CN116067481A - 一种基于双质量块多边形结构的mems压电矢量水听器芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感技术领域，具体涉及一种基于双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片。包括上质量块(8)、下质量块(7)、压电复合悬臂结构(e)、多边环形柱体支撑结构(d)；当外界有加速度作用时，惯性力使得质量块保持原有的运动，使悬臂梁发生变形产生相应的电荷，从而实现加速度电测得。本发明通过双质量块以及多边形结构极大的提高了所述MEMS压电矢量水听器的指向性；使得所述MEMS矢量水听器在x‑z平面与y‑z平面均呈现出无偏的“8”字形指向性，且在x‑z平面与y‑z平面的指向性能很好的重合，一致性好；实现了多个压电层的串联，提高了所述MEMS矢量水听器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，具体涉及一种基于双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片。
背景技术
众所周知，世界上海洋面积远超陆地面积，海洋中最重要的信息是水声信号，而水听器是其主要的接收方式。MEMS矢量水听器相较于传统水听器，MEMS工艺使其具有体积小、功耗低、成本低、易阵列化的优点；“8”字形指向性使其能够测量更多的水下信息，如质点位移、速度和加速度等矢量信息。目前，矢量水听器主要有压阻式、电容式、压电式。压阻式和电容式为有源器件，工作时都需要提供电源，使得系统复杂功耗增加。压阻式结构简单制备工艺成熟，但灵敏度较低，且由于存在焦耳热导致热噪声大、温度稳定性低。电容式可以提供三类水听器最高的灵敏度，但结构复杂在制备与使用过程中容易发生粘连。压电式水听器具有无源、噪音低、结构简单、换能材料换能效率高等优点。
良好的指向性是衡量一款矢量水听器的主要指标之一。例如，申请号201510439508.4中性浮力式MEMS矢量水听器，该水听器在不影响水听器频带的情况下,极大提高纳机电矢量水听器的灵敏度、指向性的凹点深度，但其指向性方面仍有不足其凹点深度仅为-30db；申请号201310201405.7一种二维四极子指向性水听器提供了一种具有工作频带可变，可同步共点测量声压、声压梯度和声压二阶梯度的二维四极子指向性水听器，但其凹点深度仅为-40db。
发明内容
本发明的目的在于进一步提高现有的MEMS压电矢量水听器的指向性与灵敏度，现有技术中，矢量水听器常用单质量块的悬臂梁结构，其“8”字形指向性具有较大的偏斜，经研究发现这种偏斜主要是由于敏感结构的不对称性造成的。本发明提供了一种双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器，通过其特有的上下对称双质量块以及多边形结构极大的提高了MEMS压电矢量水听器的指向性与灵敏度；并且由于其特有的多边形结构以及关于压电复合悬臂结构对称的双质量块，使得其敏感结构对称避免了传统单质量块悬臂梁结构的MEMS压电矢量水听器芯片存在的指向性偏斜问题，本发现提供的双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器在x-z平面与y-z平面均呈现出无偏的“8”字形指向性，且x-z平面与y-z平面的指向性能很好的重合，一致性良好。
本发明提出了一种基于双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片，所述压电传感芯片包括：压电复合悬臂结构、上质量块、下质量块和多边环形柱体支撑结构；
所述压电复合悬臂结构包括：中心结构和多条压电复合悬臂梁；每条所述压电复合悬臂梁一端均一体式连接于所述中心结构，另一端与所述多边环形柱体支撑结构d的内壁相连；
所述中心结构为多边形柱体，且与多边环形柱体支撑结构为同心多边形；
每相邻两条压电复合悬臂梁与多边环形柱体支撑结构内壁之间构成一个缝隙；
所述下质量块与多边环形柱体支撑结构之间形成孔洞。
作为上述技术方案的改进之一，所述上质量块和下质量块质量相同，对称分布于所述中心结构的两侧，使得上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合。
作为上述技术方案的改进之一，所述中心结构和多边环形柱体支撑结构的正投影形状均为：五边形、六边形、七边形、八边形、九边形或十边形，对应地，所述压电复合悬臂梁为五条、六条、七条、八条、九条或十条。
作为上述技术方案的改进之一，所述压电复合悬臂梁由下到上包括依次堆叠的：器件硅层、压电单元和绝缘层；所述压电单元由下到上包括依次堆叠的下电极、压电层和上电极；将所述压电单元的上电极与相邻所述压电单元的下电极连接实现电学上的串联，以提高灵敏度；
所述中心结构由下到上包括依次堆叠的：SOI氧化层、器件硅层和绝缘层，或器件硅层和绝缘层；
所述中心结构的器件硅层与压电复合悬臂梁的器件硅层为同一层，彼此一体连接；所述中心结构的绝缘层与压电复合悬臂梁的绝缘层为同一层，彼此一体连接。
作为上述技术方案的改进之一，所述压电层为氧化锌压电膜、氮化铝压电膜、锆钛酸铅压电膜、PMN-PT压电膜、钙钛矿型压电膜、有机压电膜，或由其中至少种压电膜与掺杂元素形成的掺杂膜，或由其中至少两种压电膜形成的复合膜，或在表面设置隔离层的某种压电膜或者复合膜；所述隔离层为氮化硅层、二氧化硅层、多晶硅层、磷硅玻璃层或由其中至少两种形成的复合膜构成；
所述掺杂元素为钒、铁、铬、锰、钐、铟、镧、镨、钴或铌，实际应用中并不局限于列举的这些元素；
所述下电极和上电极为铝、钼、金、铬、铂、钛或由其中至少两种金属形成的复合膜。
作为上述技术方案的改进之一，所述多边环形柱体支撑结构由下到上包括依次堆叠的：基底硅层、SOI氧化层、器件硅层和绝缘层，或基底硅层、器件硅层和绝缘层。
作为上述技术方案的改进之一，所述绝缘层为二氧化硅层、氮化硅层、多晶硅层、磷硅玻璃层或由其中至少两种形成的复合层。
作为上述技术方案的改进之一，所述压电传感芯片的制备采用SOI硅基片或普通硅基片作为衬底；
所述SOI硅基片包括器件硅层、SOI氧化层和基底硅层；
所述普通硅基片包括器件硅层、基底硅层。
本发明与现有技术相比优点在于：
1、使用本发明提供的双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器，通过双质量块以及多边形的结构使得其相较于现有的MEMS矢量水听器的指向性更好，凹点深度更高；
2、使用本发明提供的双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器，通过双质量块以及多边形的结构使得其在x-z平面与y-z平面均呈现出无偏的“8”字形指向性，且x-z平面与y-z平面的指向性能很好的重合，一致性好；
3、使用本发明提供的双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器，通过多边形结构实现了多个压电层的串联，提高了MEMS矢量水听器的灵敏度。
附图说明
图1是本发明一种双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器的结构示意图；
图2是SOI硅基片的双质量块六边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的三维示意图；
图3是SOI硅基片的双质量块六边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的剖面示意图；
图4是硅基片的双质量块六边形结构的MEMS压电矢量水听器的三维示意图。
图5是硅基片的双质量块六边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的剖面示意图；
图6是SOI硅基片的双质量块五边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的三维示意图；
图7是SOI硅基片的双质量块八边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的三维示意图；
图8是本发明一种双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的x-z平面指向性；
图9是本发明一种双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的y-z平面指向性；
图10是普通悬臂梁式MEMS压电矢量水听器芯片的指向性。
附图标识
1、基底硅层 2、绝缘层
3、下电极 4、压电层
5、上电极 6、孔洞
7、下质量块 8、上质量块
9、缝隙 10、SOI氧化层
11、器件硅层 a、压电传感芯片
b、后置放大电路 c、灌封结构
d、多边环形柱体支撑结构 e、压电复合悬臂结构
具体实施方式
本发明的一种双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器，其包括：多个压电传感芯片a、多个后置放大电路b、灌封结构c。所述压电传感芯片a固定于所述后置放大电路b上，内封于所述灌封结构c，且分别沿坐标系X轴、Y轴、Z轴放置。
所述压电传感芯片a包括：上质量块8、下质量块7、压电复合悬臂结构e、多边环形柱体支撑结构d；所述压电复合悬臂结构e包括一体化的：中心结构和多条压电复合悬臂梁；所述中心结构为多边形柱体，且与多边环形柱体支撑结构d为同心多边形；所述压电复合悬臂梁的一端与所述中心结构一体相连，其另一端与所述多边环形柱体支撑结构d一侧的内壁相连；所述质量块位于所述多边环形柱体支撑结构d的正中心；相邻两个压电复合悬臂梁与多边环形柱体支撑结构d之间构成一个缝隙9；多边环形柱体支撑结构d与下质量块7之间形成孔洞6；当有惯性力作用时，压电复合悬臂梁产生形变，使压电单元产生电荷，实现信息的测量。
所述多边环形柱体支撑结构d包括：复合层和基底硅层1；所述复合层位于所述基底硅层1之上，所述复合层包括：绝缘层2、硅层11、SOI氧化层10或绝缘层2和硅层11。
所述压电复合悬臂结构e包括一体化的：中心结构和多条压电复合悬臂梁；所述压电复合悬臂梁包括：压电单元、绝缘层2、硅层1；所述压电单元包括：上电极5、压电层4、下电极3；将所述压电单元的上电极与相邻所述压电单元的下电极连接实现电学上的串联，以提高灵敏度。
所述中心结构包括：SOI氧化层10、器件硅层11和绝缘层2，或器件硅层11和绝缘层2。
所述绝缘层2可为热氧化二氧化硅层、低温二氧化硅层、氮化硅层、多晶硅层、磷硅玻璃层或它们的复合层。
所述压电层4为氧化锌压电膜、氮化铝压电膜、锆钛酸铅压电膜、PMN-PT压电膜、钙钛矿型压电膜、有机压电膜，或由其中至少一种压电膜与掺杂元素形成的掺杂膜，或由其中至少两种压电膜形成的复合膜，或在表面设置隔离层的某种压电膜或者复合膜；所述隔离层为氮化硅层、二氧化硅层、多晶硅层、磷硅玻璃层或由其中至少两种形成的复合膜构成。
所述下电极(5)和上电极(3)为铝、钼、金、铬、铂、钛或由其中至少两种金属形成的复合膜。
所述下质量块7和上质量块8的质量相同。
所述多边形结构为五边形、六边形、七边形、八边形、九边形或十边形。相应的,所述中心结构和所述多边环形柱体支撑结构的正投影形状均为：五边形、六边形、七边形、八边形、九边形或十边形，所述压电复合悬臂梁为五条、六条、七条、八条、九条或十条。
所述压电传感芯片a的制备可采用SOI硅基片或普通硅基片作为衬底；所述SOI硅基片包括硅层11、SOI氧化层10和基底硅层1；所述普通硅基片包括硅层11、基底硅层1。
所述多边形可为正多边形也可为普通多边形。
下面将参照附图对本发明进行详细说明。
附图中多边形结构选取五边形、六边形、八边形为例进行介绍。
图1是本发明一种双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器的结构示意图，如图1所示，所述MEMS压电矢量水听器包括：3个压电传感芯片a、3个对应的后置放大电路b、灌封结构c；所述压电传感芯片a固定在所述后置放大电路b上，并分别沿坐标系X轴、Y轴、Z轴内封于所述灌封结构c。
图2是SOI硅基片的双质量块六边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的三维示意图，如图2所示，压电传感芯片包括：上质量块8、下质量块7、压电复合悬臂结构e、多边环形柱体支撑结构d。所述压电复合悬臂结构e包括一体化的：中心结构和6条压电复合悬臂梁；其中压电复合悬臂梁的一端与所述中心结构一体相连，其另一端与所述多边环形柱体支撑结构d一侧的内壁相连；相邻两条压电复合悬臂梁与多边环形柱体支撑结构d之间形成一个缝隙9；多边环形柱体支撑结构d与下质量块7之间形成孔洞6。当有惯性力作用，使多边环形柱体支撑结构d与质量块相对运动，导致压电复合悬臂梁产生形变，从而使压电复合悬臂梁上的压电单元产生电荷，实现信息的测量。
图3是SOI硅基片的双质量块六边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的剖面示意图，如图3所示，压电复合悬臂梁自上而下分别是：上电极5、压电层4、下电极3、绝缘层2、硅层11，绝缘层2的厚度为0.01～100μm，硅层11的厚度为0.01～100μm；多边环形柱体支撑结构d自上而下分别是：绝缘层2、硅层11、SOI氧化层10、基底硅层1；SOI氧化层10的厚度为0.01～100μm，硅基底层1的厚度为10～5000μm；上质量块8与下质量块7之间为中心结构包含绝缘层2、硅层11、SOI氧化层10。
图4是硅基片的双质量块六边形结构的MEMS压电矢量水听器的三维示意图，图5是硅基片的双质量块六边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的剖面示意图，如图4、图5所示，多边环形柱体支撑结构d自上而下分别是：绝缘层2、硅层11、硅基底层1；上质量块8与下质量块7之间包含绝缘层2、硅层11。
图6是SOI硅基片的双质量块五边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的三维示意图，图7是SOI硅基片的双质量块八边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的三维示意图，不同多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的压电复合悬臂梁条数不同。如图6、图7所示，双质量块五边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片拥有5条压电复合悬臂梁，双质量块八边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片拥有8条压电复合悬臂梁；不同多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的中心结构与多边环形支撑结构也有所不同，均为各自对应的多边形。
图8图9分别是本发明一种双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的x-z平面、y-z平面的指向性；图10是普通悬臂梁式MEMS压电矢量水听器芯片的指向性；相比于图10本发明一种双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器的指向性明显更好，且在x-z平面、y-z平面均呈现无偏的“8”字形指向性。
需要说明的是，所述下电极3和上电极5的材料包括但不限于铝、钼、金、铬、铂、钛或由其中至少两种金属形成的复合膜。所述下电极和上电极的材料为铝时，厚度为0.001～10μm；为钼时，厚度为0.001～10μm；为金/铬复合层时，金的厚度为0.005～10μm，铬的厚度为0.001～10μm；为铂/钛复合层时，铂的厚度为0.005～10μm，钛的厚度为0.001～10μm。
所述压电层4的材料包括但不限于氧化锌压电膜、氮化铝压电膜、锆钛酸铅压电膜、PMN-PT压电膜、钙钛矿型压电膜、有机压电膜，或由其中至少一种压电膜与掺杂元素形成的掺杂膜，或由其中至少两种压电膜形成的复合膜，或在表面设置隔离层的某种压电膜或者复合膜；所述隔离层为氮化硅层、二氧化硅层、多晶硅层、磷硅玻璃层或由其中至少两种形成的复合膜构成。压电层的厚度为0.01～60μm。
所述多边形结构为五边形、六边形、七边形、八边形、九边形或十边形。所述中心结构和所述多边环形柱体支撑结构的正投影形状均为：五边形、六边形、七边形、八边形、九边形或十边形，所述压电复合悬臂梁为五条、六条、七条、八条、九条或十条。附图中多边形结构以五边形、六边形和八边形为例。
所述下质量块7和上质量块8的质量相同。
最后所应说明的是，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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种基于双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片，其特征在于，所述压电传感芯片(a)包括：压电复合悬臂结构(e)、上质量块(8)、下质量块(7)和多边环形柱体支撑结构(d)；
所述压电复合悬臂结构(e)包括：中心结构和多条压电复合悬臂梁；每条所述压电复合悬臂梁一端均一体式连接于所述中心结构，另一端与所述多边环形柱体支撑结构(d)的内壁相连；
所述中心结构为多边形柱体，且与多边环形柱体支撑结构(d)为同心多边形；
每相邻两条压电复合悬臂梁与多边环形柱体支撑结构(d)内壁之间构成一个缝隙(9)；
所述下质量块(7)与多边环形柱体支撑结构(d)之间形成孔洞(6)。
2.根据权利要求1所述的基于双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片，其特征在于，所述上质量块(8)和下质量块(7)质量相同，对称分布于所述中心结构的两侧，使得上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合。
3.根据权利要求1所述的基于双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片，其特征在于，所述中心结构和多边环形柱体支撑结构(d)的正投影形状均为：五边形、六边形、七边形、八边形、九边形或十边形，对应地，所述压电复合悬臂梁为五条、六条、七条、八条、九条或十条。
4.根据权利要求1所述的基于双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片，其特征在于，所述压电复合悬臂梁由下到上包括依次堆叠的：器件硅层(11)、压电单元和绝缘层(2)；所述压电单元由下到上包括依次堆叠的下电极(3)、压电层(4)和上电极(5)；将所述压电单元的上电极(5)与相邻所述压电单元的下电极(3)连接实现电学上的串联；
所述中心结构由下到上包括依次堆叠的：SOI氧化层(10)、器件硅层(11)和绝缘层(2)，或器件硅层(11)和绝缘层(2)；
所述中心结构的器件硅层(11)与压电复合悬臂梁的器件硅层(11)为同一层，彼此一体连接；所述中心结构的绝缘层(2)与压电复合悬臂梁的绝缘层(2)为同一层，彼此一体连接。
5.根据权利要求4所述的基于双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片，其特征在于，所述压电层(4)为氧化锌压电膜、氮化铝压电膜、锆钛酸铅压电膜、PMN-PT压电膜、钙钛矿型压电膜、有机压电膜，或由其中至少一种压电膜与掺杂元素形成的掺杂膜，或由其中至少两种压电膜形成的复合膜，或在表面设置隔离层的某种压电膜或者复合膜；所述隔离层为氮化硅层、二氧化硅层、多晶硅层、磷硅玻璃层或由其中至少两种形成的复合膜构成；
所述下电极(5)和上电极(3)为铝、钼、金、铬、铂、钛或由其中至少两种金属形成的复合膜。
6.根据权利要求1所述的基于双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片，其特征在于，所述多边环形柱体支撑结构(d)由下到上包括依次堆叠的：基底硅层(1)、SOI氧化层(10)、器件硅层(11)和绝缘层(2)，或基底硅层(1)、器件硅层(11)和绝缘层(2)。
7.根据权利要求4或6所述的基于双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片，其特征在于，所述绝缘层(2)为二氧化硅层、氮化硅层、多晶硅层、磷硅玻璃层或由其中至少两种形成的复合层。
8.根据权利要求1所述的双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器，其特征在于，所述压电传感芯片(a)的制备采用SOI硅基片或普通硅基片作为衬底；
所述SOI硅基片包括器件硅层(11)、SOI氧化层(10)和基底硅层(1)；
所述普通硅基片包括器件硅层(11)、基底硅层(1)。
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