CN103245409B - 基于压电效应的mems仿生结构矢量水声传感器 - Google Patents
基于压电效应的mems仿生结构矢量水声传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103245409B CN103245409B CN201310133886.2A CN201310133886A CN103245409B CN 103245409 B CN103245409 B CN 103245409B CN 201310133886 A CN201310133886 A CN 201310133886A CN 103245409 B CN103245409 B CN 103245409B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- piezoelectric membrane
- cantilever beam
- mems
- outside
- shaped
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
Abstract
本发明涉及MEMS矢量水声传感器，具体是一种基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器。本发明解决了现有MEMS矢量水声传感器抗流噪声性能差、灵敏度低、抗冲击性能差、质量重、声阻抗与水不匹配、以及加工制作困难的问题。基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器包括基底、框形基座、悬臂梁、质量块、空心玻璃柱体、内侧PZT压电薄膜、以及外侧PZT压电薄膜；其中，框形基座的下端面键合于基底的上表面；悬臂梁的外端面固定于框形基座的内表面；质量块固定于悬臂梁的内端面，且质量块的上表面中央垂直开设有圆孔；空心玻璃柱体的下端键合于圆孔内；内侧PZT压电薄膜旋涂于悬臂梁的内端上表面。本发明适用于水声传感。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS矢量水声传感器，具体是一种基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器。
背景技术
MEMS矢量水声传感器因其具有体积小、灵敏度高、矢量性和一致性好、低成本、刚性安装、使用方便等一系列优点，而被广泛应用于各个领域。现有MEMS矢量水声传感器主要包括压阻式MEMS矢量水声传感器和压电陶瓷MEMS矢量水声传感器。其中，压阻式MEMS矢量水声传感器是一种基于压阻原理的MEMS矢量水声传感器，其具有体积小、测量范围广等优点，但其为有源器件，需要外接电源，因而其存在抗流噪声性能差、灵敏度低的问题。压电陶瓷MEMS矢量水声传感器是一种基于压电效应的MEMS矢量水声传感器，其具有低噪声、高动态测试范围、灵敏度高等优点，但其存在抗冲击性能差、质量重、声阻抗与水不匹配、加工制作困难的问题。基于此，有必要发明一种优化的MEMS矢量水声传感器，以解决现有MEMS矢量水声传感器抗流噪声性能差、灵敏度低、抗冲击性能差、质量重、声阻抗与水不匹配、以及加工制作困难的问题。
发明内容
本发明为了解决现有MEMS矢量水声传感器抗流噪声性能差、灵敏度低、抗冲击性能差、质量重、声阻抗与水不匹配、以及加工制作困难的问题，提供了一种基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器。
本发明是采用如下技术方案实现的：基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器，包括基底、框形基座、悬臂梁、质量块、空心玻璃柱体、内侧PZT压电薄膜、以及外侧PZT压电薄膜；其中，框形基座的下端面键合于基底的上表面；悬臂梁的外端面固定于框形基座的内表面；质量块固定于悬臂梁的内端面，且质量块的上表面中央垂直开设有圆孔；空心玻璃柱体的下端键合于圆孔内；内侧PZT压电薄膜旋涂于悬臂梁的内端上表面；外侧PZT压电薄膜旋涂于悬臂梁的外端上表面；内侧PZT压电薄膜的底电极与外侧PZT压电薄膜的底电极相互共用；内侧PZT压电薄膜的顶电极与外侧PZT压电薄膜的顶电极相互断开。
工作时，本发明所述的基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器以鱼类的侧线器官为原型，通过空心玻璃柱体模仿鱼类的可动纤毛，通过PZT压电薄膜模仿鱼类的感觉细胞，通过空心玻璃柱体与声学介质的质点同步振动来拾取声压信号。具体工作过程如下：当空心玻璃柱体与声学介质的质点同步振动时，空心玻璃柱体带动质量块进行运动，质量块带动悬臂梁发生弯曲形变，使得内侧PZT压电薄膜的内部和外侧PZT压电薄膜的内部均产生极化现象，内侧PZT压电薄膜的极化表面和外侧PZT压电薄膜的极化表面均出现电荷，由此将质点同步振动信号（即声压信号）转换成电信号。在此过程中，悬臂梁的内端受到的作用力与外端受到的作用力相反（分别为拉应力和压应力），内侧PZT压电薄膜的极化表面出现的电荷与外侧PZT压电薄膜的极化表面出现的电荷正负相反，如图4所示。通过共用底电极、断开顶电极的方式，能够实现内侧PZT压电薄膜与外侧PZT压电薄膜之间的串联，由此能够增大电信号。