CN104121984A - 一种高灵敏度谐振式mems矢量水听器结构 - Google Patents

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本发明涉及矢量水听器，具体是一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构。本发明解决了现有矢量水听器抗干扰能力差、灵敏度低的问题。一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构，包括四梁臂硅微结构、微型柱状体、中心连接体、驱动电极、检测电极；其中，四梁臂硅微结构和中心连接体均位于同一平面；微型柱状体的下端垂直固定于中心连接体的上表面中央；驱动电极的数目、检测电极的数目均为八个；第一个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构的前梁臂的上表面左前部；第二个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构的前梁臂的上表面左后部。本发明适用于水下声压信号的精确定位和测量。

Description

一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构
技术领域
本发明涉及矢量水听器，具体是一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构。
背景技术
作为声呐系统的重要部件之一，矢量水听器广泛应用于水下声压信号的精确定位和测量。目前，矢量水听器根据其敏感转换元件的不同可分为以下两种：第一种矢量水听器的敏感转换元件采用共振隧穿二极管RTD（例如中国专利ZL200610012991.0所公开的一种共振隧穿仿生矢量水声传感器）。此种矢量水听器具有频响效果好、灵敏度高的优点，但其在工作过程中受温度及环境噪音影响很大，因而其存在抗干扰能力差的问题。第二种矢量水听器的敏感转换元件采用压敏电阻（例如中国专利ZL200810079372.2所公开的一种微纳仿生矢量水声传感器的封装结构）。此种矢量水听器具有体积小、成本低、工艺简单的优点，但其存在灵敏度低的问题。基于此，有必要发明一种全新的矢量水听器，以解决现有矢量水听器抗干扰能力差、灵敏度低的问题。
发明内容
本发明为了解决现有矢量水听器抗干扰能力差、灵敏度低的问题，提供了一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构，包括四梁臂硅微结构、微型柱状体、中心连接体、驱动电极、检测电极；其中，四梁臂硅微结构和中心连接体均位于同一平面；微型柱状体的下端垂直固定于中心连接体的上表面中央；驱动电极的数目、检测电极的数目均为八个；第一个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构的前梁臂的上表面左前部；第二个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构的前梁臂的上表面左后部；第三个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构的左梁臂的上表面左后部；第四个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构的左梁臂的上表面右后部；第五个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构的后梁臂的上表面左前部；第六个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构的后梁臂的上表面左后部；第七个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构的右梁臂的上表面左后部；第八个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构的右梁臂的上表面右后部；第二个驱动电极的极性与第一个驱动电极的极性相反；第五个驱动电极的极性与第二个驱动电极的极性相反；第六个驱动电极的极性与第五个驱动电极的极性相反；第四个驱动电极的极性与第三个驱动电极的极性相反；第七个驱动电极的极性与第四个驱动电极的极性相反；第八个驱动电极的极性与第七个驱动电极的极性相反；第一个检测电极铺设于四梁臂硅微结构的前梁臂的上表面右前部；第二个检测电极铺设于四梁臂硅微结构的前梁臂的上表面右后部；第三个检测电极铺设于四梁臂硅微结构的左梁臂的上表面左前部；第四个检测电极铺设于四梁臂硅微结构的左梁臂的上表面右前部；第五个检测电极铺设于四梁臂硅微结构的后梁臂的上表面右前部；第六个检测电极铺设于四梁臂硅微结构的后梁臂的上表面右后部；第七个检测电极铺设于四梁臂硅微结构的右梁臂的上表面左前部；第八个检测电极铺设于四梁臂硅微结构的右梁臂的上表面右前部。
