CN108731790B - 高灵敏宽频带压电式mems矢量水听器 - Google Patents
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Abstract
一种高灵敏宽频带压电式MEMS矢量水听器，涉及MEMS传感器领域，它由用于接收声波的立柱、支撑立柱的底座、敏感转换垫、支撑架组成，立柱与底座固定连接，底座放置在敏感转换垫上面；敏感转换垫设置在支撑架上面；所述底座由两个横梁和四个支腿组成，两个横梁十字交叉，每个横梁的下面均设两个支腿，支腿下面设置一个圆形敏感转换垫；所述敏感转换垫由上金属电极层、下金属电极层和中间压电材料薄膜层组成；中间压电材料薄膜层夹在上金属电极层、下金属电极层之间；所述支撑架由支柱和硅衬底薄膜组成，支柱上面设置硅衬底薄膜。本发明解决了现有二维矢量水听器灵敏度受限、频带窄、功耗大等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS矢量传感器，具体是一种新型高灵敏宽频带压电式MEMS矢量水听器。
背景技术
水听器是一种用于接收水下声音信号的设备，用来接收声压信号并将其转换为便于处理的输出信号。矢量水听器既可测量标量（声压）信息，又可测声场的矢量信息（质点振速，加速度等），这些信息量的加大，对声纳信号处理大有益处。矢量水听器检测维数越多，信息量越大。目前，大多水听器主要用于低频探测，且当前的二维矢量水听器大都是由两个一维水听器组合而成，增大了体积，且一致性较差，频带受限。
基于电容原理的水听器温度系数低、敏感度高而且容易实现单片集成，但其对寄生电容特别敏感，容易在系统中引入直流失调和额外的噪声。基于压阻原理的水听器采用电桥法作为敏感单元，能测到零频，但其属于有源器件，工作时需要外接电压源，功耗大，工作频带窄（一般在几百赫兹），灵敏度较低，抗流噪声性能差，工程应用不方便。基于压电效应的水听器属于无源器件，可进一步缩小水听器体积，还具有动态测试范围广、噪声低、灵敏度高等优点。传统的压电式MEMS矢量水听器用压电陶瓷圆管作为环能元器件的圆柱形水声传感器，相对简单，沿着圆管的垂直面器件的指向性较为均匀，常用作标准水声传感器。但是，该水声传感器有以下缺点：抗冲击性能差，质量重，声阻抗与液态环境不匹配，制作工艺复杂，加工困难等。还有的压电水听器是将压电材料和电极放在柔性振膜上，该类压电式水听器灵敏度低，且单个水听器不能实现方位估计。
综上，二维矢量水听器在高灵敏、宽频带、低功耗、小体积等方面仍需进一步的研究改进。
发明内容
为了解决二维矢量水听器灵敏度受限、频带窄、功耗大的问题，本发明提出一种高灵敏宽频带压电式MEMS矢量水听器。
本发明的技术方案：一种高灵敏宽频带压电式MEMS矢量水听器，它由用于接收声波的立柱、支撑立柱的底座、敏感转换垫、支撑架组成，立柱与底座固定连接，底座放置在敏感转换垫上面；敏感转换垫设置在支撑架上面；所述底座由两个横梁和四个支腿组成，两个横梁十字交叉，每个横梁的下面均设两个支腿，支腿下面设置一个圆形敏感转换垫；所述敏感转换垫由上金属电极层、下金属电极层和中间压电材料薄膜层组成；中间压电材料薄膜层夹在上金属电极层、下金属电极层之间；所述支撑架由支柱和硅衬底薄膜组成，支柱上面设置硅衬底薄膜。
当有声波信号作用到立柱上时，立柱根据声音信号的方向产生弯曲变形，进而通过底座引起硅衬底薄膜变形，硅衬底薄膜上产生与声压成比例的应力应变，位于硅衬底薄膜上面的中间压电材料薄膜层产生压电效应，发生与应力成比例的压电材料极化，同时中间压电材料薄膜层两端产生极性相反的等量极化电荷，将应力应变转换为电信号，通过上、下端面的金属电极传输至输出端，实现声波信号的检测；通过四个压电材料的不同极化形式检测声音信号的方向，解决左右弦模糊问题，同时声波通过立柱的两个垂直面接收，实现二维方向声音信号的探测。
所述立柱为长×宽×高=320um×320um×3000um的四棱柱。
所述横梁的长×宽×厚=2520um×320um×100um。
压电材料薄膜层（5）为PZT压电薄膜层，压电材料薄膜层（5）为直径是490um，厚度是3um的圆形。
硅衬底薄膜（6）为直径是700um，厚度是10um的圆形薄膜。
本发明解决了现有二维矢量水听器灵敏度受限、频带窄、功耗大等问题。
与现有技术相比，本发明水听器通过在压电敏感薄膜上固连接收声波的立柱，增大声波接收面，灵敏度达到-191dB；基于压电效应一方面将频带拓宽到了10.4kHz，另一方面基于压电效应，属于无源器件，功耗低；通过四个相互垂直方向压电薄膜的不同极化形式检测声音信号的方向，解决左右弦模糊问题，为其工程化应用奠定了良好的基础。
附图说明
图1是本发明一种高灵敏宽频带压电式MEMS矢量水听器的结构图。
图2是本发明高灵敏宽频带压电式MEMS矢量水听器测量声波的原理图。
图3是本发明运动结构等效替换模型图。
图4是图3中等效模型受Y方向力时的变形图。
图5是图3中等效模型受X方向力时的变形图。
图6是相同面积的圆形薄膜和长方形薄膜位移和压力关系图。
图7是实施例1在不同声波接收立柱柱高时的输出电压与拉格朗日方程理论结果比较图。
图8 是实施例1在不同立柱柱高时的固有频率与拉格朗日方程理论结果比较图。
图9是实施例1在不同立柱柱厚时的输出电压与拉格朗日方程理论结果与比较图。
图10实施例1是在不同立柱柱厚时的固有频率与拉格朗日方程理论结果与比较图。
图11 实施例1是水听器频率响应曲线。
图中，1、立柱，2、底座，3、上金属电极层，4、下金属电极层，5、中间压电材料薄膜层，6、硅衬底薄膜，7、支柱，8、横梁，9、支腿。
具体实施方式
实施例1：图1所示，一种高灵敏宽频带压电式MEMS矢量水听器，由用于接收声波的立柱1、支撑立柱的底座2、敏感转换垫、支撑架组成，立柱1与底座2的固定连接，底座2固定在敏感转换垫的上面；敏感转换垫设置在支撑架上面；
所述底座2由两个横梁8和四个支腿9组成，两个横梁8十字交叉，每个横梁8的下面均设两个支腿9（共4个支腿），每个支腿9下面设置一个圆形敏感转换垫（共4个）；
所述敏感转换垫由上金属电极层3、下金属电极层4和中间压电材料薄膜层5组成；中间压电材料薄膜层5夹在上金属电极层3、下金属电极层4之间；敏感转换垫采用PZT压电薄膜，PZT压电薄膜采用溶胶-凝胶工艺加工，为现有公知技术。
所述支撑架由支柱7和硅衬底薄膜6组成，支柱7上面设置硅衬底薄膜6。支柱7和硅衬底薄膜6采用MEMS加工工艺加工为一体结构，为现有公知技术。
立柱为长×宽×高=320um×320um×3000um的四棱柱。
所述横梁的长×宽×厚=2520um×320um×100um。
压电材料薄膜层采用直径是490um，厚度是3um的圆形PZT-2压电薄膜。
硅衬底薄膜6为直径是700um，厚度是10um的圆形薄膜。
下电极通过溅射工艺加工, 上电极通过磁控溅射、剥离工艺形成。
图3、图4、图5所示，利用拉格朗日方程，将本发明的四个敏感转换垫等效四个弹簧，得到质量矩阵和弹性矩阵，进而得到结构共振频率fr：
其中，b是二分之一横梁长度，m 2 为立柱的质量，L为立柱的高度，k为敏感转换垫的等效弹性系数，g为重力加速度，IG 、IG2分别代表对X轴和Y轴的转动惯量。
水听器灵敏度S用输出电压和作用到本发明立柱上的声压比值来表示：
其中，V0代表输出电压，单位为伏特，P代表作用到立柱上的声压,单位为uPa， 显然，灵敏度和产生的输出电压有直接的关系，而产生的电压和压电材料特性和压电薄膜上的应力有关。
本发明水听器原理应用的是正压电效应，压电晶体总电位移D包括在电场 E 受力产生介电位移和外力使晶体发生电位移。
本发明压电晶体的总电位移表示为：
其中，E为电场力，ɛ为压电晶体介电常数，d为压电系数，σ为应力。
又产生的输出电压V0表示为：
其中，C P 为压电薄膜两金属电极之间的电容，q为电荷量，则本发明输出电压表示为：
其中，
为压电常数，
为真空介电常数，
为相对介电常数，σ为应力，t
为压电薄膜材料厚度。从式（5）可看出，输出电压和压电材料的压电常数，所受应力和压电
薄膜材料厚度有关。
因此，通过选择合适的压电材料，进一步提高压电式传感器的灵敏度，由公式（5）
可看出，选择较大为压电常数
的压电材料，可增大输出电压，进而提高本发明传感器的灵
敏度，表1为不同类型PZT压电材料的压电常数
。
表1 不同类型PZT压电材料的压电常数
表中，g33是纵向压电常数，g31是横向压电常数，g15是切向压电常数。由表1可看出PZT-2具有更高的压电常数，因此本实施例选择PZT-2压电材料，以获得更高的灵敏度。
如图2所示，在本实施例立柱的侧面沿垂直于侧面方向施加10Pa的载荷，进行静力分析，通过提取路径，得到四个薄膜上的最大位移，进而计算得到输出电压，如表2所示。
表2 本发明水听器结构不同薄膜上的最大位移和输出电压
表2中，薄膜AM、BM、CM、DM定义为底座的4个支腿位置对应的薄膜。即AM、BM分别是沿施加载荷方向的一个横梁的两个支腿位置对应的薄膜，CM、DM分别是另一个横梁的两个支腿位置对应的薄膜。
