CN106706108B - 基于压电效应的mems同振型球形振子矢量水听器 - Google Patents

基于压电效应的mems同振型球形振子矢量水听器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于压电效应的MEMS同振型球形振子矢量水听器，包括框型基座、横梁、环形连接体、球形聚乙烯拾振单元、PZT压电薄膜；所述球形聚乙烯拾振单元固定于环形连接体上，环形连接体通过横梁连接于框型基座的中心处，每根横梁的外侧生长有PZT压电薄膜，PZT压电薄膜下面为下电极，且每根横梁的下电极与其它横梁以及框型基座上的电极相互独立；每个PZT压电薄膜上表面均溅射有相互独立的上电极。本发明是具有共模输出、差模抑制的高灵敏度，宽工作频带的同振型球形振子矢量水听器；采用微纳加工技术，实现了球形振子矢量水听器的微型化。并将信号采集模块布置于连接球形振子的四根横梁上，可检测垂直于横梁方向上的声信号分量。

Description

基于压电效应的MEMS同振型球形振子矢量水听器
技术领域
本发明涉及一种MEMS传感器领域中的矢量水听器，具体涉及一种基于压电效应的MEMS同振型球形振子矢量水听器。
背景技术
当前，国内外研制的矢量水听器总体上分为同振式和压差式两大类。对于压差性矢量水听器，由于其″8″字型余弦指向性凹点深度太浅，指向精度不高，从而限制了其水声领域的应用。对于同振式矢量水听器，根据质点振速水听器声波接收理论的不同可将同振型矢量水听器分为同振型柱体振子矢量水听器和同振型球形振子矢量水听器。常规同振型矢量水听器必须使用弹性悬挂元件(如橡胶绳或金属弹簧等)固定在刚性架上，悬挂原件的机械特性直接影响水听器的电声性能。该类矢量水听器都是在拾振单元中心或者是内部均匀布置一个或多个加速度传感器，来测量拾振单元振动的速度及加速度，从而得到声场中质点振速的相关信息。由于常规的设计及加工工艺带来的低频特性差、灵敏度低、质量大、声阻抗与水不匹配、难以在小体积平台上使用等问题。
发明内容
为解决现有采用常规设计及加工工艺等技术方案带来的球形振子矢量水声传感器抗流噪声性能差、灵敏度低、抗冲击性能差、质量大、声阻抗与水不匹配以及加工制作复杂等问题，本发明提供了一种基于压电效应的MEMS同振型球形振子矢量水听器。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
基于压电效应的MEMS同振型球形振子矢量水听器，包括框型基座、横梁、环形连接体、球形聚乙烯拾振单元、PZT压电薄膜；所述球形聚乙烯拾振单元固定于环形连接体上，所述环形连接体通过横梁连接于框型基座的中心处，每根横梁的外侧生长有PZT压电薄膜，PZT压电薄膜下面为下电极，且每根横梁的下电极与其它横梁以及框型基座上的电极相互独立；每个PZT压电薄膜上表面均溅射有相互独立的上电极。
优选地，所述的横梁和环形连接体经ICP正面刻蚀以及DRIE背腔刻蚀加工而成；所述的PZT压电薄膜为通过溶胶-凝胶的方法制得厚度1μm厚的压电层。
优选地，所述的框型基座外边长5000μm，内边长3500μm；横梁长900μm，宽120μm，厚30μm。
优选地，所述环形连接体外径1700μm，内径1500μm，厚度30μm；球形振子直径为1500μm。
优选地，所述下电极为Pt/Ti层，所述上电极为Au层。
优选地，所述下电极、PZT压电薄膜、上电极Au长均为600μm，宽均为120μm，厚度分别为150nm、1μm、150nm。
优选地，所述球形聚乙烯拾振单元采用密度与水相同或接近球形聚乙烯。
本发明具有以下有益效果：
本发明设计并优化了一种共模输出、差模抑制的高灵敏度，宽工作频带的同振型球形振子矢量水听器；采用微纳加工技术，实现了球形振子矢量水听器的微型化。并将信号采集模块布置于连接球形振子的四根横梁上，可检测垂直于横梁方向上的声信号分量，每根横梁上的输出信号完全相同，通过串联的方式将该方向的信号叠加，从而得到更大的输出。本发明XOY平面内的对称分布，在受到来自水平方向上的声信号作用时，同一方向上的两根横梁分别受到大小相等的拉应力和压应力，每根横梁上对称分布的压电模块产生等量异号的电荷，由于同一方向上压电输出为串联，所以同一根横梁上产生的电荷可完全抵消。从而本结构可有效提高来自Z方向上的声信号分量输出，抑制来自X或Y方向上的声信号分量输出。
附图说明
图1为基于压电效应的MEMS同振型球形振子矢量水听器的结构示意图。
图2为X或Y方向上两压电模块受到Z方向上的加速度作用时的电荷分布及电路连接示意图。
图3为该矢量水听器仿真模型的一阶模态图。
图4为该矢量水听器仿真模型在Z方向施加1g加速度得到结构的应力云图。
图5为该矢量水听器仿真模型在Z方向施加1g加速度得到的压电响应。
图6为该矢量水听器仿真模型在X方向施加1g加速度得到的压电响应。
图中：1-框型基座、2-横梁、3-环形连接体、4-球形聚乙烯拾振单元、5-PZT压电薄膜、6-下电极、7-上电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了基于压电效应的MEMS同振型球形振子矢量水听器，包括框型基座1、横梁2、环形连接体3、球形聚乙烯拾振单元4、PZT压电薄膜5；所述球形聚乙烯拾振单元4固定于环形连接体3上，所述环形连接体3通过横梁2连接于框型基座1的中心处，每根横梁2的外侧生长有PZT压电薄膜5，PZT压电薄膜5下面为下电极6，且每根横梁的下电极6与其它横梁以及框型基座上的电极相互独立；每个PZT压电薄膜5上表面均溅射有相互独立的上电极7。所述的横梁和环形连接体经ICP正面刻蚀以及DRIE背腔刻蚀加工而成；所述的PZT压电薄膜为通过溶胶-凝胶的方法制得厚度1μm厚的压电层；所述球形聚乙烯拾振单元采用密度与水相同或接近球形聚乙烯。
所述的框型基座1外边长5000μm，内边长3500μm；横梁2长900μm，宽120μm，厚30μm；环形连接体3外径1700μm，内径1500μm，厚度30μm；基底为5000μm；球形聚乙烯拾振单元4直径为1500μm；
所述下电极Pt/Ti6、PZT压电薄膜5、上电极Au7长600μm，宽120μm，厚度分别为150nm、1μm、150nm。
本具体实施加工时，将溅射有下电极Pt/Ti的＜100＞晶向单晶硅通过溶胶-凝胶法生长1um厚的PZT，先刻蚀PZT，再通过IBE刻蚀下电极，接下来采用剥离的技术制作上电极，再使用ICP正面刻蚀以及DRIE背面刻蚀释放横梁2和环形连接体3；最后通过二次集成的方法将球形聚乙烯拾振单元4粘接到环形连接体3上。
本具体实施发明采用微纳加工技术，实现了球形振子矢量水听器的微型化。并将信号采集模块布置于连接球形振子的四根横梁上，可检测垂直于横梁方向上的声信号分量，每根横梁上的输出信号完全相同，通过串联的方式将该方向的信号叠加，从而得到更大的输出(图2)。根据质点振速水听器声波接收理论，当ka＜＜1时(k为声波的波数，a为拾振单元直径)时，拾振单元附近声场不发生明显畸变。当该矢量水听器的上限工作频率2000Hz时，由于a＝1500μm，所以探测目标声波波数k＜8.4(k＝2πf/v，其中v为水中声速，取1500m/s)。本发明所设计的矢量水听器满足ka＜＜1(ka＜0.0125)的条件，球形振子附近声场不会发生畸变；通过理论分析可知，该结构是合理的。
利用COMSOL对该矢量水听器进行模态分析(图3)，得到该矢量水听器固有频率为3.3KHz；在Z方向施加1g的加速度载荷，得到横梁上最大应力约为0.4MPa(图4)；单梁压电输出为0.88mV/g(图5)，在不使用任何外加放大电路的条件下，系统灵敏度为3.5mV/g。在水平方向上(X或Y方向)施加1g的加速度，得到梁上最大正应力为0.03MPa，四根横梁上的压电输出为3.4×10-5mV(图6)。仿真结果也说明本发明在竖直方向上四个共模信号相互叠加，水平方向上的差模信号相互抑制，充分体现了本水听器具有共模输出，差模抑制的工作性质，能很好的提高竖直方向上的灵敏度，抑制水平方向上的信号分量；从而本发明能很好的改善矢量水听器的分辨率及灵敏度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于压电效应的MEMS同振型球形振子矢量水听器，其特征在于，包括框型基座、横梁、环形连接体、球形聚乙烯拾振单元、PZT压电薄膜；所述球形聚乙烯拾振单元固定于环形连接体上，所述环形连接体通过横梁连接于框型基座的中心处，每根横梁的外侧生长有PZT压电薄膜，PZT压电薄膜下面为下电极，且每根横梁的下电极与其它横梁以及框型基座上的电极相互独立；每个PZT压电薄膜上表面均溅射有相互独立的上电极；PZT压电薄膜通过串联的方式连接，用于检测垂直于横梁方向上的声信号分量，竖直方向的信号共模叠加，水平面内同一方向上的两根横梁上的压电输出为串联，差模抑制水平方向的信号。
2.如权利要求1所述的基于压电效应的MEMS同振型球形振子矢量水听器，其特征在于，横梁和环形连接体经ICP正面刻蚀以及DRIE背腔刻蚀加工而成；所述的PZT压电薄膜为通过溶胶-凝胶的方法制得厚度1μm厚的压电层。
3.如权利要求1所述的基于压电效应的MEMS同振型球形振子矢量水听器，其特征在于，所述的框型基座外边长5000μm，内边长3500μm；横梁长900μm，宽120μm，厚30μm。
4.如权利要求1所述的基于压电效应的MEMS同振型球形振子矢量水听器，其特征在于，所述环形连接体外径1700μm，内径1500μm，厚度30μm；球形振子直径为1500μm。
5.如权利要求1所述的基于压电效应的MEMS同振型球形振子矢量水听器，其特征在于，所述下电极为Pt/Ti层，所述上电极为Au层。
6.如权利要求1所述的基于压电效应的MEMS同振型球形振子矢量水听器，其特征在于，所述下电极、PZT压电薄膜、上电极Au 长均为600μm，宽均为120μm，厚度分别为150nm、1μm、150nm。
7.如权利要求1所述的基于压电效应的MEMS同振型球形振子矢量水听器，其特征在于，所述球形聚乙烯拾振单元采用密度与水相同或接近球形聚乙烯。
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