CN110926590A - 一种压电式mems水听器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种压电式MEMS水听器,包括基底、上支撑层、下支撑层和压电层,在基底上连接有下支撑层,在下支撑层和上支撑层包围有压电层,水听器上开设有贯穿压电层和上支撑层的穿孔,穿孔呈阵列分部,且穿孔形状包括但不限于圆形、六角形或方形,穿孔呈环形阵列分布或矩形阵列分布。穿孔的位置根据仿真计算得出。水听器中部包括有内部电极,内部电极包括内部中间电极、内部顶电极和内部底电极。压电层分别为上压电层和下压电层。本发明的优势在于操作简单,便于实现,体积小,成本低,稍加更改器件的结构和工艺步骤即可提高压电MEMS水声水听器信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域,具体涉及一种压电式MEMS水听器。
背景技术
随着传感器的快速发展,声音传感器也迅速崛起,被应用到日常生活、军事、医疗、工业、领海、航天等中,并且成为现代社会发展所不能缺少的部分。
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。传统的压电式水下声音传感器采用压电陶瓷圆管作为换能元器件的圆柱形水声传感器,常用作标准水声传感器,其技术成熟,结构和制作工艺简单,一致性相对较好。但同时,具有成本高,体积大,抗电磁干扰差,易受振动、温度等信号干扰等缺点。
随着MEMS技术的不断发展,特别是基于PZT、ZnO、A1N等薄膜材料MEMS技术的逐渐成熟,压电式MEMS水听器得到了广泛关注。比起传统的水声传感器,基于压电薄膜的MEMS水听器在体积、重量、功耗等方面都有着明显的优势,但是,也存在灵敏度较低,抗流噪声性能差,容易引入额外噪声等缺点,压电式MEMS水听器在降低水听器噪声、提高输出信噪比方面仍需要进一步的研究改进。
发明内容
本发明要解决的是基于压电薄膜的MEMS传感器灵敏度较低,抗流噪声性能差,容易引入额外噪声等缺点,针对现有技术中所存在的上述不足而提供一种压电式MEMS水听器。
为实现上述目的,本发明采用了如下的技术方案:
一种压电式MEMS水听器,包括基底、上支撑层、下支撑层和压电层,在基底上连接有所述下支撑层,在下支撑层和上支撑层包围有所述压电层,所述水听器上开设有贯穿压电层并深入上支撑层的穿孔,穿孔呈阵列分部,穿孔为圆形或多边形,穿孔呈环形阵列分布或矩形阵列分布。穿孔的位置依据仿真计算的结果得出,穿孔为圆形或多边形。水听器中部包括有内部电极,内部电极包括内部中间电极、内部顶电极和内部底电极,压电层为两层,分别为上压电层和下压电层,内部中间电极和内部顶电极以及内部中间电极和内部底电极之间分别被上压电层和下压电层隔开。上压电层和下压电层均采用压电材料制备,上压电层和下压电层厚度相同。上支撑层与下支撑层均采用Si或者Si3N4等材料制备。
进一步地,当水听器在水中时,目标声波信号会作用在水听器上,压电层在声波信号的作用下会产生压电效应,发生与应力成比例的压电材料极化,将应力应变转换为电信号,通过电极传输至输出端,实现声波信号的检测。
当水听器在水中运动时,由于器件自身惯性的存在,导致的器件本身的自有噪声(即加速度噪声)增大,以下简称噪声。工作时,如果此加速度噪声过大,会影响目标声波信号的探测和识别。加速度噪声与器件的质量、频率、抗弯刚度、环境变化等因素有关,其中,最主要的是与器件本身的质量成正比,质量越小,噪声越低。
相比于现有技术,本发明具有如下有益效果:
本发明提供了一种压电式MEMS水听器,其表面上设置有穿孔,减小了水听器敏感元件的质量,使得水听器自身加速度噪声下降,减小噪声。
本发明提供了一种压电式MEMS水听器,其表面上设置有穿孔,使得压电层的压电材料受力面积变小,可弯曲变形的程度变大,相比没有穿孔的水听器,压电材料的应变程度得到增强,从而输出相对较强的电信号,即灵敏度有所提高。
本发明提供了一种压电式MEMS水听器,其表面上设置有穿孔,且穿孔的位置通过计算得出,在减小水听器质量的同时,又保证对水听器压电传输特性的影响在允许范围内,使水听器成为同时具备高灵敏度和低噪声的高信噪比水听器。
综上,本发明提供的产品优势在于操作简单,便于实现,体积小,成本低,稍加更改器件的结构和工艺步骤即可提高压电MEMS水声水听器信噪比。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现,部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明结构剖视图;
图2为本发明一种实施例俯视图;
图3为仿真后得到的极化模示意图;
图4为仿真后得到的极化Z分量示意图;
图5为设置穿孔2后仿真得到的极化模示意图;
图6为设置穿孔2后仿真得到的极化Z分量示意图。
附图标记依次为:上支撑层1、穿孔2、上压电层3、下压电层4、下支撑层5、中空区6、内部顶电极7、内部中间电极8、内部底电极9、基底10。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述:
