CN109579975B - X、y方向振动抑制的压阻式三维矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X、Y方向振动抑制的三维矢量水听器，包括基片和纤毛，基片由中心质量块、梁和边框组成，在每个梁的末端各分布一个压敏电阻。中心质量块的每边通过两个梁悬挂在边框上，即中心质量块右边、上边、左边和下边分别通过梁与边框连接，将中心质量块悬挂在边框上。质量块、梁与边框之间留有一定的空隙，通过限制中心质量块在笛卡尔坐标系中X方向和Y方向的位移达到抗过载的目的；中心质量块与下盖板之间留有一定的空隙，通过限制中心质量块在笛卡尔坐标中Z方向的位移达到抗过载的目的；中心质量块的厚度和面积变大，使得水听器受到振动信号作用时，质量块对梁的弯矩可以抵消纤毛对梁的弯矩达到降低水听器振动灵敏度的目的。

Description

X、Y方向振动抑制的压阻式三维矢量水听器

技术领域

本发明涉及MEMS传感器领域中的压阻式矢量水听器，具体是一种可抑制X、Y方向振动信号输出而对水声信号输出基本没有影响的低振动灵敏度的压阻式三维矢量水听器的结构设计。

背景技术

声波是当前能进行水下远距离传输的有效手段。在民用方面声波常被用于船舶的避障、鱼群的探测、水下地形的勘探和沉物的打捞等， 在军事主面声波被用于鱼雷、浮标、自主潜航器、舰艇中的声纳系统中检测敌对目标。

基于MEMS技术的压阻式矢量水听器具有体积小、可靠性高、易于批量生产等特点，是一种具有广泛应用前景的水听器。当前研究的压阻式矢量水听器基于加速度传感器，因此，水听器受到振动作用时会产生输出信号。振动产生的输出信号会干扰甚至淹没声波使水听器产生的信号。另一方面，当前水听器结构的抗过载能力差，特别当应用在空投浮标中时容易产生结构上的破坏。

本发明正是基于以上问题提出了一种低振动灵敏度、抗过载的压阻式三维矢量水听器结构。

发明内容

本发明目的是为了解决当前压阻式矢量水听器仅能测量X、Y方向的声波且振动灵敏高度、不具备抗过载能力的问题，提出一种X、Y方向低振动灵敏度、抗过载的压阻式三维矢量水听器。

本发明设计的低灵敏度、抗过载三维矢量水听器在释放完梁结构之后，质量块和梁与晶圆与其它部分之间留有一定的空隙，相当于在质量块周围布置了限位模块，控制质量块在X方向和Y方向的位移防止梁受到的应力过大而破坏。质量块与下盖板之间的空隙可以防止质量在Z方向的位移过大而产生破坏。水听器受到振动信号时，质量块与纤毛产生的弯矩相互抵消，使水听器的振动输出很小。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种X、Y方向振动抑制的压阻式三维矢量水听器，包括基片和纤毛，所述基片的中部刻蚀出中心质量块和八个矩形梁，所述中心质量块上表面中心固定有纤毛。

所述中心质量块上部边缘四边分别通过矩形梁与基片一体连接，即中心质量块右边通过梁B1和梁B2与基片边框连接、中心质量块上边通过梁B3和梁B4与基片边框连接、中心质量块左边通过梁B5和梁B6与基片边框连接、中心质量块下边通过梁B7和梁B8与基片边框连接；所述中心质量块四周边缘与基片边框之间留有抗过载间隙，所述矩形梁与基片边框之间留有抗过载间隙；所述基片底面键合有下盖板，所述下盖板和中心质量块底面之间留有抗过载间隙。

所述纤毛直径400μm、长5590μm；所述矩形梁长800μm、宽300μm、厚15μm；两个矩形梁的间距为400μm；所述中心质量块边长为3200μm、厚度为405μm。

八个矩形梁的每个梁上分布有压敏电阻，每个压敏电阻的两端分别通过金属引线与位于基片边缘的相应焊盘连接；压敏电阻在八个矩形梁上的具体分布如下：

梁B1内端设有压敏电阻X4；梁B2内端设有压敏电阻Z1、外端设有压敏电阻X2；梁B3内端设有压敏电阻Y4、外端设有压敏电阻Z3；梁B4外端设有压敏电阻Y2；梁B5外端设有压敏电阻X1；梁B6外端设有压敏电阻Z2、内端设有压敏电阻X3；梁B7外端设有压敏电阻Y1、内端设有压敏电阻Z4；梁B8内端设有压敏电阻Y3。

