CN114001814A - 基于f-p干涉的复合式mems矢量水听器 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种基于F‑P干涉的复合式MEMS矢量水听器，属于MEMS传感器技术领域。本发明包括固定连接的基座和底座，基座上刻蚀形成中心位置的十字形悬臂梁以及四个圆柱型腔体，悬臂梁和四个腔体薄膜的底面设置有反射膜，底座上位于四个圆柱型腔体的中心位置处以及位于四根悬臂梁最大位移的位置处分别安装有连接光纤的光纤准直器，安装光纤准直器的位置均形成F‑P腔。本发明采用十字形悬臂梁和声压薄膜与F‑P干涉技术相结合，分别将部分光纤准直器与每根悬臂梁形成F‑P腔作为矢量检测部分，将其余光纤准直器与对应的声压薄膜形成F‑P腔作为声压检测部分。本发明水听器克服了左右弦模糊的问题，满足了高灵敏度、微型化、高精度，抗电磁干扰的要求。

Description

基于F-P干涉的复合式MEMS矢量水听器
技术领域
本发明属于MEMS传感器技术领域，具体是一种基于F-P干涉的复合式MEMS矢量水听器。
背景技术
Micro-Electro-Mechanical System（MEMS）技术是在微电子技术上发展起来的微加工技术，具有小型化、集成化、一致性好以及批量化等优点。将MEMS技术应用于传统水声传感器技术领域，采用微电子技术和微加工技术相结合的制造工艺，研制出的MEMS矢量水听器有着广阔的应用前景，例如专利号为ZL200610012991.0的中国发明专利公开了一种“共振遂穿仿生矢量水声传感器”，实现了矢量水听器的小型化、批量化等优点，但该矢量水听器灵敏度较低，并且没有集成声压探测部分，单个矢量水听器探测时存在左右舷模糊的问题，因此在实际应用过程中还存在一些局限性。MEMS矢量水听器经过多年的研究发展，实现了性能较大提高，例如专利号为ZL201510411902.9的中国发明专利公开了“一种MOEMS矢量水听器”，该矢量水听器采用光学干涉检测原理，虽然大幅度提高了水听器灵敏度，但是没有声压检测部分，仍然存在左右舷模糊的问题。又例如专利号为ZL201610058566.9的中国发明专利公开了一种“复合式MEMS仿生水听器”，该MEMS矢量水听器采用阵列技术提高了一些灵敏度，并且也集成了声压部分，解决了左右舷模糊的问题。但是，其灵敏度仍需进一步提高才能更好地工程应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有MEMS矢量水听器灵敏度偏低、存在左右旋模糊的问题，而提供一种基于F-P干涉的复合式MEMS矢量水听器。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于F-P干涉的复合式MEMS矢量水听器，其特征在于：包括上、下对齐叠置的基座和底座，基座和底座的横截面的形状均为正方形、竖截面的形状均为长方形；
基座上沿其纵横中线刻蚀形成有贯通其上下的十字形刻蚀槽，十字形刻蚀槽位于基座上的中心位置处，十字形刻蚀槽内形成有十字形悬臂梁，十字形悬臂梁包括位于中心位置的正方形质量块以及连接在正方形质量块四周的四根悬臂梁，正方形质量块的顶面中心处垂直固定有向上延设的微型圆柱体，四根悬臂梁的底面均镀有反射膜；基座上位于四个拐角的位置处分别刻蚀形成有圆柱型腔体，四个圆柱型腔体以基座的中心对称分布，圆柱型腔体从基座的底面开始向上刻蚀形成，同时圆柱型腔体顶端形成声压薄膜，声压薄膜的底面均镀有反射膜，声压薄膜的厚度与十字形悬臂梁的厚度相同，声压薄膜上开设有与圆柱型腔体内部空间相通的注入介质孔；
