CN110388982A - 一种压电式mems矢量振动传感器敏感体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电式MEMS矢量振动传感器敏感体，包括正方形硅衬底，以正方形硅衬底中心为圆心的圆周上间隔均匀刻蚀有八个结构尺寸完全相同的圆形凹槽，正方形硅衬底端面与各个圆形凹槽相对应的部分形成圆形薄膜层；圆形薄膜层上依次设置有压电敏感单元、由复合弹性梁和立柱构成的力传动单元，且构成复合弹性梁的悬臂梁与压电敏感单元一一对应，压电敏感单元将力传动单元接收到的应力应变信号转换为电信号，实现信号的检测。本发明利用八个相互垂直方向上压电薄膜的不同极化形式实现振源方位估计，消除了左右舷模糊，且在一个微敏感结构单元上构造两个坐标原点严格重合的独立坐标系，利用两个坐标系进行方位估计，定向精度高，可靠性好。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS振动传感器领域，尤其涉及一种压电式MEMS矢量振动传感器敏感体。
背景技术
振动传感器在生物、化学和医学分析中，在航天、航空、航海的惯性导航系统及运载武器的指导系统中，在振动试验、地震监测、爆破工程、大型桥梁、地基测量、地矿勘测、飞机和汽车NVH等测量领域有着广泛的应用。随着半导体技术和MEMS技术的不断发展，振动传感器逐渐向微型化、智能化、集成化方向发展，基于MEMS技术的振动传感器在军用和民用领域具有广泛的应用前景。利用MEMS技术研制的单个振动传感器已经可以进行目标的定向功能，例如专利号为“201310362765.5”的发明专利公开的“一种用于管道内检测器声定位的单片集成敏感阵列”，通过在一个片子上构造两个独立坐标的敏感阵列结构，将两个坐标系下各自输出信号组合对比进行180°范围内的振源定位，但该结构振动传感器存在坐标原点不严格重合，直接将两个坐标系的输出进行组合对比实现定位，误差较大，且单只系统的可靠性和定向精度低，运用压阻原理，功耗大，常用于测试低频信号。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种压电式MEMS矢量振动传感器敏感体，可实现360°范围内的高精度定向，旨在克服现有单个矢量振动传感器可靠性差、定向精度不高、不能实现360°范围的准确定向等问题。
为了达到上述发明目的，进而采取的技术方案如下：
一种压电式MEMS矢量振动传感器敏感体，包括正方形硅衬底，以正方形硅衬底中心为圆心的圆周上间隔均匀刻蚀有八个结构尺寸完全相同的圆形凹槽，所述正方形硅衬底端面与各个圆形凹槽相对应的部分形成圆形薄膜层；
所述圆形薄膜层上设置有压电敏感单元，所述压电敏感单元包括下电极层、压电薄膜层以及上电极层，所述压电薄膜层设置在下电极层与上电极层之间；
所述压电敏感单元上设置有力传动单元，所述压电敏感单元可将力传动单元接收到的应力应变信号转换为电信号并传到输出端，实现信号的检测；
所述力传动单元包括一复合弹性梁，所述复合弹性梁为“米”字结构，包括八根间隔均匀对称设置的悬臂梁，所述八根悬臂梁末端均设有支腿，各支腿中心和其位置对应的压电敏感单元中心重合，且与上电极层固定连接，所述八根悬臂梁交叉的中心处与所述正方形硅衬底中心重合，且设置有一长方体立柱。
较佳的，所述压电敏感单元为圆形，且其轴心线与所述圆形薄膜层的轴心线重合。
更佳的，所述压电敏感单元直径小于所述圆形薄膜层的直径，所述压电敏感单元和圆形薄膜层的尺寸参数可根据实际应用的性能指标需求确定。