其中，压敏电阻X1、压敏电阻X2、压敏电阻X3、压敏电阻X4组成检测笛卡尔坐标系中X方向加速度的惠斯通电桥，压敏电阻Y1、压敏电阻Y2、压敏电阻Y3、压敏电阻Y4组成检测笛卡尔坐标系中Y方向加速度的惠斯通电桥，压敏电阻Z1、压敏电阻Z2、压敏电阻Z3、压敏电阻Z4组成检测笛卡尔坐标系中Z方向加速度的惠斯通电桥。

上述X、Y方向低振动灵敏度、抗过载三维矢量水听器的制备方法如下：

a）、通过离子注入加工压敏电阻；

b）、通过离子注入加工重掺杂区域；

c）、晶圆表面生长一层氧化层；

d）、刻蚀欧姆接触孔；

e）、晶圆表面磁射金属并图形化得到引线及焊盘；

f）、刻蚀晶圆正面释放梁结构；

g）、刻蚀晶圆背面释放质量块结构；

h）、刻蚀另一晶圆形成凹槽；

i）、将两晶圆对准键合；

j）、将晶圆划片得到单个芯片；

k）、将纤毛固定以芯片质量块中心。

实施时，X、Y方向低振动灵敏度抗过载的压阻式三维矢量水听器由硅基基片和敏感纤毛组成。硅基基片具体包括中心质量块、八个矩形梁和基片边框三个部分，三个部分的上表面位于同一表面。中心质量块的四边各通过两个平行梁悬挂在边框上，质量块与边框、梁与边框之间留有一定的间隙，为梁的形变提供空间并且在面内起到抗过载的作用。质量块的下表面与边框的下盖板之间留有一定的间隙，在面外起到抗过载的作用。矩形梁的表面通过离子注入加工压敏电阻，X方向梁上的四个压阻电阻组成一个X方向的惠斯通电桥，Y方向梁上的四个压阻电阻组成一个Y方向的惠斯通电桥，X方向梁上的两个压敏电阻和Y方向梁上的两个压敏电阻组成一个Z方向的惠斯通电桥（声波在X（或Y）方向时，声波作用到纤毛上使梁发生形变产生应力；声波在Z方向时，声波作用到质量块的表面上使梁发生形变产生应力）。当水听器受到X、Y方向振动信号的作用时，纤毛和质量块对梁的作用相互抵消，使得输出减小甚至为零；当水听器受到声音信号时，声波可以穿过透声帽作用到纤毛上，而几乎没有声波穿过封装壳体作用到中心质量块上。

本发明设计合理，能够有效降低矢量水听器的X和Y方向振动灵敏度，具有结构简单、工艺可行性高以及成本低的特点，具有很好的实际应用及推广价值。

附图说明

图1a表示对比矢量水听器俯视图。

图1b表示对比矢量水听器剖视图。

图2a表示本发明所述矢量水听器俯视图。

图2b表示本发明所述矢量水听器剖视图。

图3表示水听器封装示意图。

图4表示检测X方向声波惠斯通电桥。

图5表示检测Y方向声波惠斯通电桥。

图6表示水听器受到振动信号时的惠斯通电桥输出电压的绝对值示意图。

图7表示水听器受到声波信号时的惠斯通电桥输出电压的绝对值示意图。

图中：1-纤毛，2-矩形梁，3-中心质量块，4-压敏电阻，5-基片边框，6-下盖板，7-金属封装壳体，8-内架，9-密封胶，10-硅油，11-透声帽，12-屏蔽线，13-PCB板。

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。

对比例如图1a和1b所示，水听器包括基片和纤毛1，基片的中部刻蚀出中心质量块3和四个矩形梁2，中心质量块3上表面中心固定有纤毛1；中心质量块3上部边缘四边通过矩形梁2与基片边框5一体连接。该结构中，基片边框5为矩形框体，中心质量块3上表面面积较小，由于纤毛1截面积和中心质量块3上表面面积相差不大，水听器受到振动作用时会产生输出信号。振动产生的输出信号会干扰甚至淹没声波使水听器产生的信号。

基于此，本发明设计如下方案：

一种X和Y方向低振动灵敏度的压阻式三维矢量水听器，如图2a所示，包括基片和纤毛1，基片的中部刻蚀出中心质量块3和八个矩形梁2，中心质量块3上表面中心固定有纤毛1；如图2b所示，中心质量块3上部边缘四边通过矩形梁2与基片一体连接，即中心质量块3右边通过梁B1和梁B2与基片边框5连接、中心质量块3上边通过梁B3和梁B4与基片边框5连接、中心质量块3左边通过梁B5和梁B6与基片边框5连接、中心质量块3下边通过梁B7和梁B8与基片边框5连接；中心质量块3四周边缘与基片边框5之间留有抗过载间隙14，矩形梁2与基片边框5之间留有抗过载间隙14；基片底面键合有下盖板6，下盖板6和中心质量块3底面之间留有抗过载间隙14。

