。
为了了解利用本发明制作的矢量水听器在具体测量时定位方式和数据融合流程，如图4所示，假定绝对坐标系XOY第一象限下一声源目标，并设位于绝对坐标系XOY第一象限中的十字形悬臂梁为相对坐标系X2OY2、位于绝对坐标系XOY第二象限中的十字形悬臂梁为相对坐标系X3OY3、位于绝对坐标系XOY第三象限中的十字形悬臂梁为相对坐标系X4OY4、位于绝对坐标系XOY第四象限中的十字形悬臂梁为相对坐标系X1OY1。当MEMS技术的四元阵列矢量水听器微结构的四个阵元感知到声信号后，将会在各自的相对坐标系下产生两个角度：X1OY1为θ1（ω）与θ'1（ω）、X2OY2为θ2（ω）与θ'2（ω）、X3OY3为θ3（ω）与θ'3（ω）、X4OY4为θ4（ω）与θ'4（ω），由此可已看出单独依靠任何一个阵元都无法确定声源位置，即存在左右舷模糊，然而将四个阵元结合起来，沿角度θ1（ω）、θ2（ω）、θ3（ω）、θ4（ω）方向上将在绝对坐标系XOY下产生一个交点S，连接该交点S与绝对坐标系XOY的原点O将产生角度
Figure 489174DEST_PATH_IMAGE002
，即声源位置，对于其他角度的组合方式都无法交于一点，即消除了在左右舷模糊问题。具体数据融合方式的算法流程图如图5所示。该种结构的测试方式不仅消除了单个矢量水听器测试时左右舷模糊的问题，同时利用多阵元定位，提高了分辨能力和可靠性。
所述的数据融合技术为传感器信息处理技术中的研究热门领域之一，属于现有公知技术，是本领域技术人员熟知的，适用于该微结构制作的矢量水听器的数据融合算法需根据水听器的具体工作环境、工作平台等具体确定，并且图4所示坐标关系为该结构算法解算时的一种位置关系，例如该结构也可以选取图四中X1OY1作为绝对坐标系进行位置解算等，算法相似。
本发明微结构采用MEMS加工、ICP等离子刻蚀、离子注入等技术制成，具有高灵敏度、低功耗、微体积（整个结构尺寸在微米级）的优点。与现有单矢量水听器相比，本发明微结构制作的水听器定向精度高、空间分辨率力强，有效的消除了左右舷模糊问题。与传统的水听器阵列相比，本发明微结构制作的水听器极大的缩小了阵列尺寸（传统阵列尺寸半径几米到十几米不等，本发明制成的水听器尺寸在厘米级），并且采用MEMS工艺一次成型，各阵元间具有极高的一致性，为后续算法解算减轻压力。
附图说明
图1为本发明四元阵列MEMS矢量水听器微结构的结构示意图。
图2为本发明四元阵列MEMS矢量水听器微结构的十字悬臂梁及压敏电阻排布示意图。
图3为本发明四元阵列MEMS矢量水听器微结构的惠斯通全桥差动电路原理图。
图4为本发明四元阵列MEMS矢量水听器微结构制作的水听器接收声信号时的示意图。
图5为利用本发明四元阵列MEMS矢量水听器微结构制作的水听器数据融合算法流程图。
图6为本发明四元阵列MEMS矢量水听器微结构沿Y方向加1Pa力仿真的应力云图。
图中：1-正方形衬底、2-十字形悬臂梁、3-圆形片、4-微型柱状体、5-压敏电阻。
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、2、3所示，一种四元列阵MEMS矢量水听器微结构，包括以硅为材料的正方形衬底1，以正方形衬底1的中心为坐标原点并沿正方形衬底1两组对边的中线方向建立XOY坐标系，在正方形衬底1上XOY坐标系的四个象限中采用ICP等离子刻蚀技术分别刻蚀有结构尺寸完全相同的镂空十字形悬臂梁2，四个十字形悬臂梁2的中心交叉处刻蚀为圆形片3，在圆形片3上分别垂直固定有一根密度与水密度相同或相近的微型柱状体4，在各十字形悬臂梁2的每根单梁的两端分别利用离子注入技术注入硼离子形成压敏电阻5，所有的压敏电阻5的阻值都相等；四个十字形悬臂梁2分别以其各自的中心交叉处为坐标原点并沿其各自的悬臂梁方向建立相对坐标系，并任意的设其中一个十字形悬臂梁2的相对坐标系为X1OY1、一个十字形悬臂梁2的相对坐标系为X2OY2、一个十字形悬臂梁2的相对坐标系为X3OY3、一个十字形悬臂梁2的相对坐标系为X4OY4；以正方形衬底1上XOY坐标系的X轴为基准并按逆时针方向，以上四个相对坐标系X1OY1、X2OY2、X3OY3、X4OY4中，其中任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为0o、任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为30o、任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为45o、任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为60o；位于相对坐标系X1OY1中X1方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻5连接成一个检测X1方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X1OY1中Y1方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻5连接成一个检测Y1方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；位于相对坐标系X2OY2中X2方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻5连接成一个检测X2方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X2OY2中Y2方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻5连接成一个检测Y2方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；位于相对坐标系X3OY3中X3方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻5连接成一个检测X3方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X3OY3中Y3方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻5连接成一个检测Y3方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；位于相对坐标系X4OY4中X4方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻5连接成一个检测X4方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X4OY4中Y4方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻5连接成一个检测Y4方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路。