一种压电式MEMS水听器,如图1和图2所示,包括基底10、上支撑层1、下支撑层5和压电层,在基底10上连接有下支撑层5,在下支撑层5和上支撑层1包围有压电层,水听器上开设有贯穿压电层和上支撑层1的穿孔2,贯穿压电层和上支撑层1可以最大化减轻压电层的质量,水听器外表面为封装状态,防止水听器在水下工作时进水,穿孔2呈阵列分部,这样便于加工和制造,且穿孔2形状包括但不限于圆形、六角形或方形,穿孔2呈环形阵列分布或矩形阵列分布,具体来说,可以是环形阵列或是矩形阵列。水听器中部包括有内部电极,内部电极包括内部中间电极8、内部顶电极7和内部底电极9,内部中间电极8和内部顶电极7以及内部中间电极8和内部底电极9之间分别被上压电层3和下压电层4隔开。压电层为两层,分别为上压电层3和下压电层4,上压电层3和下压电层4厚度相同,上压电层3和下压电层4均采用压电材料制备,上压电层3和下压电层4厚度相同;这样大幅提高了压电层的压电性能,进而大幅提高水听器的灵敏度。上支撑层1与下支撑层5均采用Si或者Si3N4等材料制备,进一步增强水听器的耐压能力。
开设穿孔2的目的为,水听器在水中移动时,水听器本身的自有噪声(即加速度噪声)增大,以下简称噪声。工作时,如果此加速度噪声过大,会影响目标声波信号的探测和识别。加速度噪声与水听器的质量、频率、抗弯刚度、环境变化等因素有关,其中,最主要的是与水听器本身的质量成正比,质量越小,噪声越低。为减小加速度噪声的影响,采用在水听器合适的位置进行开孔的方法,达到降低水听器本身的质量,减小噪声的影响。合适的位置指的是,在此位置处开孔之后,压电层的压电传输特性在允许的范围内不会因开孔而受到影响;即在此位置处,开孔之后,压电层的压电传输特性的变化非常小,达到可以忽略不计的程度。水听器在水中移动时,目标声波信号会作用在水听器上,压电层在声波信号的作用下会产生压电效应,发生与应力成比例的压电材料极化,将应力应变转换为电信号,通过电极传输至输出端,实现声波信号的检测。
开孔的位置和孔的形状根据仿真软件的计算结果来确定,在仿真软件中,按照设计参数设置仿真器件的对应参数,得到和实际器件一致的仿真器件的模型。在仿真器件的模型上表面施加一定的声压来模拟实际情况中器件在受到外部声源作用的情况,从而得到器件的压电传输特性的仿真结果,如图3和图4所示。图3和图4为器件的仿真结果的俯视图,图中分别列举了器件未开孔时仿真后得到的极化模和极化Z分量的计算结果。
在此器件模型上设置对应的穿孔2,保持其他参数设置与之前设置相同,施加相同的声压,计算带有穿孔2的器件的压电传输特性,得到的结果如图5和图6所示。图5和图6为带有穿孔2的器件的仿真结果的俯视图。图5和图6也分别列举了仿真后极化模和极化Z分量的计算结果。分别对比图3、图5和图4、图6,可以看出:
(1)开孔前后,由于器件的半径并未改变所以器件的谐振频率并未受到影响,即器件本身的物理特性并未受到影响;
(2)器件在开孔前后,其压电传输特性的变化非常小,可以忽略不计。这可以从极化模和极化Z分量的均值得到验证,开孔后器件的极化模和极化Z分量为1.03×10-8C/m2,而未开孔的器件极化模和极化Z分量为1.00×10-8C/m2。器件的主要极化位置也未发生改变。但在开孔后,有效的减小了器件本身的质量。
本实施列的压电层为双层压电薄膜结构,电极为上中下电极结构,除此之外,具有环形电极结构、单层压电薄膜结构等特征的器件结构,压电薄膜特性的其它压电层结构和具有电极特性的其它电极结构,同样适用于本发明,比如压电薄膜中的单层压电薄膜结构等、电极结构中的环形电极结构等。
综上所诉,我们通过开孔的方式在不影响器件本身物理特性和压电传输特性的情况下,有效的减小器件本身的质量,从而减小器件的加速度噪声,使水听器变为高信噪比的水听器。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种压电式MEMS水听器,其特征在于:包括基底(10)、上支撑层(1)、下支撑层(5)和压电层,在所述基底(10)上连接有所述下支撑层(5),在下支撑层(5)和上支撑层(1)包围有所述压电层,水听器上开设有贯穿压电层和上支撑层(1)的穿孔(2),所述穿孔(2)呈阵列分布。
2.根据权利要求1所述的一种压电式MEMS水听器,其特征在于:所述穿孔(2)的位置依据仿真计算的结果得出。
3.根据权利要求1所述的一种压电式MEMS水听器,其特征在于:所述穿孔(2)为圆形或多边形。
4.根据权利要求3所述的一种压电式MEMS水听器,其特征在于:所述穿孔(2)呈环形阵列分布或矩形阵列分布。
5.根据权利要求1所述的一种压电式MEMS水听器,其特征在于:水听器中部包括有内部电极,所述内部电极包括内部中间电极(8)、内部顶电极(7)和内部底电极(9),所述压电层为双层压电薄膜结构,分别为上压电层(3)和下压电层(4),所述内部中间电极(8)和内部顶电极(7)以及内部中间电极(8)和内部底电极(7)之间分别被上压电层(3)和下压电层(4)隔开。
6.根据权利要求1所述的一种压电式MEMS水听器,其特征在于:上压电层(3)和下压电层(4)均采用压电材料制备。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种压电式MEMS水听器,其特征在于:上支撑层(1)与下支撑层(5)均采用Si或者Si3N4等材料制备。
8.根据权利要求1-6任一所述的一种压电式MEMS水听器,其特征在于:水听器外表面为封装状态。
9.根据权利要求5所述的一种压电式MEMS水听器,其特征在于:所述内部电极的结构包括圆形结构或环形结构。
10.根据权利要求5所述的一种压电式MEMS水听器,其特征在于:所述压电层为单层压电薄膜结构或多层压电薄膜结构。
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CB03 | Change of inventor or designer information |
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