八个矩形梁的每个梁上均分布有压敏电阻4，每个压敏电阻4的两端分别通过金属引线与位于基片边缘的相应焊盘连接；压敏电阻在八个矩形梁上的具体分布如下：

梁B1内端（靠近质量块一端，下同）设有压敏电阻X4，

梁B2外端（靠近边框一端，下同）设有压敏电阻X2，内端设有压敏电阻Z1，

梁B3内端设有压敏电阻Y4，外端设有压敏电阻Z3，

梁B4外端设有压敏电阻Y2，

梁B5内端设有压敏电阻X1，

梁B6外端设有压敏电阻Z2，内端设有压敏电阻X3，

梁B7外端设有压敏电阻Y1，内端设有压敏电阻Z4，

梁B8内端设有压敏电阻Y3；

其中，压敏电阻X1、压敏电阻X2、压敏电阻X3、压敏电阻X4组成检测笛卡尔坐标系中X方向加速度的惠斯通电桥，压敏电阻Y1、压敏电阻Y2、压敏电阻Y3、压敏电阻Y4组成检测笛卡尔坐标系中Y方向加速度的惠斯通电桥，压敏电阻Z1、压敏电阻Z2、压敏电阻Z3、压敏电阻Z4组成检测笛卡尔坐标系中Z方向加速度的惠斯通电桥。

具体实施时，基片的中心质量块作为一个刚体，连接纤毛和八个梁，八个梁将质量块悬挂在边框上。中心质量的面积和厚度比较大，当水听器受到振动作用时，质量块对梁的扭矩与纤毛对梁的扭矩相互抵消。所以，通过增加中心质量块的面积和厚度，消除振动输出。质量块、梁与边框之间留有一定的抗过载间隙，中心质量块与下盖板之间留有一定的抗过载间隙。通过限制中心质量块的位移实现了水听器在笛卡尔坐标系中X、Y和Z三个方向的抗过载。在X方向和Y方向通过边框对中心质量块的位移起到限制作用，Z方向通过下盖板对中心质量块位移起到限制用。

如图3所示，一种X、Y方向低振动灵敏度的压阻式三维矢量水听器封装结构，包括上述的水听器、金属封装壳体7、内架8、透声帽11及PCB板13。水听器底面固定到PCB板13上、并通过屏蔽线12引出，然后通过密封胶9固定于内架8内，内架8装配于金属封装壳体7内、并采用密封胶9填满；金属封装壳体7上部安装透声帽11将水听器上部的纤毛1罩住后充满硅油10。

具体工艺实现包括以下步骤：

1)、备片：选择SOI片（作为基片）和4英寸硅片（作为下盖板），器件层为N型。

2）、对SOI片进行热氧处理得到一层氧化层。

3）、进行第一次光刻，刻蚀SOI片device层有源区域的氧化层。

4）、对SOI片进行氧化得到一薄层氧化层，可以减少离子注入时离子直接轰击硅晶格。

5）、第一次离子注入得到压敏电阻条，注入的元素为硼，进行退火处理，修复损伤的晶格。

6）第二次离子注入得到重掺杂区域，注入的元素为硼，进行退火退理，修复损伤的晶格。

7）、在晶圆器件层表面生长一层氧化硅，隔离掺杂区域和金属引线及焊盘等。

8）、刻蚀欧姆接触孔。

9）、在晶圆器件层表面生长一层金属并图形化得到引线及焊盘。

10）、刻蚀器件层，释放梁结构。

11）、刻蚀晶圆衬底层中心质量块与边框之间空隙对应的氧化层和硅，释放中心质量块。

12）、刻蚀另一晶圆形成凹槽。

13）、将两晶圆对准键合。

14）、将晶圆划片得到单个芯片（水听器）。

15）、将芯片固定到PCB板上。

16）、将纤毛固定到中心质量块上表面。

17）、将水听器用密封胶固定到内架内。

18）、将内架固定到封装壳体上。

19）、将透声帽固定到封装壳体上。

20）、透声帽中充满硅油。

21）、将封装壳体中用封密胶填满。

为了验证本方案的有效性，所设计的结构进行了有限元仿真分析：水听器中心质量块的厚度从305微米递增10微米增加到505微米，当水听器受到X方向振动信号和声波信号时的惠斯通电桥输出电压的绝对值分别如图6 和图7所示。从图6中可以看出，当中心质量块的厚度为405微米时，水听器受到振动信号时输出电压最小；从图7中可以看出，水听器受到声波信号时，考虑到有限元仿真分析时的误差，中心质量块的尺寸对水声信号的输出几乎没有影响。仿真结果表明，本发明在降低水听器X、Y方向振动灵敏度方面具有明显的效果。

增大质量块的面积和厚度之后会降低传感器的固有频率，所以本发明设计了八个梁（或增加梁的宽度提高传感器的带宽），增加梁的个数或宽度又会降低传感器的灵敏度，所以梁的厚度要变薄。因此，设计了一个面积大、厚度大、八梁的压阻式三维矢量水听器。当纤毛的直径400微米、长度为5590微米时，水听器的最优结尺寸为：矩形梁长800μm、宽300μm、厚15μm；两个矩形梁的间距为400μm；中心质量块边长为3200μm、厚度为405μm。采用该结构设计，声波几乎可以完全穿过透声帽作用到纤毛上，而声波几乎不能穿过封装壳体和边框作用到中心质量块上。中心质量块的厚度和面积变大，使得水听器受到振动信号作用时，质量块对梁的弯矩可以抵消纤毛对梁的弯矩达到降低水听器振动灵敏度的目的。增加质量块的面积和厚度抑制振动信号的方法同样适用于其它形式梁结构的水听器。

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 (2)

1.一种X、Y方向振动抑制的压阻式三维矢量水听器，其特征在于：包括基片和纤毛（1），所述基片的中部刻蚀出中心质量块（3）和八个矩形梁（2），所述中心质量块（3）上表面中心固定有纤毛（1）；所述中心质量块（3）上部边缘四边分别通过矩形梁（2）与基片一体连接，即中心质量块（3）右边通过梁B1和梁B2与基片边框（5）连接、中心质量块（3）上边通过梁B3和梁B4与基片边框（5）连接、中心质量块（3）左边通过梁B5和梁B6与基片边框（5）连接、中心质量块（3）下边通过梁B7和梁B8与基片边框（5）连接；所述中心质量块（3）四周边缘与基片边框（5）之间留有抗过载间隙（14），所述矩形梁（2）与基片边框（5）之间留有抗过载间隙（14）；所述基片底面键合有下盖板（6），所述下盖板（6）和中心质量块（3）底面之间留有抗过载间隙；

所述纤毛（1）直径400μm、长5590μm；

所述矩形梁（2）长800μm、宽300μm、厚15μm；两个矩形梁（2）的间距为400μm；

所述中心质量块（3）边长为3200μm、厚度为405μm；

八个矩形梁的每个梁上均分布有压敏电阻（4），每个压敏电阻（4）的两端分别通过金属引线与位于基片边缘的相应焊盘连接；压敏电阻在八个矩形梁上的具体分布如下：梁B1内端设有压敏电阻X4，梁B2内端设有压敏电阻Z1、外端设有压敏电阻X2，梁B3内端设有压敏电阻Y4、外端设有压敏电阻Z3，梁B4外端设有压敏电阻Y2，梁B5外端设有压敏电阻X1，梁B6外端设有压敏电阻Z2、内端设有压敏电阻X3，梁B7外端设有压敏电阻Y1、内端设有压敏电阻Z4，梁B8内端设有压敏电阻Y3；其中，压敏电阻X1、压敏电阻X2、压敏电阻X3、压敏电阻X4组成检测笛卡尔坐标系中X方向加速度的惠斯通电桥，压敏电阻Y1、压敏电阻Y2、压敏电阻Y3、压敏电阻Y4组成检测笛卡尔坐标系中Y方向加速度的惠斯通电桥，压敏电阻Z1、压敏电阻Z2、压敏电阻Z3、压敏电阻Z4组成检测笛卡尔坐标系中Z方向加速度的惠斯通电桥。

2.一种X、Y方向振动抑制的压阻式三维矢量水听器封装结构，其特征在于：包括权利要求1所述的水听器、金属封装壳体（7）、内架（8）、透声帽（11）及PCB板（13）；

所述水听器底面固定到PCB板（13）上、并通过屏蔽线（12）引出，然后通过密封胶（9）固定于内架（8）内，所述内架（8）装配于金属封装壳体（7）内、并采用密封胶（9）填满；所述金属封装壳体（7）上部安装透声帽（11）将水听器上部的纤毛（1）罩住后充满硅油（10）。

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