CN104359547A - 差动隔振式mems矢量水听器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种具有差动效应的MEMS矢量水听器敏感结构，解决了现有的弹性隔振结构的声散射问题、只能针对特定频带的噪声进行降幅处理以及结构稳定性、可靠性不足等问题。该敏感结构包括硅基座框架、悬臂梁、中心连接体、上下对称粘结的微型柱状体，十字形悬臂梁上设置有八个应变压敏电阻。工作时，平台的振动以惯性力的形式作用于微型柱状体，上下对称的微型柱状体产生等值、反向的力矩，声信号通过封装结构产生差模信号并作用于上下微型柱状体，上下对称的微型柱状体产生差模力矩。通过该结构的共模抑制，差模输出的特性来达到减振的效果。本发明结构简单、可靠，减振效果明显，不受振动来源、振动频带的影响。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS矢量水听器技术领域，具体是一种具有差动效应的MEMS矢量水听器敏感结构。
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。MEMS矢量水听器的应用使得水中声音信息的获取技术有了巨大的提高，但由于其工作环境复杂，安装平台多样，振动噪声会沿着支撑结构传至敏感单元，严重影响测量结果的准确性、灵敏度等。现有的MEMS矢量水听器主要采用弹性元件隔离的方式进行减振，例如专利号为CN201010582248.5的中国发明专利公开的一种“矢量水听器用抗流噪声型敏感体”，实现了芯片级减振。但这会增加MEMS工艺难度，影响结构的稳定性和可靠性，并且减振效果受激励的频率影响较大。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有矢量水听器减振结构的MEMS加工工艺复杂、结构稳定性、可靠性低、特定弹性元件只能应用于特定频带等问题，而提供一种差动隔振式MEMS矢量水听器。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种差动隔振式MEMS矢量水听器，包括硅基座框架、悬臂梁以及通过悬臂梁支悬于硅基座框架中心位置的中心连接体，中心连接体的四个边分别通过一根悬臂梁与硅基座框架的四个边框固定；每根悬臂梁的根部和端部分别集成有一个压敏电阻，四根悬臂梁上的八个压敏电阻阻值都相等；其中，位于X方向的两根悬臂梁上的四个压敏电阻组成一个惠斯通电桥，位于Y方向的两根悬臂梁上的四个压敏电阻组成一个惠斯通电桥；中心连接体的上表面垂直粘结有上微型柱状体，中心连接体的下表面垂直粘结有下微型柱状体，上、下微型柱状体的材料属性以及尺寸完全相同且以中心连接体对称布置，上、下微型柱状体的密度与水的密度相同或接近。
进一步的，所述的悬臂梁和中心连接体采用SOI材料经过现有的MEMS微机械工艺加工而成；所述的压敏电阻采用P型硅电阻条，电阻条按[110]晶向布置，且压敏电阻通过现有的扩散工艺加工而成。
所述的硅基座框架的外边长为3200μm、内边长为2600μm、厚度为40μm；所述的悬臂梁的梁长为1000μm、梁宽为200μm、梁厚为40μm；所述的中心连接体为正方形结构，其边长为600μm、厚度为40μm；所述的上、下微型柱状体的长度均为5000μm，半径均为150μm。
与现有技术相比，本发明在中心连接体的顶端、底端对称位置粘结两根完全相同的微型柱状体，使得敏感结构从平面对称转变为空间对称，增加静态、动态稳定性的同时还可以达到差动检测的目的。水听器工作平台受到外界扰动时，上下对称的微型柱状体受到大小、方向相同的惯性力作用，进而产生作用效果相反的扭矩并互相抵消，实现四端悬臂梁零扭矩输入，从而大大减小矢量水听器对安装平台振动的输出响应。即：工作时，平台的振动以惯性力的形式作用于微型柱状体，上下对称的微型柱状体产生等值、反向的力矩，即共模力矩。声信号通过封装结构产生差模信号并作用于上、下微型柱状体，上下对称的微型柱状体产生差模力矩。通过该结构的共模抑制，差模输出的特性来达到减振的效果。
对该敏感结构进行静力分析可知，单根微型柱状体受到惯性加速度a作用时，对中心连接体产生的等效作用为等效力FH1=-F惯、弯矩M1=-F惯×L 、M2=F惯×L。对于对称式微型柱状体，对中心连接体产生的等效水平作用力∑FH= -2×F惯、弯矩∑M=0。
单根悬臂梁在弯矩M和水平力FH的作用下任意一点的应力σ（x）为：
（1）
根据理论知识，由中心连接体、弹性梁及微型柱状体组成的水听器敏感结构的共振频率为：
（2）
式中：K- 劲度系数; m- 微结构的质量；L- 弹性梁梁长； b- 弹性梁梁宽；t- 弹性梁梁厚；h-微型柱状体长度 a- 中心连接体边长的一半。
微结构的灵敏度可表示为（对应于P型压敏电阻）：
SAX=SAY=71.8×1011×σx×Vin （3）
式中：Vin-输入的电压幅值。