较佳的，所述八个下电极层结构尺寸完全一致，八个压电薄膜层结构参数完全一致，八个上电极层结构参数完全一致。
较佳的，所述下电极层为Pt/Ti电极层，所述压电薄膜层为PZT压电薄膜，所述上电极层为Au/Ti电极层。
较佳的，任意相邻的两个悬臂梁之间的夹角为45°。
较佳的，所述圆形凹槽开口方向与力传动单元在正方形硅衬底上的设置方向相反。
本发明的有益效果是：1)本发明采用米字交叉+立柱微结构，且基于压电原理，频带宽，功耗低，米字交叉为X字形与十字形相结合，能够利用八个相互垂直方向上压电薄膜产生的电荷密度和电荷极性实现360°范围内振源大小和方位的检测；2)本发明在一个微敏感结构单元上构造两个坐标原点严格重合的坐标系，利用两个坐标系对应下各自输出信号分别进行方位估算，然后通过两个坐标系角度变换得到对应的定向结果，再进行平均取值作为最终定向结果，定向精度高，可靠性好。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的A部结构示意图；
图3为本发明的A部剖视图；
图4为本发明的定向原理示意图；
图5为本发明实施例的工作原理示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例：
如图1-3所示，一种压电式MEMS矢量振动传感器敏感体，包括正方形硅衬底1，以正方形硅衬底1中心为圆心的圆周上间隔均匀刻蚀有八个结构尺寸完全相同的圆形凹槽11，所述正方形硅衬底1端面与各个圆形凹槽11相对应的部分形成圆形薄膜层12；
所述圆形薄膜层12上设置有压电敏感单元2，所述压电敏感单元2包括下电极层21、压电薄膜层22以及上电极层23，所述压电薄膜层22设置在下电极层21与上电极层23之间；
所述压电敏感单元2上设置有力传动单元3，所述压电敏感单元2可将力传动单元3接收到的应力应变信号转换为电信号并传到输出端，实现信号的检测；
所述力传动单元3包括一复合弹性梁31，所述复合弹性梁31为“米”字结构，包括八根间隔均匀对称设置的悬臂梁311，所述八根悬臂梁311末端均设有支腿312，各支腿312中心和其位置对应的压电敏感单元2中心重合，且与上电极层23固定连接，所述八根悬臂梁311交叉的中心处与所述正方形硅衬底1中心重合，且设置有一长方体立柱32。
所述压电敏感单元2为圆形，且其轴心线与所述圆形薄膜层12的轴心线重合。
所述压电敏感单元2直径小于所述圆形薄膜层12的直径，所述压电敏感单元2和圆形薄膜层12的尺寸参数可根据实际应用的性能指标需求确定。
所述八个下电极层21结构尺寸完全一致，八个压电薄膜层22结构参数完全一致，八个上电极层23结构参数完全一致。
所述下电极层21为Pt/Ti电极层，所述压电薄膜层22为PZT压电薄膜，所述上电极层23为Au/Ti电极层。
任意相邻的两个悬臂梁311之间的夹角为45°。
较佳的，所述圆形凹槽11开口方向与力传动单元3在正方形硅衬底1上的设置方向相反。
当振动信号作用到长方体立柱上时，长方体立柱根据信号的大小和方向产生形变，通过“米”字复合弹性梁带动圆形薄膜层弯曲变形，产生和振动信号对应的应力应变，进而引起位于圆形薄膜层上的压电薄膜层产生压电效应，即上下表面产生极性相反的等量极化电荷，将应力应变转换为电信号，通过上下电极输出，利用压电薄膜两端产生的电荷量和电荷极性实现振源信号大小和方位的检测。本发明所涉及的硅基MEMS加工工艺及溶胶-凝胶工艺均为现有公知技术。
本发明压电式MEMS矢量振动传感器敏感体输出电压为：
V0＝gσt (1)
其中，g为压电常数，σ为应力，t为压电薄膜层厚度。其输出电压和压电材料的压电常数，所受应力、压电薄膜层厚度有关。本实施例选择具有更高压电常数的PZT-2压电材料，以获得更高的灵敏度。
位于同一直线上的两根悬臂梁结构构成一根横梁，两两相互垂直的横梁以其中心交叉处为原点，并沿两垂直的横梁方向建立相对坐标系，以正方形硅衬底上的XOY坐标系为绝对坐标系，设与绝对坐标系两坐标轴重合的两根横梁构成的相对坐标系为X1O1Y1，与绝对坐标系两坐标轴夹角为45°的两横梁构成的相对坐标系为X2O2Y2，原点O、O1、O2重合。位于相对坐标系X1O1Y1中X1方向横梁上固连的两个PZT压电薄膜层对X1方向振动信号最灵敏，位于相对坐标系X1O1Y1中Y1方向横梁上固连的两个PZT压电薄膜层对Y1方向振动信号最灵敏；位于相对坐标系X2O2Y2中X2方向横梁上固连的两个PZT压电薄膜层对X2方向振动信号最灵敏，位于相对坐标系X2O2Y2中Y2方向横梁上固连的两个PZT压电薄膜层对Y2方向振动信号最灵敏。
矢量振动传感器的定向模型如图4所示。图中，P为振源所在位置，θ为振动信号的水平方位角，范围为[0,2π]。假设本发明敏感体任一坐标系下X路和Y路输出分别为vx、vy，则振源的水平方位角θ可通过下式计算得到：
由于单一坐标系下和坐标轴对称的振源点都会引起同样的振动，如图4所示的P1，P2，P3，也就是存在左右舷模糊，而本发明压电式矢量振动传感器敏感体可利用压电薄膜层的电荷极性，即输出电压信号的相位判别振源的具体方位。
为了进一步了解利用本发明的具体定向方式，如图5所示，当振源目标P在绝对坐标系XOY第一象限下时，本发明的长方体立柱感知该振动信号后，立柱沿着方向倾斜，对应坐标系X1O1Y1中圆形薄膜A1受拉，圆形薄膜B1受拉，圆形薄膜C1受压，圆形薄膜D1受压，假设压电薄膜层受到拉应力时输出的电压信号为正，受到压应力时输出的电压信号为负，对应四个压电薄膜输出分别记为vAx1、vBy1、vCx1＝-vAx1、vDy1＝-vBy1，则此时vAx1＞0，vBy1＞0，vCx1＜0，vDy1＜0；当振源目标P1在绝对坐标系XOY第二象限下时，立柱沿着方向倾斜，对应坐标系X1O1Y1中圆形薄膜A1受压，圆形薄膜B1受拉，圆形薄膜C1受拉，圆形薄膜D1受压，则对应四个压电薄膜输出vAx1＜0，vBy1＞0，vCx1＞0，vDy1＜0；当振源目标P2在绝对坐标系XOY第三象限下时，立柱沿着方向倾斜，对应坐标系X1O1Y1中圆形薄膜A1受压，圆形薄膜B1受压，圆形薄膜C1受拉，圆形薄膜D1受拉，则对应四个压电薄膜输出vAx1＜0，vBy1＜0，vCx1＞0，vDy1＞0；当振源目标P3在绝对坐标系XOY第四象限下时，立柱沿着方向倾斜，对应坐标系X1O1Y1中圆形薄膜A1受拉，圆形薄膜B1受压，圆形薄膜C1受压，圆形薄膜D1受拉，则对应四个压电薄膜输出vAx1＞0，vBy1＜0，vCx1＜0，vDy1＞0；当振源目标P4在X1正半轴时，立柱沿着X1负方向倾斜，则理论上对应坐标系X1O1Y1中圆形薄膜A1受拉，圆形薄膜C1受压，圆形薄膜B1和D1不受力，则对应四个压电薄膜输出vAx1＞0，vBy1＝0，vCx1＜0，vDy1＝0；当振源目标P5在X1负半轴时，立柱沿着X1正方向倾斜，则理论上对应坐标系X1O1Y1中圆形薄膜A1受压，圆形薄膜C1受拉，圆形薄膜B1和D1不受力，则对应四个压电薄膜输出vAx1＜0，vBy1＝0，vCx1＞0，vDy1＝0；当振源目标P6在Y1正半轴时，立柱沿着Y1负方向倾斜，则理论上对应坐标系X1O1Y1中圆形薄膜B1受拉，圆形薄膜D1受压，圆形薄膜A1和C1不受力，则对应四个压电薄膜输出vAx1＝0，vBy1>0，vCx1＝0，vDy1<0；当振源目标P7在Y1负半轴时，立柱沿着Y1正方向倾斜，则理论上对应坐标系X1O1Y1中圆形薄膜B1受压，圆形薄膜D1受拉，圆形薄膜A1和C1不受力，则对应四个压电薄膜输出vAx1＝0，vBy1<0，vCx1＝0，vDy1>0。因此根据单个坐标系下对应的四个压电薄膜的输出电压幅值和相位即可准确对振源进行定位，消除了左右舷模糊的问题。