具体实施时，令上述的相对坐标系X1OY1、X2OY2、X3OY3和X4OY4分别位于正方形衬底1上XOY坐标系中的第四、第一、第二和第三象限中，并且分别将相对坐标系X1OY1中的十字形悬臂梁及其对应的微型柱状体命名为阵元一，将相对坐标系X2OY2中的十字形悬臂梁及其对应的微型柱状体命名为阵元二，将相对坐标系X3OY3中的十字形悬臂梁及其对应的微型柱状体命名为阵元三，将相对坐标系X4OY4中的十字形悬臂梁及其对应的微型柱状体命名为阵元四。为了本发明装置的布局合理，可以将四个相对坐标系中的八个惠斯通全桥差动电路的输入端并联连接在一起，如图3所示。
接下来为验证本发明微结构设计的合理性，采用ANSYSWorkbench软件对该微结构进行静力仿真，得到了沿Y方向加载1Pa力作用下的应力云图，如图6所示，分析应力云图分布，在阵元各自的相对坐标系下，阵元一Y向应力最大，X向应力对称抵消，输出近似为零，换算成角度约为90度；阵元二Y向梁上应力约为X向梁上应力的0.57倍，换算成角度约为30度；阵元三Y向梁上应力与X向梁上应力相等，换算为角度约为45度；阵元四Y向梁上应力约为X向梁上应力的1.73倍，换算成角度约为60度。以上仿真分析结果符合各阵元在绝对坐标系XOY下的分布情况，即本发明微结构是合理的。

Claims (2)

1.一种四元列阵MEMS矢量水听器微结构，其特征在于：包括以硅为材料的正方形衬底（1），以正方形衬底（1）的中心为坐标原点并沿正方形衬底（1）两组对边的中线方向建立XOY坐标系，在正方形衬底（1）上XOY坐标系的四个象限中采用ICP等离子刻蚀技术分别刻蚀有结构尺寸完全相同的镂空十字形悬臂梁（2），四个十字形悬臂梁（2）的中心交叉处刻蚀为圆形片（3），在圆形片（3）上分别垂直固定有一根密度与水密度相同或相近的微型柱状体（4），在各十字形悬臂梁（2）的每根单梁的两端分别利用离子注入技术注入硼离子形成压敏电阻（5），所有的压敏电阻（5）的阻值都相等；四个十字形悬臂梁（2）分别以其各自的中心交叉处为坐标原点并沿其各自的悬臂梁方向建立相对坐标系，并任意的设其中一个十字形悬臂梁（2）的相对坐标系为X1OY1、一个十字形悬臂梁（2）的相对坐标系为X2OY2、一个十字形悬臂梁（2）的相对坐标系为X3OY3、一个十字形悬臂梁（2）的相对坐标系为X4OY4；以正方形衬底（1）上XOY坐标系的X轴为基准并按逆时针方向，以上四个相对坐标系X1OY1、X2OY2、X3OY3、X4OY4中，其中任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为0o、任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为30o、任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为45o、任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为60o；位于相对坐标系X1OY1中X1方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻（5）连接成一个检测X1方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X1OY1中Y1方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻（5）连接成一个检测Y1方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；位于相对坐标系X2OY2中X2方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻（5）连接成一个检测X2方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X2OY2中Y2方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻（5）连接成一个检测Y2方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；位于相对坐标系X3OY3中X3方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻（5）连接成一个检测X3方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X3OY3中Y3方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻（5）连接成一个检测Y3方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；位于相对坐标系X4OY4中X4方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻（5）连接成一个检测X4方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X4OY4中Y4方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻（5）连接成一个检测Y4方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路。
2.根据权利要求1所述的四元列阵MEMS矢量水听器微结构，其特征在于：该微结构的加工材料为SOI硅圆片。
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