工作时，将八个驱动电极均与外部电源连接，将八个检测电极均与外部谐振频率检测电路连接。在外部电源的驱动下，四梁臂硅微结构的四个梁臂（前梁臂、左梁臂、后梁臂、右梁臂）同时进行谐振（如图5所示），外部谐振频率检测电路由此检测出四个梁臂的谐振频率。具体工作过程如下：在水下声压信号的作用下，微型柱状体发生偏斜，并导致四梁臂硅微结构产生形变，四梁臂硅微结构的四个梁臂上由此产生应力。在该应力的作用下，四个梁臂的谐振频率发生改变，外部谐振频率检测电路由此检测出四个梁臂的谐振频率的改变量。根据四个梁臂的谐振频率的改变量，即可解算出被测水下声压信号的大小，由此实现水下声压信号的精确定位和测量。
基于上述过程，与现有MEMS矢量水听器相比，本发明所述的一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构具有如下优点：其一，与第一种矢量水听器相比，本发明所述的一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构的敏感转换元件不再采用共振隧穿二极管RTD，而是采用谐振式敏感单元。相较于共振隧穿二极管RTD，谐振式敏感单元输出的是频率信号，而频率信号是一种准数字信号，其不易受到温度及环境噪音的影响。因此，本发明所述的一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构的抗干扰能力更强。其二，与第二种矢量水听器相比，本发明所述的一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构的敏感转换元件不再采用压敏电阻，而是采用谐振式敏感单元。相较于压敏电阻，谐振式敏感单元能够将水下声压信号直接转换为频率信号，其灵敏度比压敏电阻的灵敏度至少高一个数量级。因此，本发明所述的一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构的灵敏度更高。综上所述，本发明所述的一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构通过采用全新结构，有效解决了现有矢量水听器抗干扰能力差、灵敏度低的问题。
本发明有效解决了现有矢量水听器抗干扰能力差、灵敏度低的问题，适用于水下声压信号的精确定位和测量。
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是本发明的四梁臂硅微结构的梁臂、驱动电极、检测电极的截面结构示意图。
图4是本发明的第三个驱动电极、第四个驱动电极、第七个驱动电极、第八个驱动电极的电压极性示意图。
图5是本发明中在外部电源的驱动下四梁臂硅微结构的左梁臂和右梁臂的谐振示意图。
图中：1-四梁臂硅微结构，2-微型柱状体，3-中心连接体，4-驱动电极，5-检测电极，6-Si层，7-SiO2层，8-Pt/Ti层，9-PZT压电薄膜，10-Au层。
具体实施方式
一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构，包括四梁臂硅微结构1、微型柱状体2、中心连接体3、驱动电极4、检测电极5；
其中，四梁臂硅微结构1和中心连接体3均位于同一平面；微型柱状体2的下端垂直固定于中心连接体3的上表面中央；驱动电极4的数目、检测电极5的数目均为八个；
第一个驱动电极4铺设于四梁臂硅微结构1的前梁臂的上表面左前部；第二个驱动电极4铺设于四梁臂硅微结构1的前梁臂的上表面左后部；第三个驱动电极4铺设于四梁臂硅微结构1的左梁臂的上表面左后部；第四个驱动电极4铺设于四梁臂硅微结构1的左梁臂的上表面右后部；第五个驱动电极4铺设于四梁臂硅微结构1的后梁臂的上表面左前部；第六个驱动电极4铺设于四梁臂硅微结构1的后梁臂的上表面左后部；第七个驱动电极4铺设于四梁臂硅微结构1的右梁臂的上表面左后部；第八个驱动电极4铺设于四梁臂硅微结构1的右梁臂的上表面右后部；
第二个驱动电极4的极性与第一个驱动电极4的极性相反；第五个驱动电极4的极性与第二个驱动电极4的极性相反；第六个驱动电极4的极性与第五个驱动电极4的极性相反；第四个驱动电极4的极性与第三个驱动电极4的极性相反；第七个驱动电极4的极性与第四个驱动电极4的极性相反；第八个驱动电极4的极性与第七个驱动电极4的极性相反；
第一个检测电极5铺设于四梁臂硅微结构1的前梁臂的上表面右前部；第二个检测电极5铺设于四梁臂硅微结构1的前梁臂的上表面右后部；第三个检测电极5铺设于四梁臂硅微结构1的左梁臂的上表面左前部；第四个检测电极5铺设于四梁臂硅微结构1的左梁臂的上表面右前部；第五个检测电极5铺设于四梁臂硅微结构1的后梁臂的上表面右前部；第六个检测电极5铺设于四梁臂硅微结构1的后梁臂的上表面右后部；第七个检测电极5铺设于四梁臂硅微结构1的右梁臂的上表面左前部；第八个检测电极5铺设于四梁臂硅微结构1的右梁臂的上表面右前部。
具体实施时，四梁臂硅微结构1的每个梁臂均由Si层6、SiO2层7自下而上层叠而成；每个驱动电极4均由Pt/Ti层8、PZT压电薄膜9、Au层10自下而上层叠而成；每个检测电极5均由Pt/Ti层8、PZT压电薄膜9、Au层10自下而上层叠而成，如图3所示。