假设利用相对坐标系X1O1Y1中四路输出计算得到0°≤θ′1＜90°，再根据四路输出电压的相位，确定具体方位角θ1如表1所示：
表1方位角估计结果
同样的，利用相对坐标系X2O2Y2对应的四个压电薄膜A2、B2、C2、D2的四路输出vAx2、vBy2、vCx2、vDy2同样可得到振源方位角θ2。
即相对坐标系X1O1Y1或相对坐标系X2O2Y2均可单独的进行振源目标的方位估算，本发明首先利用两个独立坐标系对振源进行方位估计，得到对应坐标系下的方位角θ1和θ2，然后通过两个坐标系角度变换得到绝对坐标系下对应的定向结果，再进行平均取值，最终得到振源目标的方位角θ如下式：
当0≤θ2≤315°，
当315°＜θ2≤360°，时
本发明利用相对坐标系X1O1Y1和相对坐标系X2O2Y2两个独立坐标系对应下各自输出信号分别进行方位估算，并转换到绝对坐标系下对应的方位角，再将两个坐标系的方位角估算值取平均值最为最终方位角，可有效提高单矢量振动传感器的定位精度和可靠性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进、部件拆分或组合等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种压电式MEMS矢量振动传感器敏感体，包括正方形硅衬底，其特征在于：以正方形硅衬底中心为圆心的圆周上间隔均匀刻蚀有八个结构尺寸完全相同的圆形凹槽，所述正方形硅衬底端面与各个圆形凹槽相对应的部分形成圆形薄膜层；
所述圆形薄膜层上设置有压电敏感单元，所述压电敏感单元包括下电极层、压电薄膜层以及上电极层，所述压电薄膜层设置在下电极层与上电极层之间；
所述压电敏感单元上设置有力传动单元，所述压电敏感单元可将力传动单元接收到的应力应变信号转换为电信号并传到输出端，实现信号的检测；
所述力传动单元包括一复合弹性梁，所述复合弹性梁为“米”字结构，包括八根间隔均匀对称设置的悬臂梁，所述八根悬臂梁末端均设有支腿，各支腿中心和其位置对应的压电敏感单元中心重合，且与上电极层固定连接，所述八根悬臂梁交叉的中心处与所述正方形硅衬底中心重合，且设置有一长方体立柱。
2.根据权利要求1所述的一种压电式MEMS矢量振动传感器敏感体，其特征在于：所述压电敏感单元为圆形，且其轴心线与所述圆形薄膜层的轴心线重合。
3.根据权利要求2所述的一种压电式MEMS矢量振动传感器敏感体，其特征在于：所述压电敏感单元直径小于所述圆形薄膜层的直径。
4.根据权利要求1所述的一种压电式MEMS矢量振动传感器敏感体，其特征在于：所述八个下电极层结构尺寸完全一致，八个压电薄膜层结构参数完全一致，八个上电极层结构参数完全一致。
5.根据权利要求1或4所述的一种压电式MEMS矢量振动传感器敏感体，其特征在于：所述下电极层为Pt/Ti电极层，所述压电薄膜层为PZT压电薄膜，所述上电极层为Au/Ti电极层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191029 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |