CN115507938B - 一种具有耐压结构的压电mems水听器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水听器技术领域，公开了一种具有耐压结构的压电MEMS水听器，以解决目前压电MEMS水听器耐压性差的问题。水听器包括透声壳、基底、SOI层以及感测层；在透声壳与由基底、SOI层以及感测层组成的整体之间形成液体充填区域；感测层包括多个感测单元；SOI层背面对应每个感测单元处分别设置背腔；SOI层背面还设有用于连通液体充填区域以及各个背腔的微流道；背腔内充满空气，在液体充填区域内充填有液体，由微流道、背腔、感测层以及液体充填区域的液体共同组成耐压的静水压力平衡结构。本发明利于提高压电MEMS水听器的耐压性能，满足在深海环境下应用的耐压需求。
Description
技术领域
本发明涉及水听器技术领域，特别涉及一种具有耐压结构的压电MEMS水听器。
背景技术
声波是水下信息传输的重要载体，为实现水下远距离探测和信息传输提供了可能。随着对海洋的不断探索和开发，海洋信息的采集工作也变得尤为重要，水声技术已被广泛用于深海探测、海洋环境监测和海洋安全防卫等具有重要前瞻性的海洋战略性技术研究中。水听器是感知水下声音的装置，能够将水下声信号转化为电信号。水听器广泛用于水下噪声监测、水下通信和导航等方面，是声呐系统的核心部件。传统的水听器由于体积大、造价高、难以形成阵列等缺点，在很大程度上限制了其实际应用。微纳加工技术制备的微机电系统（MEMS）水听器在结构和性能上都比传统的水听器有着巨大的提升。基于压电材料的压电效应进行研制的压电MEMS水听器，具有小型化、低功耗、低成本和灵敏度高的特点，并易实现批量化生产。目前，MEMS水听器应用的压电材料主要有PZT、ZnO和AlN等。
压电MEMS水听器通常采用薄膜作为接收信号的敏感单元。为了减少水听器在低频时灵敏度的下降，需要降低敏感单元的机械阻抗，而使用空气作为背腔介质可极大降低其机械阻抗。故为提高水听器接收灵敏度，保障薄膜充分弯曲振动，薄膜的下面会设计一个空气腔，带空气腔的薄膜在空气或浅水环境下可正常使用，如图1所示。然而，随着静水压力的增加，薄膜会发生较大的形变，严重影响MEMS水听器的感测性能，并最终在外界压力超过薄膜最大允许应力时破裂，故受限于结构设计，目前压电MEMS水听器主要用于浅水环境，随着不断对深海信息获取的需求，迫切需要提出一种具有耐压结构的压电MEMS水听器。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有耐压结构的压电MEMS水听器，以实现压电MEMS水听器在保证其高灵敏度性能的基础上，同时满足在深海环境下应用的耐压需求。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种具有耐压结构的压电MEMS水听器，包括透声壳以及位于透声壳内侧的基底、SOI层以及感测层，基底、SOI层以及感测层由下向上依次设置；
在透声壳与由基底、SOI层以及感测层组成的整体之间形成液体充填区域；
感测层包括多个呈阵列式排布的感测单元；
SOI层的背面对应每个感测单元的位置分别设置一个背腔；
SOI层的背面还设有用于连通液体充填区域以及各个背腔的微流道；
其中，在背腔内充满空气，在液体充填区域内充填有液体；在液体表面张力的作用下微流道内会形成一段液柱，进而在微流道内形成气液界面。
本发明具有如下优点：
如上所述，本发明述及了一种具有耐压结构的压电MEMS水听器，其通过在SOI的背面设置微流道，便于连通液体充填区域以及各个背腔；背腔内充满空气，在液体充填区域内充填有液体，在微流道内形成气液界面。当外部静水压力增加时，液体充填区域的液体经由进液口被挤压进入微流道，补偿背腔内空气的体积变化，感测层内外侧的压力实现平衡，感测层恢复至初始平衡非形变位置，提高了压电MEMS水听器的耐压性能，保障了压电MEMS水听器在高静水压力条件下的灵敏度。本发明以简单的水听器结构和制作工艺，完成了耐压的压电MEMS水听器结构设计，对扩展压电MEMS水听器的应用场景具有重要意义。
附图说明
图1为现有技术中单个压电MEMS水听器芯片单元的结构示意图；
图2为本发明实施例中具有耐压结构的压电MEMS水听器的结构示意图；
图3为本发明实施例中具有耐压结构的压电MEMS水听器形成的气液界面示意图；
图4为本发明实施例中具有耐压结构的压电MEMS水听器的背腔及微流道结构示意图。
部件标注说明：1-上电极，2-压电层，3-下电极，4-SOI层，5-背腔，6-基底，7-透声壳，8-液体充填区域，9-微流道，10-进液口；
11-气液界面，12-感测单元，13-第一微流道段，14-第二微流道段，15-液柱。
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：
本实施例述及了一种具有耐压结构的压电MEMS水听器，如图2所示，该压电MEMS水听器包括透声壳7以及位于透声壳7内侧的基底6、SOI层4以及感测层。
其中，基底6、SOI层4以及感测层由下向上依次设置。
在透声壳7与由基底6、SOI层4以及感测层组成的整体之间形成液体充填区域8。液体充填区域8内充填的液体一般为与水的密度接近且绝缘的蓖麻油、硅油和蒸馏水等。
透声壳7例如采用橡胶（如聚氨酯）壳体，可随外界静水压力变化而变形，而且具有类似于水的机械阻抗，可有效传递声信号。在透声壳7上设置注液孔（未示出）。
通过注液孔可以向液体充填区域8内充填液体，液体充满后封堵注液孔即可。
SOI层4具有底部硅层、中间二氧化硅层以及上部硅层组成。其中，本实施例中SOI层4具有高的电阻率，用于减少上电极1与下电极3之间的电效应。
基底6一般采用玻璃晶元。
感测层包括多个呈阵列式排布的感测单元12。其中，各个感测单元12的结构相同，且均包括上电极1、压电层2以及下电极3，用于感测声波、收集电荷。
其中，压电层2选用的压电材料例如为PZT、ZnO或AlN等，此处不再赘述。
在SOI层4的背面对应每个感测单元12的位置分别设置一个背腔5。其中，背腔5是通过深硅刻蚀工艺在SOI层4的背面通过刻蚀得到的，背腔5为空气腔。
此外，在SOI层4的背面还设有微流道9，用于连通液体充填区域8以及各个背腔5。
背腔内充满空气，在液体充填区域8内充填有液体，在液体表面张力的作用下微流道内会形成一段液柱15，进而在微流道内形成如图3所示的气液界面11。
由微流道9、背腔5、感测层、液体充填区域8的液体共同组成耐压的静水压力平衡结构。
微流道9的一端具有与液体填充区域8连通的进液口10，通过该进液口10方便液体充填区域8的液体进入到微流道9内，并在微流道9内形成上述气液界面11。
本发明为了保证压电MEMS水听器的耐压性，设计了基于微流道的静水压力平衡结构，通过增加空气背腔5内的压力，以匹配液体充填区域8的静水压力。
如图2所示，静水压力平衡结构的工作过程如下：
初始状态感测层13内外的静水压力为P 0，背腔空气体积为V 0，气液界面11保持不变。当液体填充区域8静水压力增加即由P 0增加到P 1时，液体充填区域8的液体经由进液口10被挤压进入微流道9，以补偿背腔5内空气的体积变化，进而使得感测层内外两侧的压力实现平衡，背腔内空气体积将变为V 1= P 0 V 0/ P 1，此时，感测层内外的静水压力是相同的，感测层受静水压力的形变影响得到释放，感测层则恢复到原来的平衡位置而不变形。
本发明通过设计上述静水压力平衡结构，用于平衡感测层（即压电薄膜）两侧的压力（P 0=P），使压电薄膜能够在任何静水压力下都能保持完好且保证压电MEMS水听器灵敏度性能，从而满足了压电MEMS水听器在任意海洋深度条件下安全应用需求。
如图4示出了耐压的压电MEMS水听器的背腔及微流道设计结构。
该微流道9包括用于实现各相邻背腔5之间连通的第一微流道段13，以及用于将连通后的所有背腔5整体连接至液体充填区域8的第二微流道段14。
第二微流道段14采用多圈环绕设置，以此增加微流道9的整体长度。第二微流道段14的一端与其中一个背腔5相连，第二微流道段14的另一端连接至进液口10处。
当外部静水压力增加时，液体充填区域8的液体经由进液口10被挤压进入到第二微流道段14，并在第二微流道段14内形成液柱15，形成如图3所示的气液界面11。
本实施例中微流道9的设计主要需满足两个要求：
第一. 微流道9内的液体不能进入背腔5，以避免影响水听器的灵敏度，微流道9内体积需足够大，使背腔5在薄膜最大静水压力（应用深度）作用下仍然充满空气。
第二. 微流道9内的液体与气体之间需保持气液界面11，液体不会因重力影响在通道内自由流动，微流道9内液面表面张力的影响应远大于液体重力的影响。
基于以上两个要求，本实施例中微流道9的长度和截面积的计算过程如下：
定义微流道长度为L，微流道截面积为S，则微流道的体积V=L×S。
当静水压力增加时，微流道内空气体积减小，而空气量不变，故空气密度增加。水听器应用深度静水压力计算公式如下：
P=ρgh+P 0 (1)
式中，ρ表示海水密度，ρ=1026 kg/m 3，g为重力加速度，g=9.8 m/s 2，P 0表示大气压力，P 0=0.101 MPa，h为海水深度，P为静水压力。微流道的体积V通过如下公式计算得到：
V=V 0×P 0 / P×100 (2)
式中，V 0表示所有背腔的总体积。
微流道内液面表面张力的影响与液体重力之间的关系，如下公式（3）所示：
B=ρ 0 gl 2 /σ (3)
式中，ρ 0为液体密度，l为微流道内液柱长度，σ为液体表面张力系数，一般液体σ为40 mN/m，蓖麻油σ为44.2 mN/m。
当B值在0-1之间时表示微流道内液面表面张力大于重力，B值越接近0越好。
由公式（1）、（2）计算得到设计的水听器微流道的体积，结合微流道加工能力、计算得到的微流道的体积以及公式（3），即获得微流道设计的长度及半径。
微流道9也是通过深硅刻蚀工艺在SOI层4的背面通过刻蚀得到的。
本发明还提出了一种具有耐压结构的压电MEMS水听器的制作方法，如下所示：
首先，在SOI层4的上部硅层依次溅射3层膜结构即下电极3、压电层2、上电极1，并对3层膜结构进行光刻、刻蚀，实现感测层图形化。
然后，在SOI层4的背面刻蚀出背腔5和微流道9的形状。以微流道9的直径深度进行第一次的深硅刻蚀（DRIE），用于创建微流道9和背腔5的轮廓，之后沉积铝（Al）作为掩膜材料，通过第二次深硅刻蚀（DRIE）工艺将背腔刻蚀至SOI层4的SiO2层，形成背腔室。
最后，将SOI层4与基底6进行键合，最终完成整个水听器的微加工过程。
封装采用透声壳7作为支撑结构对整个芯片进行防水处理，选用橡胶（如聚氨酯）等具有类似于水的机械阻抗的材料，以保证水听器灵敏度。在透声壳7上设置注液孔（未示出），通过注液孔可以向液体充填区域8内充填液体，液体充满后封堵注液孔即可。
本发明解决了压电MEMS水听器的耐压问题，以尽量简便的制造工艺和设计满足水听器在深海环境下的应用，此种耐压的微结构适合各种压电薄膜研制的压电MEMS水听器。
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、明显变换形式，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 (8)
1.一种具有耐压结构的压电MEMS水听器，包括透声壳以及位于透声壳内侧的基底、SOI层以及感测层，基底、SOI层以及感测层由下向上依次设置；其特征在于，
在透声壳与由基底、SOI层以及感测层组成的整体之间形成液体充填区域；
所述感测层包括多个呈阵列式排布的感测单元；
所述SOI层的背面对应每个所述感测单元的位置分别设置一个背腔；
所述SOI层的背面还设有用于连通所述液体充填区域以及各个所述背腔的微流道；
所述微流道的长度和截面积的计算过程如下：
定义微流道长度为L，微流道截面积为S，则微流道的体积V=L×S；
当静水压力增加时，微流道内空气体积减小，而空气量不变，故空气密度增加；
水听器应用深度静水压力计算公式如下：
P=ρgh+P 0 (1)
式中，ρ表示海水密度，g为重力加速度，P 0表示大气压力，h为海水深度，P为静水压力；微流道的体积V通过如下公式计算得到：
V=V 0×P 0 / P×100 (2)
式中，V 0表示所有背腔的总体积；
微流道内的液体与气体之间保持气液界面，液体不会因重力影响在通道内自由流动；微流道内液面表面张力的影响与液体重力之间的关系，如下公式（3）所示：
B=ρ 0 gl 2 /σ (3)
式中，ρ 0为液体密度，l为微流道内液柱长度，σ为液体表面张力系数；
当B值在0-1之间时表示微流道内液体表面张力大于重力；
由公式（1）、（2）计算得到设计的水听器微流道的体积，结合微流道加工能力、计算得到的微流道体积和公式（3），即获得微流道设计的长度及半径；
其中，在背腔内充满空气，在液体充填区域内充填有液体；在液体表面张力的作用下微流道内形成一段液柱，进而在该微流道内形成气液界面。
2.根据权利要求1所述的具有耐压结构的压电MEMS水听器，其特征在于，
所述微流道的一端具有与所述液体填充区域连通的进液口。
3.根据权利要求2所述的具有耐压结构的压电MEMS水听器，其特征在于，
当外部静水压力增加时，液体充填区域的液体经由进液口被挤压进入微流道，补偿背腔内空气的体积变化，感测层两侧的压力实现平衡，感测层恢复至初始平衡位置不变形。
4.根据权利要求2所述的具有耐压结构的压电MEMS水听器，其特征在于，
所述微流道包括用于实现各相邻背腔之间连通的第一微流道段，以及用于将连通后的所有背腔整体连接至液体充填区域的第二微流道段，第二微流道段采用多圈环绕设置；
所述第二微流道段的一端与其中一个背腔相连，第二微流道段的另一端连接至进液口处。
5.根据权利要求1所述的具有耐压结构的压电MEMS水听器，其特征在于，
所述背腔以及微流道均是通过深硅刻蚀工艺在SOI层的背面通过刻蚀得到的。
6.根据权利要求1所述的具有耐压结构的压电MEMS水听器，其特征在于，
所述液体充填区域内充填的液体包括蓖麻油、硅油或蒸馏水。
7.根据权利要求1所述的具有耐压结构的压电MEMS水听器，其特征在于，
所述透声壳采用橡胶壳体，在透声壳上设置注液孔。
8.根据权利要求1所述的具有耐压结构的压电MEMS水听器，其特征在于，
所述感测层包括上电极、压电层以及下电极，其中，压电层采用PZT、ZnO或AlN。
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