CN114112010A - 一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于声学信号检测技术领域，具体公开了一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元及装置。其中，声学测量单元包括由下向上依次设置的SOI基座、下电极层、压电层以及上电极层；SOI基座、下电极层、压电层以及上电极层均为圆形；SOI基座包括由下向上依次设置的下硅层、二氧化硅层以及上硅层；SOI基座的底部设置空腔，该空腔在上下方向上贯穿下硅层；在由空腔位置向上正投影到上电极层的区域范围内形成有多个悬臂梁；其中，各个所述悬臂梁均为大小相等的扇形结构，且沿着同一个圆周方向顺序排布；任意相邻两个悬臂梁之间通过一条刻蚀沟槽隔开，且所有悬臂梁均与上电极层连接。本发明利于实现对超低频声音信号的感测，同时提高检测灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于声学信号检测技术领域，特别涉及一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元及装置。
背景技术
由于海水介质的衰减作用，使得声波相较于光波和电磁波而言，更适合作为水下信息长距离传播的载体。现阶段对于水下声信号的探测，主要的实现方式为：
通过声纳发射与接收声波信号，实现对水面船只、水下舰艇和鱼雷的探测。
此种探测方式需要将声纳搭载于测量船或潜艇上，运营成本较高，且无法满足特殊海况下长周期探测的目的。此外，声纳需要实现较大的阵列组合，布放的成本较高。
现阶段，使用压电工作原理的声信号检测装置，大多采用压电陶瓷材料，但此类声信号检测装置加工工艺过程复杂，且需求较高，且无法与COMS工艺兼容。
随着MEMS技术的发展，给声信号检测装置提供了新的方法和行业思路，为声音信号检测装置的小型化和制备过程简化提供了新的解决方案。
现有MEMS声音信号检测装置谐振频率较高，在超低频甚至低频信号的接收上性能较差。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元，以实现对超低频声音信号的感测，同时有效地提高水下声学信号的检测灵敏度。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元，包括由下向上依次设置的SOI基座、下电极层、压电层以及上电极层；
其中，SOI基座、下电极层、压电层以及上电极层均为圆形；
下电极层以及上电极层均采用Mo电极，压电层采用AIN；
SOI基座包括由下向上依次设置的下硅层、二氧化硅层以及上硅层；SOI基座的底部设置空腔，该空腔在上下方向上贯穿整个下硅层；
在由空腔位置向上正投影到上电极层的区域范围内形成有多个悬臂梁；其中，各个悬臂梁均为大小相等的扇形结构，且沿着同一个圆周方向顺序排布；
任意相邻两个悬臂梁之间通过一条刻蚀沟槽隔开，且所有悬臂梁均与上电极层连接；
其中，各个刻蚀沟槽均是利用刻蚀工艺由下向上依次刻蚀二氧化硅层、上硅层、下电极层以及压电层所形成的；
各个悬臂梁的组成结构相同，且均是由处于该悬臂梁所在的两条刻蚀沟槽之间，且由下而上依次布置的二氧化硅层、上硅层、下电极层以及压电层的扇形区域组成。
优选地，悬臂梁以及刻蚀沟槽的数量均有四个，每个悬臂梁对应的圆心角为90度。
优选地，悬臂梁以及刻蚀沟槽的数量均有六个，每个悬臂梁对应的圆心角为60度。
优选地，悬臂梁以及刻蚀沟槽的数量均有八个，每个悬臂梁对应的圆心角为45度。
此外，本发明还提出了一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量芯片，其采用上面述及的声学测量单元，以实现对超低频声音信号的感测。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量芯片，包括声学测量单元、正电极输出端以及负电极输出端；声学测量单元有多个且采用阵列式排布。
其中，声学测量单元采用上面述及的用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元；
各个声学测量单元的正电极层相连，且共同连接到正电极输出端上；
各个声学测量单元的负电极层相连，且共同连接到负电极输出端上。