底座与基座固定连接，底座上在对应四个圆柱型腔体轴线的位置处分别安装有光纤准直器，光纤准直器的顶端端面与对应圆柱型腔体顶部的声压薄膜平行且留有间隙，二者之间形成F-P腔；底座上对应四根悬臂梁最大位移的位置处分别安装有光纤准直器，光纤准直器的顶端端面与对应悬臂梁底面的反射膜平行且留有间隙，二者之间形成F-P腔；光纤准直器上连接有光纤，光纤的另一端接入外部光电探测系统和调解装置中。
进一步的，声压薄膜上开设有四个注入介质孔，四个注入介质孔围绕声压薄膜的周缘均布设置。
进一步的，入射到光纤内的激光保证在声压薄膜及悬臂梁底面反射膜处进行全反射。
进一步的，基座采用SOI（Silicon on Insulator）材料（Si+SiO2+Si）制作而成。
本发明水听器采用十字形悬臂梁结构和声压薄膜结构与F-P干涉技术相结合，分别将部分光纤准直器与每根悬臂梁形成F-P腔作为矢量检测部分，将其余光纤准直器与对应的声压薄膜形成F-P腔作为声压检测部分。通过声波转化为机械形变，再转化为光学量，从而得到声源的准确定位。本发明水听器克服了左右弦模糊的问题，满足了高灵敏度、微型化、高精度，抗电磁干扰的要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1）本发明将高灵敏度的F-P干涉光学检测原理替代现有的压阻、电容检测原理，不仅提高了MEMS矢量水听器的灵敏度，也大大提高了水听器的抗干扰能力；
2）本发明将“十字梁-纤毛”式矢量微结构（十字形悬臂梁+微型圆柱体）和薄膜式声压微结构（声压薄膜）集成在同一芯片上，高度集成使得本发明整体尺寸较小，便于批量化生产；
3）本发明在同一芯片上设计了四个声压薄膜模块来实现声压物理参量的测量，不仅解决了当前MEMS矢量水听器存在左右舷模糊的问题，同时也提高了声压模块的可靠性。
4）本发明的矢量水听器具有体积小、灵敏度高、不受电磁干扰等特点，也可应用在空气中声信号测量、强电磁干扰下的振动信号测量以及地震波监测等领域。
附图说明
此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明水听器的立体结构示意图。
图2为图1沿基座及底座对角线切割后的立体结构示意图。
图3为本发明水听器的平面主视图。
图4为本发明水听器的平面俯视图。
图5为本发明水听器的微型圆柱体及十字形悬臂梁受力示意图。
图6为本发明水听器的声压薄膜受力示意图。
图中：1-基座、2-底座、3-十字形刻蚀槽、4-正方形质量块、5-悬臂梁、6-微型圆柱体、7-圆柱型腔体、8-声压薄膜、9-注入介质孔、10-光纤准直器、11-光纤。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。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。
如图1至图4所示，一种基于F-P干涉的复合式MEMS矢量水听器，包括上、下对齐叠置的基座1和底座2，基座1和底座2的横截面的形状均为正方形、竖截面的形状均为长方形，基座1的材质为SOI材料，底座2的材料为玻璃材料或硅材料。
基座1上沿其纵横中线刻蚀形成有贯通其上下的十字形刻蚀槽3，十字形刻蚀槽3位于基座1上的中心位置处，十字形刻蚀槽3内形成有十字形悬臂梁，十字形悬臂梁的上表面与基座1的上表面平齐，十字形悬臂梁包括位于中心位置的正方形质量块4以及连接在正方形质量块4四周的四根悬臂梁5，十字形悬臂梁的正方形质量块4的顶面中心处垂直固定有向上延设的微型圆柱体6，微型圆柱体6能够接收外部声波而带动悬臂梁5发生扭转，四根悬臂梁5的底面均镀有反射膜；基座1上位于四个拐角的位置处分别刻蚀形成有圆柱型腔体7，四个圆柱型腔体7以基座1的中心对称分布，圆柱型腔7体从基座1的底面开始向上刻蚀形成，同时圆柱型腔体7顶端形成声压薄膜8，声压薄膜8的底面镀有反射膜，声压薄膜8的厚度与十字形悬臂梁的厚度相同，声压薄膜8上开设有与圆柱型腔体7内部空间相通的注入介质孔9，每个声压薄膜8上开设有四个注入介质孔，四个注入介质孔围绕声压薄膜8的周缘均布设置。