Claims (2)

1.一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构，其特征在于：包括四梁臂硅微结构（1）、微型柱状体（2）、中心连接体（3）、驱动电极（4）、检测电极（5）；
其中，四梁臂硅微结构（1）和中心连接体（3）均位于同一平面；微型柱状体（2）的下端垂直固定于中心连接体（3）的上表面中央；驱动电极（4）的数目、检测电极（5）的数目均为八个；
第一个驱动电极（4）铺设于四梁臂硅微结构（1）的前梁臂的上表面左前部；第二个驱动电极（4）铺设于四梁臂硅微结构（1）的前梁臂的上表面左后部；第三个驱动电极（4）铺设于四梁臂硅微结构（1）的左梁臂的上表面左后部；第四个驱动电极（4）铺设于四梁臂硅微结构（1）的左梁臂的上表面右后部；第五个驱动电极（4）铺设于四梁臂硅微结构（1）的后梁臂的上表面左前部；第六个驱动电极（4）铺设于四梁臂硅微结构（1）的后梁臂的上表面左后部；第七个驱动电极（4）铺设于四梁臂硅微结构（1）的右梁臂的上表面左后部；第八个驱动电极（4）铺设于四梁臂硅微结构（1）的右梁臂的上表面右后部；
第二个驱动电极（4）的极性与第一个驱动电极（4）的极性相反；第五个驱动电极（4）的极性与第二个驱动电极（4）的极性相反；第六个驱动电极（4）的极性与第五个驱动电极（4）的极性相反；第四个驱动电极（4）的极性与第三个驱动电极（4）的极性相反；第七个驱动电极（4）的极性与第四个驱动电极（4）的极性相反；第八个驱动电极（4）的极性与第七个驱动电极（4）的极性相反；
第一个检测电极（5）铺设于四梁臂硅微结构（1）的前梁臂的上表面右前部；第二个检测电极（5）铺设于四梁臂硅微结构（1）的前梁臂的上表面右后部；第三个检测电极（5）铺设于四梁臂硅微结构（1）的左梁臂的上表面左前部；第四个检测电极（5）铺设于四梁臂硅微结构（1）的左梁臂的上表面右前部；第五个检测电极（5）铺设于四梁臂硅微结构（1）的后梁臂的上表面右前部；第六个检测电极（5）铺设于四梁臂硅微结构（1）的后梁臂的上表面右后部；第七个检测电极（5）铺设于四梁臂硅微结构（1）的右梁臂的上表面左前部；第八个检测电极（5）铺设于四梁臂硅微结构（1）的右梁臂的上表面右前部。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构，其特征在于：每个驱动电极（4）均由Pt/Ti层（8）、PZT压电薄膜（9）、Au层（10）自下而上层叠而成；每个检测电极（5）均由Pt/Ti层（8）、PZT压电薄膜（9）、Au层（10）自下而上层叠而成。
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Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104359547B (zh) * 2014-11-10 2017-01-11 中北大学 差动隔振式mems矢量水听器
CN106568569A (zh) * 2016-10-08 2017-04-19 中北大学 一种mems二维湍流传感器结构及其制备方法
CN106706108A (zh) * 2017-03-10 2017-05-24 中北大学 基于压电效应的mems同振型球形振子矢量水听器
CN107063438A (zh) * 2017-03-10 2017-08-18 中北大学 基于压电效应的mems三维同振型矢量水听器
CN108344496A (zh) * 2018-02-06 2018-07-31 山西大学 压电式mems矢量振动传感器
CN109579975A (zh) * 2018-12-19 2019-04-05 中北大学 X、y方向振动抑制的压阻式三维矢量水听器
CN110207864A (zh) * 2019-06-18 2019-09-06 上海应用技术大学 敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器及其加工方法
CN110631688A (zh) * 2019-09-30 2019-12-31 南京元感微电子有限公司 矢量水声传感器
CN111180574A (zh) * 2020-01-07 2020-05-19 中国科学院声学研究所 一种十字形板状mems压电指向性传感芯片
CN111180573A (zh) * 2020-01-07 2020-05-19 中国科学院声学研究所 十字形板状mems压电指向性传感芯片的制备方法
CN112194096A (zh) * 2020-10-21 2021-01-08 中北大学 基于mems的压电式仿生耳蜗纤毛感受器及其加工方法
CN113075726A (zh) * 2021-05-10 2021-07-06 联合微电子中心有限责任公司 水听器及其制造方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030029238A1 (en) * 2001-08-10 2003-02-13 The Boeing Company Isolated resonator gyroscope
CN103245409A (zh) * 2013-04-17 2013-08-14 中北大学 基于压电效应的mems仿生结构矢量水声传感器
CN103713157A (zh) * 2014-01-09 2014-04-09 中国电子科技集团公司第二十六研究所 谐振式加速度传感器件
CN103759809A (zh) * 2014-01-15 2014-04-30 北京航空航天大学 一种三维压电矢量水听器微结构

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030029238A1 (en) * 2001-08-10 2003-02-13 The Boeing Company Isolated resonator gyroscope
CN103245409A (zh) * 2013-04-17 2013-08-14 中北大学 基于压电效应的mems仿生结构矢量水声传感器
CN103713157A (zh) * 2014-01-09 2014-04-09 中国电子科技集团公司第二十六研究所 谐振式加速度传感器件
CN103759809A (zh) * 2014-01-15 2014-04-30 北京航空航天大学 一种三维压电矢量水听器微结构

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LI ZHEN等: "Design of a Bionic Cilia MEMS three-dimensional vibration sensor", 《JOURNAL OF SEMICONDUCTORS》, vol. 34, no. 11, 30 November 2013 (2013-11-30) *
薛晨阳等: "基于量子阱薄膜的纳机电矢量水听器设计", 《功能材料与器件学报》, vol. 14, no. 1, 29 February 2008 (2008-02-29) *

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104359547B (zh) * 2014-11-10 2017-01-11 中北大学 差动隔振式mems矢量水听器
CN106568569A (zh) * 2016-10-08 2017-04-19 中北大学 一种mems二维湍流传感器结构及其制备方法
CN106568569B (zh) * 2016-10-08 2019-02-22 中北大学 一种mems二维湍流传感器结构及其制备方法
CN106706108A (zh) * 2017-03-10 2017-05-24 中北大学 基于压电效应的mems同振型球形振子矢量水听器
CN107063438A (zh) * 2017-03-10 2017-08-18 中北大学 基于压电效应的mems三维同振型矢量水听器
CN108344496A (zh) * 2018-02-06 2018-07-31 山西大学 压电式mems矢量振动传感器
CN109579975A (zh) * 2018-12-19 2019-04-05 中北大学 X、y方向振动抑制的压阻式三维矢量水听器
CN110207864A (zh) * 2019-06-18 2019-09-06 上海应用技术大学 敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器及其加工方法
CN110207864B (zh) * 2019-06-18 2021-09-24 上海应用技术大学 敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器及其加工方法
CN110631688A (zh) * 2019-09-30 2019-12-31 南京元感微电子有限公司 矢量水声传感器
CN111180574A (zh) * 2020-01-07 2020-05-19 中国科学院声学研究所 一种十字形板状mems压电指向性传感芯片
CN111180573A (zh) * 2020-01-07 2020-05-19 中国科学院声学研究所 十字形板状mems压电指向性传感芯片的制备方法
CN111180574B (zh) * 2020-01-07 2022-01-18 中国科学院声学研究所 一种十字形板状mems压电指向性传感芯片
CN112194096A (zh) * 2020-10-21 2021-01-08 中北大学 基于mems的压电式仿生耳蜗纤毛感受器及其加工方法
CN113075726A (zh) * 2021-05-10 2021-07-06 联合微电子中心有限责任公司 水听器及其制造方法

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