利用ANSYS workbench有限元分析软件建立仿真模型。对隔振微结构进行应力分析（图4）表明隔振微结构的四端悬臂梁上的应力响应约为2.7E-5MPa。模态分析（图5）表明隔振微结构工作频带上限约为2KHz。通过随机响应谱分析模拟水听器工作时受到的随机扰动，随机响应谱（图6）结果表明隔振微结构在随机载荷作用下梁上平均应力响应约为8.19E-30MPa，计算得平台振动灵敏度降低200dB以上。
本发明具有差动效应的MEMS矢量水听器理论上可以抑制任意共模输入，工作频带宽并且对安装平台的稳定性要求低，固定方式选择性多。由于没有弹性元件整体结构可靠性高，无弹性滞回效应，制造工艺简单，易于制作和批量化生产。
本发明水听器敏感结构具有特有的共模抑制，差模输出的工作性质，它可以实现共模信号的自抵消，因此能够在更广泛的平台上工作，这能有效的推动水听器研究技术的进一步工程化应用。本发明水听器结构简单、可靠，对安装基台稳定性要求低，安装方式选择范围宽，减振效果不受振动来源、振动频带的影响，减振效果明显。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为各弹性梁上的压敏电阻的分布连接示意图。
图3为十字悬臂梁位于X、Y方向的两根梁的四个应变压敏电阻连接组成测量X、Y方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路原理图。
图4为本发明仿真模型的等效应力云图。
图5为本发明仿真模型的一阶模态图。
图6为随机响应谱分析。
图中：1-硅基座框架、2-悬臂梁、3-中心连接体、4-上微型柱状体、5-下微型柱状体、6-压敏电阻。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步地描述：
如图1至图3所示，一种差动隔振式MEMS矢量水听器，包括硅基座框架1、悬臂梁2以及通过悬臂梁2支悬于硅基座框架1中心位置的中心连接体3，硅基座框架1和中心连接体3都为正方形结构，中心连接体3的四个边分别通过一根悬臂梁2与硅基座框架1的四个边框固定；每根悬臂梁2的根部和端部分别集成有一个压敏电阻6，即四根悬臂梁2上设有八个压敏电阻6 R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，并且八个压敏电阻6阻值都相等；其中，位于X方向的两根悬臂梁2上的四个压敏电阻6 R1、R2、R3、R4组成一个测量X方向的水声信号的惠斯通电桥，位于Y方向的两根悬臂梁2上的四个压敏电阻6 R5、R6、R7、R8组成一个测量Y方向的水声信号的惠斯通电桥；中心连接体3的上表面垂直粘结有上微型柱状体4，中心连接体3的下表面垂直粘结有下微型柱状体5，上、下微型柱状体4、5的材料属性以及尺寸完全相同且对称布置在中心连接体3上下两侧，上、下微型柱状体4、5的密度与水的密度相同或接近。
具体实施时，所述的悬臂梁2和中心连接体3采用SOI材料经过现有的MEMS微机械工艺加工而成；所述的压敏电阻6采用P型硅电阻条，电阻条按[110]晶向布置，且压敏电阻6通过现有的扩散工艺加工而成。
所述的硅基座框架1的外边长为3200μm、内边长为2600μm、厚度为40μm；所述的悬臂梁2的梁长为1000μm、梁宽为200μm、梁厚为40μm；所述的中心连接体3的边长为600μm、厚度为40μm；所述的上、下微型柱状体4、5的长度均为5000μm，半径均为150μm。
Claims (3)
1.一种差动隔振式MEMS矢量水听器，其特征在于：包括硅基座框架（1）、悬臂梁（2）以及通过悬臂梁（2）支悬于硅基座框架（1）中心位置的中心连接体（3），中心连接体（3）的四个边分别通过一根悬臂梁（2）与硅基座框架（1）的四个边框固定；每根悬臂梁（2）的根部和端部分别集成有一个压敏电阻（6），四根悬臂梁（2）上的八个压敏电阻（6）阻值都相等；其中，位于X方向的两根悬臂梁（2）上的四个压敏电阻（6）组成一个惠斯通电桥，位于Y方向的两根悬臂梁（2）上的四个压敏电阻（6）组成一个惠斯通电桥；中心连接体（3）的上表面垂直粘结有上微型柱状体（4），中心连接体（3）的下表面垂直粘结有下微型柱状体（5），上、下微型柱状体（4、5）的材料属性以及尺寸完全相同且以中心连接体（3）对称布置，上、下微型柱状体（4、5）的密度与水的密度相同或接近。
2.根据权利要求1所述的差动隔振式MEMS矢量水听器，其特征在于：所述的悬臂梁（2）和中心连接体（3）采用SOI材料经过现有的MEMS微机械工艺加工而成；所述的压敏电阻（6）采用P型硅电阻条，电阻条按[110]晶向布置，且压敏电阻（6）通过现有的扩散工艺加工而成。
3.根据权利要求1或2所述的差动隔振式MEMS矢量水听器，其特征在于：所述的硅基座框架（1）的外边长为3200μm、内边长为2600μm、厚度为40μm；所述的悬臂梁（2）的梁长为1000μm、梁宽为200μm、梁厚为40μm；所述的中心连接体（3）的边长为600μm、厚度为40μm；所述的上、下微型柱状体（4、5）的长度均为5000μm，半径均为150μm。
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