底座2与基座1固定连接，底座2封闭了基座1上的四个圆柱型腔体7的底部腔口，底座2上在对应四个圆柱型腔体7轴线的位置处分别安装有光纤准直器10，光纤准直器10的顶端伸至圆柱型腔体7内，并且其顶端端面与对应圆柱型腔体7顶部的声压薄膜8平行且留有间隙，从而光纤准直器10的顶端端面与对应的声压薄膜8之间形成了F-P腔；底座2上对应四根悬臂梁5最大位移的位置处分别安装有光纤准直器10，光纤准直器10的顶端伸至十字形刻蚀槽3内，并且其顶端端面与对应悬臂梁5的底面平行且留有间隙，从而光纤准直器10的顶端端面与对应的悬臂梁5底面上的反射膜之间形成F-P腔；每个光纤准直器10上均连接有一条光纤11，光纤11的另一端接入外部光电探测系统和调解装置中，入射到光纤11内的激光保证在声压薄膜8及悬臂梁5底面反射膜处进行全反射。
工作时，水下声信号作用于微型圆柱体6时，会使得微型圆柱体6受力，产生倾斜。此时和微型圆柱体6粘接的正方形质量块4产生的倾斜，会导致与正方形质量块4连接的悬臂梁5发生形变。此时，X方向或Y方向的两个F-P腔的腔长发生变化，并且变化量相反（一个增大，另一个减小）构成差动式F-P腔，进一步提高了灵敏度。矢量水听器的十字形悬臂梁受力示意图如图5所示。同时，声压作用到四个声压薄膜8上，使得声压薄膜8表面发生形变，四个F-P腔的腔长发生变化，矢量水听器的声压薄膜8受力示意图如图6所示。无论是微型圆柱体6还是声压薄膜8受到声信号作用时，相应腔长都会发生变化，从而会引起输出的干涉光信号的特征量变化，反映出外界待测声信号的信息，根据后端的解调计算，得出这些特征量改变量的大小，就可以还原待测声信号，实现声场矢量信息和声压信息的检测。
上面是对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于F-P干涉的复合式MEMS矢量水听器，其特征在于：包括上、下对齐叠置的基座和底座，基座和底座的横截面的形状均为正方形、竖截面的形状均为长方形；
基座上沿其纵横中线刻蚀形成有贯通其上下的十字形刻蚀槽，十字形刻蚀槽位于基座上的中心位置处，十字形刻蚀槽内形成有十字形悬臂梁，十字形悬臂梁包括位于中心位置的正方形质量块以及连接在正方形质量块四周的四根悬臂梁，正方形质量块的顶面中心处垂直固定有向上延设的微型圆柱体，四根悬臂梁的底面均镀有反射膜；基座上位于四个拐角的位置处分别刻蚀形成有圆柱型腔体，四个圆柱型腔体以基座的中心对称分布，圆柱型腔体从基座的底面开始向上刻蚀形成，同时圆柱型腔体顶端形成声压薄膜，声压薄膜的底面均镀有反射膜，声压薄膜的厚度与十字形悬臂梁的厚度相同，声压薄膜上开设有与圆柱型腔体内部空间相通的注入介质孔；
底座与基座固定连接，底座上在对应四个圆柱型腔体轴线的位置处分别安装有光纤准直器，光纤准直器的顶端端面与对应圆柱型腔体顶部的声压薄膜平行且留有间隙，二者之间形成F-P腔；底座上对应四根悬臂梁最大位移的位置处分别安装有光纤准直器，光纤准直器的顶端端面与对应悬臂梁底面的反射膜平行且留有间隙，二者之间形成F-P腔；光纤准直器上连接有光纤，光纤的另一端接入外部光电探测系统和调解装置中。
2.根据权利要求1所述的基于F-P干涉的复合式MEMS矢量水听器，其特征在于：声压薄膜上开设有四个注入介质孔，四个注入介质孔围绕声压薄膜的周缘均布设置。
3.根据权利要求1或2所述的基于F-P干涉的复合式MEMS矢量水听器，其特征在于：入射到光纤内的激光保证在声压薄膜及悬臂梁底面反射膜处进行全反射。
4.根据权利要求1或2所述的基于F-P干涉的复合式MEMS矢量水听器，其特征在于：基座采用SOI材料制作而成。
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