从表2可看出膜上最大位移和产生的电压是和膜位置有关的，沿施加载荷方向，设置在同一根横梁的两个支腿下面的两个膜上产生的应力和位移最大，且两个膜上的应力和位移方向正好相反，对应产生符号相反的电压信号，即通过膜片中产生的电压信号的大小和符号即可实现声波大小和方向的检测。
对本发明水听器微结构进行模态分析，得到前三阶振动频率，一阶、二阶、三阶振动频率分别是9.58 kHz、9.58 kHz、20.20 kHz。
一阶振动频率即为固有频率，拓宽了水听器的工作频带。
改变声波接收立柱柱高，保持其他参数不变，得到固有频率和膜上应力，进而得到输出电压，如图7和图8所示。
改变声波接收立柱柱厚，保持其他参数不变，得到固有频率和膜上应力，进而得到输出电压，如图9和图10所示。
随着声波接收立柱柱高的增加，接收声波能力增强，输出电压也逐渐增大，根据式（2）可知水听器灵敏度也增大，而固有频率反而减小；随着立柱柱厚的增加，输出电压也逐渐增大，即知水听器灵敏度也增大，固有频率反而减小。
图11所示，本发明水听器的频响曲线，其固有频率为10.4kHz，灵敏度曲线平坦，灵敏度达到-191dB。
本发明的原理：当有声音信号作用到立柱1上时，立柱根据声音信号的方向产生弯曲变形，进而通过底座2引起硅衬底薄膜6变形，隔膜上产生与声压成一定比例的应力应变，则在隔膜层上的中间压电材料薄膜层5就会产生压电效应，即发生与应力成比例的压电材料极化，同时中间压电材料薄膜层5两端产生极性相反的等量极化电荷，将应力应变转换为电信号，通过上金属电极层3、下金属电极层4传输至输出端实现声音信号的检测。
声波大小和方向改变时，中间压电材料薄膜层5上产生的电荷极性和电荷密度也会随之改变，通过四个中间压电材料薄膜层5的不同极化形式检测声音信号的方向，解决左右弦模糊问题，同时声波可以通过立柱的两个垂直面接收，实现二维方向声音信号的探测。
说明：本发明的压电材料薄膜形状可以是长方形，也可以是圆形，相同面积时，圆形薄膜具有更大的位移，即所受应力值越大，灵敏度越高。因此最佳实施例的压电材料薄膜采用圆形薄膜。
Claims (5)
1.一种高灵敏宽频带压电式MEMS矢量水听器，由用于接收声波的立柱（1）、支撑立柱的底座（2）、敏感转换垫、支撑架组成，立柱与底座固定连接，底座放置在敏感转换垫上面；敏感转换垫设置在支撑架上面；
所述底座由两个横梁和四个支腿组成，两个横梁十字交叉，每个横梁的下面均设两个支腿，支腿下面设置一个圆形敏感转换垫；
所述敏感转换垫由上金属电极层（3）、下金属电极层（4）和中间压电材料薄膜层（5）组成；中间压电材料薄膜层（5）夹在上金属电极层（3）、下金属电极层（4）之间；所述支撑架由支柱（7）和硅衬底薄膜（6）组成，支柱（7）上面设置硅衬底薄膜（6）；其特征在于：当有声波信号作用到立柱（1）上时，立柱根据声音信号的方向产生弯曲变形，进而通过底座（2）引起硅衬底薄膜（6）变形，硅衬底薄膜（6）上产生与声压成比例的应力应变，位于硅衬底薄膜（6）上面的中间压电材料薄膜层（5）产生压电效应，发生与应力成比例的压电材料极化，同时中间压电材料薄膜层（5）与上金属电极层（3）、下金属电极层（4）相连的两端产生极性相反的等量极化电荷，将应力应变转换为电信号，通过上金属电极层（3）、下金属电极层（4）传输至输出端，实现声波信号的检测；通过四个压电材料薄膜层的不同极化形式检测声音信号的方向，解决左右弦模糊问题，同时声波通过立柱（1）的两个垂直面接收，实现二维方向声音信号的探测。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏宽频带压电式MEMS矢量水听器，其特征在于：所述立柱为长×宽×高=320um×320um×3000um的四棱柱。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏宽频带压电式MEMS矢量水听器，其特征在于：所述横梁的长×宽×厚=2520um×320um×100um。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏宽频带压电式MEMS矢量水听器，其特征在于：压电材料薄膜层（5）为PZT压电薄膜层，压电材料薄膜层（5）为直径是490um，厚度是3um的圆形。
5.根据权利要求1所述的一种高灵敏宽频带压电式MEMS矢量水听器，其特征在于：硅衬底薄膜（6）为直径是700um，厚度是10um的圆形硅基隔膜。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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