基于上述过程，与现有MEMS矢量水声传感器相比，本发明所述的基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器具有如下优点：其一，与压阻式MEMS矢量水声传感器相比，本发明所述的基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器为无源器件，不需要外接电源，因而其抗流噪声性能更好、灵敏度更高。其二，与传统压电陶瓷MEMS矢量水声传感器相比，本发明所述的基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器的抗冲击性能更好、质量更轻、声阻抗与水更匹配、加工制作更容易。综上所述，本发明所述的基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器通过采用优化结构，有效解决了现有MEMS矢量水声传感器抗流噪声性能差、灵敏度低、抗冲击性能差、质量重、声阻抗与水不匹配、以及加工制作困难的问题，其具有三维矢量性，能够实现对x、y、z三个方向的三维空间声压信号进行精确感知和定向。
进一步地，框形基座上固定有外接引线键合焊盘；内侧PZT压电薄膜的极化表面与外接引线键合焊盘之间、外侧PZT压电薄膜的极化表面与外接引线键合焊盘之间均连接有引线。工作时，通过引线和外接引线键合焊盘，能够将电信号输出。
本发明有效解决了现有MEMS矢量水声传感器抗流噪声性能差、灵敏度低、抗冲击性能差、质量重、声阻抗与水不匹配、以及加工制作困难的问题，适用于水声传感。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图。
图2是本发明的平面结构示意图。
图3是图2的A-A剖视图。
图4是本发明的悬臂梁的受力分析和电荷分布示意图。
图中：1-基底，2-框形基座，3-悬臂梁，4-质量块，5-空心玻璃柱体，6-内侧PZT压电薄膜，7-外侧PZT压电薄膜。
具体实施方式
基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器，包括基底1、框形基座2、悬臂梁3、质量块4、空心玻璃柱体5、内侧PZT压电薄膜6、以及外侧PZT压电薄膜7；其中，框形基座2的下端面键合于基底1的上表面；悬臂梁3的外端面固定于框形基座2的内表面；质量块4固定于悬臂梁3的内端面，且质量块4的上表面中央垂直开设有圆孔；空心玻璃柱体5的下端键合于圆孔内；内侧PZT压电薄膜6旋涂于悬臂梁3的内端上表面；外侧PZT压电薄膜7旋涂于悬臂梁3的外端上表面；内侧PZT压电薄膜6的底电极与外侧PZT压电薄膜7的底电极相互共用；内侧PZT压电薄膜6的顶电极与外侧PZT压电薄膜7的顶电极相互断开。
框形基座2上固定有外接引线键合焊盘；内侧PZT压电薄膜6的极化表面与外接引线键合焊盘之间、外侧PZT压电薄膜7的极化表面与外接引线键合焊盘之间均连接有引线。
具体实施时，悬臂梁3的数目、内侧PZT压电薄膜6的数目、外侧PZT压电薄膜7的数目均为四个；四个悬臂梁3的外端面分别对称固定于框形基座2的内表面；质量块4同时固定于四个悬臂梁3的内端面；四个内侧PZT压电薄膜6一一对应旋涂于四个悬臂梁3的内端上表面；四个外侧PZT压电薄膜7一一对应旋涂于四个悬臂梁3的外端上表面。工作时，悬臂梁、内侧PZT压电薄膜、外侧PZT压电薄膜的数目设置能够使得压电转换效率即质点同步振动信号转换成电信号的效率达到最大，由此能够有效提高灵敏度和工作可靠性。
Claims (1)
1.一种基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器，其特征在于：包括基底（1）、框形基座（2）、悬臂梁（3）、质量块（4）、空心玻璃柱体（5）、内侧PZT压电薄膜（6）、以及外侧PZT压电薄膜（7）；其中，框形基座（2）的下端面键合于基底（1）的上表面；悬臂梁（3）的外端面固定于框形基座（2）的内表面；质量块（4）固定于悬臂梁（3）的内端面，且质量块（4）的上表面中央垂直开设有圆孔；空心玻璃柱体（5）的下端键合于圆孔内；内侧PZT压电薄膜（6）旋涂于悬臂梁（3）的内端上表面；外侧PZT压电薄膜（7）旋涂于悬臂梁（3）的外端上表面；内侧PZT压电薄膜（6）的底电极与外侧PZT压电薄膜（7）的底电极相互共用；内侧PZT压电薄膜（6）的顶电极与外侧PZT压电薄膜（7）的顶电极相互断开；
框形基座（2）上固定有外接引线键合焊盘；内侧PZT压电薄膜（6）的极化表面与外接引线键合焊盘之间、外侧PZT压电薄膜（7）的极化表面与外接引线键合焊盘之间均连接有引线；
悬臂梁（3）的数目、内侧PZT压电薄膜（6）的数目、外侧PZT压电薄膜（7）的数目均为四个；四个悬臂梁（3）的外端面分别对称固定于框形基座（2）的内表面；质量块（4）同时固定于四个悬臂梁（3）的内端面；四个内侧PZT压电薄膜（6）一一对应旋涂于四个悬臂梁（3）的内端上表面；四个外侧PZT压电薄膜（7）一一对应旋涂于四个悬臂梁（3）的外端上表面。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310133886.2A CN103245409B (zh) | 2013-04-17 | 2013-04-17 | 基于压电效应的mems仿生结构矢量水声传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310133886.2A CN103245409B (zh) | 2013-04-17 | 2013-04-17 | 基于压电效应的mems仿生结构矢量水声传感器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103245409A CN103245409A (zh) | 2013-08-14 |
| CN103245409B true CN103245409B (zh) | 2016-12-28 |
Family
ID=48925080
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310133886.2A Active CN103245409B (zh) | 2013-04-17 | 2013-04-17 | 基于压电效应的mems仿生结构矢量水声传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103245409B (zh) |
Families Citing this family (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103759809B (zh) * | 2014-01-15 | 2017-01-04 | 北京航空航天大学 | 一种三维压电矢量水听器微结构 |
| CN104121984B (zh) * | 2014-08-16 | 2016-08-31 | 中北大学 | 一种高灵敏度谐振式mems矢量水听器结构 |
| CN104730288A (zh) * | 2015-03-26 | 2015-06-24 | 厦门大学 | 一种单轴压电加速度计 |
| CN105092016B (zh) * | 2015-07-14 | 2017-12-22 | 北京航天控制仪器研究所 | 一种moems矢量水听器 |
| CN105262371A (zh) * | 2015-10-29 | 2016-01-20 | 苏州工业园区纳米产业技术研究院有限公司 | 一种宽频压电式mems振动能量采集器 |
| CN107063438B (zh) * | 2017-03-10 | 2023-04-28 | 中北大学 | 基于压电效应的mems三维同振型矢量水听器 |
| CN106706108B (zh) * | 2017-03-10 | 2023-04-28 | 中北大学 | 基于压电效应的mems同振型球形振子矢量水听器 |
| CN107246910B (zh) * | 2017-06-15 | 2019-11-29 | 中北大学 | 基于压阻效应的mems三维同振型矢量水听器 |
| WO2019093773A1 (ko) * | 2017-11-09 | 2019-05-16 | (주)아모레퍼시픽 | 변형 센서 유닛 및 이를 포함하는 스킨 센서 모듈 |
| US10952642B2 (en) * | 2017-11-09 | 2021-03-23 | Amorepacific Corporation | Strain sensor unit and skin sensor module comprising the same |
| CN108731790B (zh) * | 2018-05-08 | 2020-07-10 | 山西大学 | 高灵敏宽频带压电式mems矢量水听器 |
| CN109282891B (zh) * | 2018-08-13 | 2021-08-03 | 西安陆海地球物理科技有限公司 | 一种压电晶片 |
| CN109238438B (zh) * | 2018-09-13 | 2021-01-05 | 太原理工大学 | 一种基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器 |
| CN109238245B (zh) * | 2018-11-30 | 2020-11-10 | 中国海洋大学 | 一种新型仿生侧线传感器 |
| CN109579975B (zh) * | 2018-12-19 | 2020-10-27 | 中北大学 | X、y方向振动抑制的压阻式三维矢量水听器 |
| CN109470281B (zh) * | 2019-01-11 | 2020-04-03 | 中国海洋大学 | 一种仿生侧线流传感器 |
| CN109945966A (zh) * | 2019-03-29 | 2019-06-28 | 中北大学 | AlN双层薄膜的单电极水听器 |
| CN111082699B (zh) * | 2019-12-13 | 2023-05-26 | 合肥工业大学 | 一种非正弦周期谐振的压电振子 |
| CN111337119B (zh) * | 2020-01-10 | 2021-01-15 | 武汉敏声新技术有限公司 | 一种高灵敏度的振动传感器 |
| CN112903087A (zh) * | 2021-01-18 | 2021-06-04 | 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 | Mems单片集成标矢量复合声波传感器及其加工方法 |
| CN113739903B (zh) * | 2021-07-21 | 2023-03-31 | 西安交通大学 | 一种碳化硅振动传感器及其制造方法 |
| CN117191182B (zh) * | 2023-11-07 | 2024-01-19 | 中北大学 | 一种悬臂梁式一维mems压电矢量水听器 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1566961A (zh) * | 2003-07-09 | 2005-01-19 | 友达光电股份有限公司 | 半导体加速感测器 |
| CN202256381U (zh) * | 2011-09-06 | 2012-05-30 | 浙江吉利汽车研究院有限公司 | 压电薄膜式加速度传感器 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69714909T2 (de) * | 1996-05-27 | 2003-04-30 | Ngk Insulators Ltd | Piezoelektrisches Element des Dünnschichttyps |
-
2013
- 2013-04-17 CN CN201310133886.2A patent/CN103245409B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1566961A (zh) * | 2003-07-09 | 2005-01-19 | 友达光电股份有限公司 | 半导体加速感测器 |
| CN202256381U (zh) * | 2011-09-06 | 2012-05-30 | 浙江吉利汽车研究院有限公司 | 压电薄膜式加速度传感器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 硅微仿生矢量水声传感器研制;谢斌等;《传感技术学报》;20061031;第19卷(第5期);2300-2303 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103245409A (zh) | 2013-08-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103245409B (zh) | 基于压电效应的mems仿生结构矢量水声传感器 | |
| CN107246910B (zh) | 基于压阻效应的mems三维同振型矢量水听器 | |
| CN105092016B (zh) | 一种moems矢量水听器 | |
| CN107631790B (zh) | 一种光纤激光水听器及其制备方法 | |
| CN201063346Y (zh) | 一种双极化分割电极传感振动膜 | |
| US9036838B2 (en) | Dual-diaphragm acoustic transducer | |
| CN101192644A (zh) | 一种包含两种极化方向压电薄膜的传感振动膜 | |
| EP2506598A3 (en) | Dual cell MEMS assembly | |
| CN104203806A (zh) | 用于微机电的测量变换器的膜片装置和用于制造膜片装置的方法 | |
| EP2546659A3 (en) | Dual output accelerometer system | |
| CN105606201B (zh) | 复合式mems仿生水听器 | |
| CN101089625A (zh) | 金属电容式微加速度计 | |
| CN108296155A (zh) | 具有v形弹簧的微机电压电超声波换能器 | |
| CN202305004U (zh) | 一种工件固有频率检测装置 | |
| CN213783602U (zh) | 骨传导检测装置和骨传导器件 | |
| US11898902B1 (en) | Swim bladder bionic amphibious optical fiber ocean acoustic sensor | |
| CN104612613A (zh) | 压电式振动装置 | |
| RU2546968C1 (ru) | Комбинированный гидроакустический приемник | |
| CN201032749Y (zh) | 电容式传声器芯片 | |
| CN206670786U (zh) | 基于压电效应的mems三维同振型矢量水听器 | |
| CN102353483A (zh) | 三向微小力学信号检测装置 | |
| CN202018645U (zh) | 压电触控传感器 | |
| CN211865725U (zh) | 机械槽增强型差分式压电超声换能器 | |
| CN203061411U (zh) | 新型超声波传感器 | |
| CN208046486U (zh) | 双晶串联式固支梁压电能量收集器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |