CN107246910B - 基于压阻效应的mems三维同振型矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压阻效应的MEMS三维同振型矢量水听器，包括检测来自水平方向声信号的同振柱体振子模块和检测来自竖直方向声信号的同振球形振子模块；同振柱体振子模块主要包括框型基座、横梁、中心连接体、柱形聚乙烯拾振单元、压敏电阻；同振球形振子模块主要包括框型基座、横梁、环形连接体、球形聚乙烯拾振单元、压敏电阻。本发明设计合理，从理论出发，设计一种共模输出、差模抑制的高灵敏度，宽工作频带的MEMS三维同振型矢量水听器，与现有技术相比，本发明采用微纳加工技术，实现了三维同振型矢量水听器的微型化。

Description

基于压阻效应的MEMS三维同振型矢量水听器

技术领域

本发明涉及MEMS传感器领域中的矢量水听器，具体是一种基于压阻效应的MEMS三维同振型矢量水听器。

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。同时，在MEMS矢量水声传感领域，较为成熟的为基于压阻原理四梁仿生纤毛水听器。不过该水听器只能测量来自水平方向上的声信号，测量空间水声信号只能通过将两个水听器相互垂直安装；或者在水平面上阵列多个该类型水听器，以测量来自竖直方向上的信号。垂直安装型将带来安装困难以及阵列型将带来竖直方向声信号检测困难的问题。同时，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，而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、成本低，使用方便等一系列优点，同时，压阻传感器具有较好的低频甚至零频特性；基于此，本发明提出了一种新型的MEMS三维同振矢量水听器。

发明内容

本发明为解决现有采用常规设计及加工工艺等技术方案带来的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，同时也为解决现有三维MEMS矢量水听器安装困难以及竖直方向声信号不易检测的问题，提供了一种基于压阻效应的MEMS三维同振型矢量水听器。

本发明是采用如下的技术方案实现的：

一种基于压阻效应的MEMS三维同振型矢量水听器，包括检测来自水平方向声信号的同振柱体振子模块和检测来自竖直方向声信号的同振球形振子模块。

所述同振柱体振子模块包括第一框型基座，所述第一框型基座上的四条边分别通过横梁Ⅰ连接中心连接体，所述中心连接体上安装柱形聚乙烯拾振单元，每根横梁Ⅰ上设置有两个压敏电阻Ⅰ，四根横梁Ⅰ上共设有8个相同的压敏电阻Ⅰ，位于X方向的四个压敏电阻Ⅰ和位于Y方向的四个压敏电阻Ⅰ分别通过金属引线连接成两组惠斯通全桥结构。

所述同振球形振子模块包括第二框型基座，所述第二框型基座上的四条边分别通过横梁Ⅱ连接环形连接体，所述环形连接体上安装球形聚乙烯拾振单元；四根横梁Ⅱ外侧分别设置有一个压敏电阻Ⅱ，所述第二框型基座上设置有三个相同的基准电阻；四个压敏电阻Ⅱ串联后与三个基准电阻通过金属引线连接成惠斯通电桥结构。

所述第一框型基座和第二框型基座一体连接。

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为拾振单元几何线宽)，拾振单元附近声场不发生明显畸变。本发明水平方向声信号探测基于刚性柱体声波接收理论，竖直方向上声信号基于刚性球体声波接收理论。

由于水声探测目标的工作频率多为2000Hz以下，所以探测目标声波波数k<8.4(k＝2πf/v，其中v为水中声波波数，取1500m/s)。同时，本发明柱形振子特征线宽350μm、球形振子特征线宽1500μm，拾振单元满足ka<<1(ka<0.0125，其中a为拾振单元的特征线宽)的条件；根据质点振速水听器声波接收理论，拾振单元附近声场不发生明显畸变，满足拾振条件，故该水听器结构是合理的。

同振柱体振子模块是由相同的8个压敏电阻Ⅰ连接成两路全桥电路，如图3a和3b所示，可检测平行于横梁Ⅰ方向上的声信号分量。例如，如图2所示，当该水听器受到来自于X方向上的声音信号作用时，在梁上就会产生不对称的应力分布，若压敏电阻R₁₁和压敏电阻R₁₃单元对应的是张力，则压敏电阻R₁₂和压敏电阻R₁₄单元对应的是压力，则位于Y方向上的压敏电阻R₂₁、压敏电阻R₂₂、压敏电阻R₂₃和压敏电阻R₂₄对应的是剪切力，在梁宽度远大于梁厚度的条件下，剪切应力产生的形变完全可以忽略，这样压敏电阻R₂₁、压敏电阻R₂₂、压敏电阻R₂₃和压敏电阻R₂₄的电阻值变化为零，而压敏电阻R₁₁、压敏电阻R₁₃与压敏电阻R₁₂、压敏电阻R₁₄的电阻值朝相反的方向变化。用于检测该方向上声信号分量，同时可抑制其他方向声信号对该方向信号的影响。

同振球形振子模块将信号压敏电阻Ⅱ布置于球形振子的四根横梁Ⅱ上，可检测垂直于横梁Ⅱ方向上的声信号分量。当该水听器受到来自于Z方向上的声信号作用时，每根横梁Ⅱ上应力分布以及变化完全相同，通过串联的方式将压敏电阻R₃₁、压敏电阻R₃₂、压敏电阻R₃₃、压敏电阻R₃₄连接等效为一个压敏电阻R1(应变电阻R1)。应变电阻R1与基准电阻R2、R3、R4阻值相等，且压敏电阻与基准电阻组成惠斯通电桥；基准电阻R2、R3、R4分别作为惠斯通电桥的单边基准桥臂，压敏电阻R1作为惠斯通电桥单边应变桥臂(如图3c所示)。该模块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Ⅱ分别受到大小相等的拉应力和压应力(如图4所示)，该方向横梁上压敏电阻其中一个增大，另一个减小，且阻值变化相等；因而该矢量水听器等效压敏电阻R1阻值不变，电桥处于平衡状态。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。

利用COMSOL对该矢量水听器进行模态分析，得到该矢量水听器柱形振子模块沿X、Y方向上的谐振频率为2.7KHz，球形振子模块沿Z方向上的谐振频率为4.1KHz。

沿X、Y、Z方向分别施加1g的加速度载荷(等效于沿(1，1，1)方向施加加速度载荷)，仿真得到柱形振子模块横梁上最大正应力为0.14MPa，根据压敏电阻计算公式ΔR＝π_rσ_r+π_tσ_t来计算该水听器应变电阻，其中π_r、π_t为纵向和横向压阻系数，σ_r、σ_t为纵向和横向应力，该P型硅压阻条纵向压阻系数π_r＝71.8^-11，该水听器压阻区纵向应力为线性分布，可采用纵向平均应力来替代σ_r，在X或Y方向施加1g的加速度载荷，可得到压阻区纵向平均应力计算得ΔR＝2.8×10^-4Ω；根据差动惠斯通电桥输出电压计算该水听器的输出灵敏度，压敏电阻R₁₁、压敏电阻R₁₂、压敏电阻R₁₃、压敏电阻R₁₄是采用离子注入的方式加工的压敏电阻，U₀为惠斯通电桥供电电压，取U₀＝5V，该水听器X或Y轴方向输出灵敏度为1.75μV/g。

同时仿真得到球形振子模块横梁上最大应力约为0.47MPa；根据压敏电阻计算公式ΔR＝π_rσ_r+π_tσ_t来计算该水听器应变电阻，其中π_r、π_t为纵向和横向压阻系数，σ_r、σ_t为纵向和横向应力，该P型硅压阻条纵向压阻系数π_r＝71.8^-11，该水听器压阻区纵向应力为线性分布，可采用纵向平均应力来替代σ_r，在Z方向施加1g的加速度载荷，可得到压阻区纵向平均应力计算得ΔR＝1.4×10^-4Ω；根据惠斯通电桥输出电压计算该水听器的输出灵敏度，₀采用离子注入的方式加工的等效压敏电阻R1、基准电阻R2、基准电阻R3、基准电阻R4的阻值均为200Ω，U₀为惠斯通电桥供电电压，取U₀＝5V，该水听器输出灵敏度为3.5μV/g。在水平方向上(X或Y方向)施加1g的加速度，得到梁上压阻区纵向平均应力且一个为拉应力一个为压应力；等效压敏电阻R1阻值不变，从而电桥输出为0。

同时，仿真结果也表明该水听器各方向可有效检测该方向上声信号分量，同时抑制其他方向声信号对该方向的影响，实现了共模放大，差模抑制的工作性质,能很好的改善矢量水听器的分辨率及灵敏度。

本发明设计合理，从理论出发，设计一种共模输出、差模抑制的高灵敏度，宽工作频带的MEMS三维同振型矢量水听器，与现有技术相比，本发明采用微纳加工技术，实现了三维同振型矢量水听器的微型化。

附图说明

图1表示基于压阻效应的MEMS三维同振型矢量水听器的结构示意图。

图2表示该三维矢量水听器上的基准电阻和压敏电阻的分布以及连接示意图。

图3a表示该三维矢量水听器X方向惠斯通电桥连接示意图。

图3b表示该三维矢量水听器Y方向惠斯通电桥连接示意图。

图3c表示该三维矢量水听器Z方向惠斯通电桥连接示意图。

图4表示该三维矢量水听器仿真模型沿(1，1，1)方向施加加速度载荷得到结构的应力云图。

图中：1-第一框型基座，11-横梁Ⅰ，12-中心连接体，13-柱形聚乙烯拾振单元，14-压敏电阻Ⅰ；2-第二框型基座，21-横梁Ⅱ，22-环形连接体，23-球形聚乙烯拾振单元，24-压敏电阻Ⅱ，25-基准电阻；3-金属引线，4-焊盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种基于压阻效应的MEMS三维同振型矢量水听器，主要包括检测来自水平方向声信号的同振柱体振子模块以及检测来自竖直方向声信号的同振球形振子模块。

同振柱体振子模块主要包括框型基座、横梁、中心连接体、柱形聚乙烯拾振单元、压敏电阻；具体结构为，同振柱体振子模块包括第一框型基座1，第一框型基座1上的四条边分别通过横梁Ⅰ11连接中心连接体12，所述中心连接体12上安装柱形聚乙烯拾振单元13，每根横梁Ⅰ11上设置有两个压敏电阻Ⅰ14，四根横梁Ⅰ11上共设有8个相同的压敏电阻Ⅰ14，位于X方向的四个压敏电阻Ⅰ和位于Y方向的四个压敏电阻Ⅰ分别通过金属引线3连接成两组惠斯通全桥结构。

其中，采用密度与水相同或接近的柱形聚乙烯拾振单元(柱形拾振单元密度为1g/cm³)固定于中心连接体上；在每根横梁上采用离子注入技术注入硼离子形成压敏电阻；压敏电阻在每根横梁上都是成对注入，四根横梁共计注入8个相同的压敏电阻；如图2所示，横梁上的压敏电阻通过金属引线(及焊盘)连接成两组惠斯通全桥结构(X和Y方向)。

同振球形振子模块主要包括框型基座、横梁、环形连接体、球形聚乙烯拾振单元、压敏电阻；具体结构为，同振球形振子模块包括第二框型基座2，第二框型基座2上的四条边分别通过横梁Ⅱ21连接环形连接体22，所述环形连接体22上安装球形聚乙烯拾振单元23；四根横梁Ⅱ2外侧分别设置有一个压敏电阻Ⅱ24，所述第二框型基座2上设置有三个相同的基准电阻25；四个压敏电阻Ⅱ24串联后与三个基准电阻25通过金属引线3连接成惠斯通电桥结构。

其中，采用密度与水相同或接近的球形聚乙烯拾振单元(球形拾振单元密度为1g/cm³)固定于环形连接体上；在框型基座上以及每根横梁的外侧采用离子注入技术注入硼离子形成压敏电阻；框型基座上基准电阻阻值为横梁上压敏电阻阻值的4倍；如图2所示，横梁上的压敏电阻以及框型基座上的基准电阻通过金属引线(及焊盘)连接成惠斯通电桥结构(Z方向)。

进一步的，横梁和中心连接体或环形连接体采用SOI材料经现有的MEMS工艺加工而成；压敏电阻采用离子注入的方式制成沿<110>晶向布置的P型硅电阻条。

具体实施时，应用SOI材料采用离子注入的方式在柱形同振框型基座的横梁Ⅰ上制作沿<110>晶向布置的P型长100μm、宽20μm的压敏电阻R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄和R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₂₄。

同时在球形同振框型基座上制作沿<110>晶向布置的P型长400μm、宽20μm的基准电阻R2、R3、R4，在横梁Ⅱ外侧制作长100μm，宽20μm的压敏电阻R₃₁、R₃₂、R₃₃、R₃₄。

使用剥离的方式加工金属引线和焊盘；接下来分别使用ICP和DRIE刻蚀正面横梁以及背腔；最后采用二次集成的方法分别将柱形聚乙烯拾振单元和球形聚乙烯拾振单元粘接到中心连接体和环形连接体上。

由第一框型基座和第二框型基座一体构成的框型基座外边长9900μm、宽5500μm、厚500μm，第一框型基座和第二框型基座公用100μm，框型基座内边长3500μm。

同振柱体振子模块中，横梁Ⅰ长900μm、宽120μm、厚30μm，中心连接体长宽均为600μm、厚30μm，柱形聚乙烯拾振单元直径350μm、高4000μm。

同振球形振子模块中，横梁Ⅱ长900μm、宽120μm、厚30μm，环形连接体外径1700μm、内径1500μm、厚度30μm，球形聚乙烯拾振单元直径为1500μm。

金属引线宽度15μm，焊盘8长200μm、宽200μm。

以上仅为本发明的具体实施例，但并不局限于此。任何以本发明为基础解决基本相同的技术问题，或实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，均属于本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于压阻效应的MEMS三维同振型矢量水听器，其特征在于：包括检测来自水平方向声信号的同振柱体振子模块和检测来自竖直方向声信号的同振球形振子模块；

所述同振柱体振子模块包括第一框型基座（1），所述第一框型基座（1）中心位置设置有中心连接体（12），所述第一框型基座（1）上的四条边分别通过横梁Ⅰ（11）连接所述中心连接体（12），所述中心连接体（12）上安装柱形聚乙烯拾振单元（13），每根横梁Ⅰ（11）上设置有两个压敏电阻Ⅰ（14），四根横梁Ⅰ（11）上共设有8个相同的压敏电阻Ⅰ（14），位于X方向的四个压敏电阻Ⅰ和位于Y方向的四个压敏电阻Ⅰ分别通过金属引线（3）连接成两组惠斯通全桥结构；

所述同振球形振子模块包括第二框型基座（2），所述第一框型基座（1）中心位置设置有环形连接体（22），所述第二框型基座（2）上的四条边分别通过横梁Ⅱ（21）连接所述环形连接体（22），所述环形连接体（22）上安装球形聚乙烯拾振单元（23）；四根横梁Ⅱ（2）外侧分别设置有一个压敏电阻Ⅱ（24），所述第二框型基座（2）上设置有三个相同的基准电阻（25）；四个压敏电阻Ⅱ（24）串联后与所述三个基准电阻（25）通过金属引线（3）连接成惠斯通电桥结构；

所述第一框型基座（1）和第二框型基座（2）一体连接；

第二框型基座（2）上，基准电阻（25）阻值为压敏电阻Ⅱ（24）阻值的4倍；

压敏电阻Ⅰ（14）和压敏电阻Ⅱ（24）均是采用离子注入的方式制成沿<110>晶向布置的P型硅电阻条，其长度为100μm、宽度为20μm；基准电阻（25）是采用离子注入的方式制成沿<110>晶向布置的P型硅电阻条，其长度为400μm、宽度为20μm；

同振柱体振子模块中，横梁Ⅰ长度为900μm、宽度为120μm、厚度为30μm，中心连接体长宽均为600μm、厚度为30μm，柱形聚乙烯拾振单元直径为350μm、高度为4000μm；

同振球形振子模块中，横梁Ⅱ长度为900μm、宽度为120μm、厚度为30μm，环形连接体外径为1700μm、内径为1500μm、厚度为30μm，球形聚乙烯拾振单元直径为1500μm；

由第一框型基座和第二框型基座一体构成的框型基座外边长为9900μm、宽度为5500μm、厚度为500μm；第一框型基座和第二框型基座的内边长度均为3500μm；金属引线宽度为15μm。