此外，本发明还提出了一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量装置，其采用上面述及的声学测量芯片，以实现对超低频声音信号的感测，且利于提高检测灵敏度。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量装置，包括声学测量芯片以及运算放大电路；声学测量芯片的正电极输出端和负电极输出端分别连接到运算放大电路上；
其中，声学测量芯片采用上面述及的用于超低频水下声学信号检测的声学测量芯片。
本发明具有如下优点：
如上所述，本发明述及了一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元及装置，其中，相较于传统的三明治谐振腔结构而言，本发明将谐振腔中间划分为四个悬臂梁结构而上电极层依旧连接，由于上电极层较整体的压电层薄，其谐振频率较低，因而使得本发明对于低频信号较为敏感，因此能够很好地感测低频声信号，并且由于悬臂梁结构较传统结构受力后形变更大，压电效应产生的电荷更多，提高了输出电压，因而提高了检测灵敏度。本发明述及的声学测量单元及装置能够实现对超低频信号的检测，同时利于提高了输出灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例1中用于超低频水下声学信号检测的声学测量芯片的结构示意图；
图2为图1中用于超低频水下声学信号检测的声学测量芯片的俯视图；
图3为图1中用于超低频水下声学信号检测的声学测量芯片的俯视图（去除上电极层）；
图4为图1中用于超低频水下声学信号检测的声学测量芯片的仰视图；
图5为图1中用于超低频水下声学信号检测的声学测量芯片的内部剖视图；
图6为本发明实施例1中单个悬臂梁的结构示意图；
图7为本发明实施例2中用于超低频水下声学信号检测的声学测量芯片的结构示意图；
图8为本发明实施例3中用于超低频水下声学信号检测的声学测量芯片的结构示意图；
其中，1-SOI基座，2-下电极层，3-压电层，4-上电极层，5-下硅层，6-二氧化硅层，7-上硅层，8-空腔，9-悬臂梁，10-刻蚀沟槽。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
实施例1
本实施例1述及了一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元。
如图1和图2所示，该声学测量单元包括由下向上依次设置的SOI基座1、下电极层2、压电层3以及上电极层4，SOI基座1、下电极层2、压电层3以及上电极层4均为圆形。
SOI基座1作为衬底，为声学测量单元的制备提供支撑。
SOI基座1包括由下向上依次设置的下硅层5、二氧化硅层6以及上硅层7。如图5所示，在SOI基座1底部设置空腔8，空腔8在上下方向上贯穿整个下硅层5。
本实施例1中空腔8是在SOI基座1的底部进行深硅刻蚀所形成的。
本实施例1中提出的空腔8结构，其作用在于增加下述悬臂梁9收到声压激励的形变量，进一步增加声学测量单元的感测效率，提高输出的灵敏度。
下电极层2以及上电极层4均采用Mo电极，压电层3采用AIN。
其中，压电层3在受到外力作用产生形变时，由于AlN材料的压电特性，会产生压电信号，从而实现对声压信号的有效感测，电极结构用于所产生的压电信号。
其中，上电极层4以及下电极层2分别用于采集压电层3所产生的正、负电荷信号。
此外，上电极层4还被用作对于声压信号的感测结构，该结构在受到低频声压激励时，能够产生振动形变，从而带动压电层3的变化，实现低频水声信号感测。
本实施例中上电极层4之所以能够实现对低频水声信号感测，是由于上电极层较薄，其谐振频率较低，使得本发明对于低频信号较为敏感，很好地感测了低频声信号。
如图3至图5所示，在由空腔8位置向上正投影到上电极层4的区域范围内形成四个悬臂梁，例如悬臂梁9，各个悬臂梁9均为大小相等的扇形结构。
其中，在图3中示出的虚线圆圈实际上是不存在，此处虚线圆圈对准空腔8的位置。
每个悬臂梁9对应的圆心角为90度，且沿着同一个圆周方向顺序排布。任意相邻两个悬臂梁9（的侧部）之间通过一条刻蚀沟槽10隔开。
为了形成上述四个悬臂梁结构，本实施例1中刻蚀沟槽10有四条。
各个刻蚀沟槽10的成型工艺均是相同的，即（从空腔8的位置开始）利用刻蚀工艺由下向上依次刻蚀二氧化硅层6、上硅层7、下电极层2以及压电层3所形成的。
以上四个悬臂梁9（的上表面，即压电层3的上表面）均与上电极层4连接。
经过以上刻蚀工艺形成的各个悬臂梁9的结构均相同。
以其中一个悬臂梁9为例，如图3和图6所示。
该悬臂梁9与相邻的悬臂梁9之间通过一条刻蚀沟槽10隔开。
悬臂梁9是由该悬臂梁9所处的两条刻蚀沟槽10之间的二氧化硅层6的扇形区域、上硅层7的扇形区域、下电极层2的扇形区域以及压电层3的扇形区域组成。
其他三个悬臂梁结构与上述悬臂梁结构相同，此处不再详细赘述。
通过以上结构设计，使得本实施例1中上电极层4以及悬臂梁结构可以作为声学测量单元的声压感测单元，其中，上电极层4能够实现对于低频水下声信号的感测。
本实施例1通过悬臂梁结构以及上电极层4检测到声音信号引起悬臂梁9振动，进而引起压电层3由于压电效应产生电荷，并通过下电极层2和上电极层4输出电压。
具体的，当声学测量单元检测到来自于外部的低频信号时，由于上电极层4对低频信号敏感，低频信号引起上电极层4振动，进一步引起四个悬臂梁9振动，由此可输出电信号。
当声学测量单元检测到来自于外部的较高频率信号时，上电极层4对此频段信号不敏感，而悬臂梁结构对此频段信号敏感，各个悬臂梁9振动，由此可输出电信号。
传统的基于压电薄膜式结构的声压感测装置主要的作用原理，是将上、下电极层与压电层组成用于声压检测的“三明治结构”，此三层为声压的直接作用单元。
本实施例中悬臂梁结构，较传统三明治空腔结构而言，在同样声压条件下产生的形变量更大，由压电效应产生的电荷量会更多，输出电压更高，因而提高了输出灵敏度。
此外，本实施例还提出了一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元的加工方法。
该加工方法包括如下加工步骤：
首先选用合适的SOI基底1，并对SOI基底1进行RCA清洗，在种子层上采用物理气象沉积（PVD）的方法依次生长下电极层2、压电层3以及上电极层4。
在SOI基座1的底部进行深硅刻蚀并形成空腔8。
采用IBE刻蚀的方法，由下向上分别刻蚀SOI基底1的二氧化硅层6和上硅层7、下电极层2以及压电层3，经过刻蚀得到上述悬臂梁结构。
至此，单个用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元的加工过程结束。
本实施例述及的声学测量单元，能够实现对于特定频率范围内的水声信号的检测，特别是低频范围内的水声信号的检测，且检测灵敏度高。
实施例2
本实施例2也述及了一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元，该声学测量单元除以下技术特征与上述实施例1不同之外，其余技术特征均可参照上述实施例1。
如图7所示，本实施例中悬臂梁9的数量有六个，每个悬臂梁对应的圆心角为60度。
同理，本实施例中刻蚀沟槽10的数量有六个。
任意相邻两个悬臂梁9之间，均通过一条刻蚀沟槽10间隔开。
由于内应力影响，在相同声压下，本实施例2中采用六个悬臂梁的结构，相比于上述实施例1中四个悬臂梁的结构而言，产生的形变更大，因此检测灵敏度会更高。
实施例3
本实施例3也述及了一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元，该声学测量单元除以下技术特征与上述实施例1不同之外，其余技术特征均可参照上述实施例1。
如图8所示，本实施例中悬臂梁的数量均有八个，每个悬臂梁对应的圆心角为45度。
同理，本实施例中刻蚀沟槽10的数量有八个。
任意相邻两个悬臂梁9之间，均通过一条刻蚀沟槽10间隔开。
由于内应力影响，在相同声压下，本实施例3中采用六个悬臂梁的结构，相比于上述实施例1中四个悬臂梁的结构而言，产生的形变更大，因此检测灵敏度会更高。
实施例4
本实施例4述及了一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量芯片，该声学测量芯片中用到的声学测量单元，采用上述实施例1至3中的声学测量单元。
具体的，用于超低频水下声学信号检测的声学测量芯片，包括声学测量单元、正电极输出端以及负电极输出端，其中，声学测量单元有多个且采用阵列式排布。
各个声学测量单元的正电极层相连，且共同连接到正电极输出端上；
各个声学测量单元的负电极层相连，且共同连接到负电极输出端上。
由于本实施例述及的声学测量芯片，采用上述实施例1至3任一实施例中述及到的声学测量芯片，因而也具有实现对超低频信号的感测的能力，且检测灵敏度高。
实施例5
本实施例5述及了一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量装置，该声学测量装置中用到的声学测量芯片采用上述实施例4中的声学测量芯片。
具体的，用于超低频水下声学信号检测的声学测量装置，包括声学测量芯片以及运算放大电路；声学测量芯片的正电极输出端和负电极输出端分别连接到运算放大电路上。
由于本实施例述及的声学测量装置，采用了上述实施例4中述及到的声学测量芯片，因而也具有实现对超低频信号的感测的能力，且同样具有较高的检测灵敏度。
由于本实施例中的声学测量装置为压电MEMS装置，其尺寸较小，封装后尺寸仅为毫米级别，易于布放。此外，声学测量装置线性度和封装耐压性能较好，且为无源器件，可满足长期测量需求，因而，能够实现长时间的对水下声学信号的观测。
需要说明的是，本发明中的用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元，其悬臂梁的数量不限于上述4个、6个或8个，还可以根据需要合理设定，此处不再赘述。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (6)
1.一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元，其特征在于，包括由下向上依次设置的SOI基座、下电极层、压电层以及上电极层；
其中，SOI基座、下电极层、压电层以及上电极层均为圆形；
下电极层以及上电极层均采用Mo电极，压电层采用AIN；
所述SOI基座包括由下向上依次设置的下硅层、二氧化硅层以及上硅层；所述SOI基座的底部设置空腔，该空腔在上下方向上贯穿整个所述下硅层；
在由所述空腔位置向上正投影到上电极层的区域范围内形成有多个悬臂梁；其中，各个所述悬臂梁均为大小相等的扇形结构，且沿着同一个圆周方向顺序排布；
任意相邻两个悬臂梁之间通过一条刻蚀沟槽隔开，且所有悬臂梁均与上电极层连接；
其中，各个刻蚀沟槽均是利用刻蚀工艺由下向上依次刻蚀所述二氧化硅层、上硅层、下电极层以及压电层所形成的；
各个悬臂梁的组成结构相同，且均是由处于该悬臂梁所在的两条刻蚀沟槽之间，且由下而上依次布置的二氧化硅层、上硅层、下电极层以及压电层的扇形区域组成。
2.根据权利要求1所述的用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元，其特征在于，
所述悬臂梁以及刻蚀沟槽的数量均有四个，每个悬臂梁对应的圆心角为90度。
3.根据权利要求1所述的用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元，其特征在于，
所述悬臂梁以及刻蚀沟槽的数量均有六个，每个悬臂梁对应的圆心角为60度。
4.根据权利要求1所述的用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元，其特征在于，
所述悬臂梁以及刻蚀沟槽的数量均有八个，每个悬臂梁对应的圆心角为45度。
5.一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量芯片，包括声学测量单元、正电极输出端以及负电极输出端；声学测量单元有多个且采用阵列式排布；
其特征在于，所述声学测量单元采用：
如权利要求1至4任一项所述的用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元；
各个声学测量单元的正电极层相连，且共同连接到所述正电极输出端上；
各个声学测量单元的负电极层相连，且共同连接到所述负电极输出端上。
6.一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量装置，包括声学测量芯片以及运算放大电路；声学测量芯片的正电极输出端和负电极输出端分别连接到运算放大电路上；
其特征在于，所述声学测量芯片采用：
如上述权利要求5所述的用于超低频水下声学信号检测的声学测量芯片。
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