CN117191182B - 一种悬臂梁式一维mems压电矢量水听器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件技术领域，尤其涉及悬臂梁式一维MEMS压电矢量水听器，其包括衬底和悬臂梁结构，衬底为矩形框体，衬底的下表面固定连接有支撑层，悬臂梁结构连接至衬底上相对的两根侧壁之间，悬臂梁结构包括中心质量块和两根结构相同的条形悬臂，两根条形悬臂对称布置于中心质量块的左右两端，且条形悬臂的其中一端设为弧腰梯形连接部，弧腰梯形连接部的较短底用于固定连接中心质量块；条形悬臂从上至下包括依次叠摞且相连的第二电极层、压电材料层和第一电极层。该悬臂梁式一维MEMS压电矢量水听器只需要探测某一方向的声源信号即可，在探测的同时会抑制掉其他方向的干扰信息，提高信号的信噪比，能准确提取出需要的信号。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种悬臂梁式一维MEMS压电矢量水听器。
背景技术
近年来，随着水听器技术的不断发展，以及在军事应用需求的牵引下，水听器在水声各领域中得到了广泛应用。但目前传统的水听器都存在体积大，功耗大，制作昂贵，一致性不好等难题。随着微机电系统（MEMS）技术的不断成熟，给解决此类问题提供了可能，为MEMS水听器芯片的一致性、可靠性提供了保障。
MEMS矢量水听器按响应维数（即探测介质质点的振速分量）可分为一维、二维、三维的矢量水听器，二维和三维的MEMS矢量水听器近些年来发展的很好，相比之下一维水听器的研究就较少。但是，在诸多领域，例如深水炸弹，因其仅需探测下沉方向的目标信息，同时需抑制其它方向的干扰信息，只需一维矢量水听器；再如数字诊疗器械——听诊器，仅需拾取体内方向的生理信息，同样仅需一维矢量传感器；还有其他复杂海洋环境中特定的应用，诸如探测某一区域内船只通行的数量，沉底水雷对各种潜艇的识别等，因其不需要了解目标声源信号的方位情况，都只需宽频带、高灵敏、低噪声一维MEMS矢量水听器。传统的一维水听器只能测量声场中的标量参数，即声压，而不能测量声场中的矢量参数，如质点振速、声强等。这样就无法获得声场的完整信息，也无法实现对目标的方位估计和定位。若在上述场景中使用二维矢量水听器，通常是先利用二维矢量水听器获取目标声源信号，再对多余的干扰信号进行滤除，但在很多情况下，有用信号会被干扰信号淹没，造成信号提取困难、信号失真度高、并且会引入交叉灵敏度降低检测灵敏度，因此研究一维MEMS矢量水听器具有很重要的意义。
发明内容
为克服传统的一维水听器只能测量声场中的标量参数，即声压，而不能测量声场中的矢量参数的技术缺陷，本发明提供了一种悬臂梁式一维MEMS压电矢量水听器，可选择探测某一方向的声源信号，且在探测的同时会抑制掉其他方向的干扰信息，提高信号的信噪比，能准确提取出需要的信号。
本发明提供了一种悬臂梁式一维MEMS压电矢量水听器，包括衬底和悬臂梁结构，衬底为矩形框体，衬底的下表面固定连接有支撑层，悬臂梁结构连接至衬底上相对的两根侧壁之间，悬臂梁结构包括中心质量块和两根结构相同的条形悬臂，两根条形悬臂对称布置于中心质量块的左右两端，且条形悬臂的其中一端设为弧腰梯形连接部，弧腰梯形连接部的较短底用于固定连接中心质量块；条形悬臂从上至下包括依次叠摞且相连的第二电极层、压电材料层和第一电极层。悬臂梁结构连接在衬底上，悬至矩形框体的中空位置，具体的，悬臂梁结构连接整体的方向与衬底的长度方向一致。弧腰梯形即双侧腰均为弧形的梯形，且梯形的弧形腰部朝内侧凹陷，这是为了减小悬臂梁结构整体的质量，增大矢量水听器的工作带宽，同时，弧形腰部的设计可以避开悬臂梁上的应力突变点，保证悬臂梁上应力线性区域面积最大；利用中心质量块直接感知声场振动信号，使悬臂梁结构发生形变，梁上的压电材料产生压电效应将电荷信号输出，使得水听器低频响应好、灵敏度高，满足一维方向水声检测的基本要求。
优选的，压电材料层和第一电极层的面积相等，第二电极层的长度和宽度分别是第一电极层长度和宽度的0.7倍，且第二电极层位于压电材料层的上表面的中心位置。第二电极层的长度和宽度分别是第一电极层长度和宽度的0.7倍，则第二电极层的面积是压电材料层的0.49倍。水听器的原理是压电效应，通过comsol仿真可得，当第二电极层的尺寸为压电材料层尺寸的二分之根号二倍时，可以让电荷量输出最大，减少了正负电荷中和的数量，增大输出信号。而且当压电材料层受到声压激励产生形变时，在压电材料层的中心和边缘会产生极性相反的感应电荷，所以第二电极层要位于压电材料层的上表面的中心位置。
优选的，悬臂梁结构的两端分别搭接在衬底的两根侧壁顶部。第二电极层避开条形悬臂的搭接部位以及弧腰梯形连接部，因为这些部分感知振动的性能不灵敏。
优选的，衬底由SOI基底制成，压电材料层由氮化铝制成，中心质量块由硅制成。氮化铝薄膜相对于其他压电薄膜有更低的声学阻抗，且该材料可与CMOS工艺兼容，成本相比压电陶瓷水听器显著降低，同时成品率与一致性大幅提高，使其拥有极高的性价比。
优选的，还包括后端信号处理模块，后端信号处理模块包括电路放大、滤波和AD转换部分，后端信号处理模块的输入端分别与条形悬臂的第一电极层和第二电极层连接，后端信号处理模块可将压电材料层产生的电荷信号通过第一电极层和第二电极层输出转换为数字电压信号。后端信号处理模块可将电荷信号放大、滤波和转换，进一步提高水听器的低频响应以及灵敏度。具体信号处理过程为：电路放大部分的前端有个阻抗匹配网络可先将电荷信号转换为电压信号，再将电压信号依次输入到滤波部分和AD转换部分的电路中，然后即可输出数字电压信号。
本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
（1）本发明提供的一种悬臂梁式一维MEMS压电矢量水听器，主要针对当下只需探测某一方向的声源信号，同时需抑制其它方向的干扰信息的场景，解决目前用二维矢量水听器获取目标声源信号时，需要再对另一个维度的干扰信号进行滤除的方法存在的有用信号被干扰淹没、造成信号提取困难、信号失真度高、信噪比低以及二维矢量水听器灵敏度低等问题，使用一维矢量水听器可在特定需求下，极大地提高所需信号的信噪比，避免了交叉灵敏度的影响，能最大程度的提取出有用的信号。
（2）本发明提供的一种悬臂梁式一维MEMS压电矢量水听器，在悬臂梁结构靠近中心质量块处设计了弧腰梯形，这可以减小整体结构的质量、增大水听器工作带宽，同时，弧腰梯形的设计可以避开悬臂梁上的应力突变点，保证悬臂梁上应力线性区域面积最大；利用中心质量块直接感知声场振动信号，使悬臂梁发生形变，梁上的压电材料产生压电效应将电荷信号输出，通过后端信号处理模块对信号进行处理，使得水听器低频响应好、灵敏度高，满足一维方向水声检测的基本要求。
（3）本发明提供的一种悬臂梁式一维MEMS压电矢量水听器的压电材料层的材料为氮化铝，氮化铝薄膜相对于其他压电薄膜有更低的声学阻抗，且该材料可与CMOS工艺兼容，成本相比压电陶瓷水听器显著降低，同时成品率与一致性大幅提高，使其拥有极高的性价比。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明某实施例中所述悬臂梁结构的整体结构示意图；
图2为本发明某实施例中所述悬臂梁结构连接至衬底上之后的结构示意图；
图3为图2增加支撑层后的结构示意图；
图4为本发明某实施例中所述一种悬臂梁式一维MEMS压电矢量水听器的俯视图。
图中：1、中心质量块；2、第一电极层；3、压电材料层；4、第二电极层；5、弧腰梯形；6、衬底；7、支撑层。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在描述中，需要说明的是，术语 “第一”、“第二””仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
下面结合附图1至图4对本发明的具体实施例进行详细说明。
在一个实施例中，以当下只需探测某一方向的声源信号，同时需抑制其它方向的干扰信息的应用场景为背景，解决目前用二维矢量水听器获取目标声源信号，再对另一个维度的干扰信号进行滤除的方法存在的有用信号被干扰信号淹没、造成信号提取困难、信号失真度高、信噪比低及灵敏度低等问题。
如图1-图4所示，本实施例公开了一种悬臂梁式一维MEMS压电矢量水听器，包括衬底6和悬臂梁结构，衬底6为矩形框体，衬底6的下表面固定连接有支撑层7，悬臂梁结构连接至衬底6上相对的两根侧壁之间，悬臂梁结构包括中心质量块1和两根结构相同的条形悬臂，两根条形悬臂对称布置于中心质量块1的左右两端，且条形悬臂的其中一端设为弧腰梯形5连接部，弧腰梯形5连接部的较短底用于固定连接中心质量块1；条形悬臂从上至下包括依次叠摞且相连的第二电极层4、压电材料层3和第一电极层2。
其中，悬臂梁结构连接在衬底6上，悬至矩形框体的中空位置，具体的，悬臂梁结构连接整体的方向与衬底6的长度方向一致。弧腰梯形5即双侧腰均为弧形的梯形，且梯形的弧形腰部朝内侧凹陷，这是为了减小悬臂梁结构整体的质量，增大矢量水听器的工作带宽，同时，弧形腰部的设计可以避开悬臂梁上的应力突变点，保证悬臂梁上应力线性区域面积最大；利用中心质量块1直接感知声场振动信号，使悬臂梁结构发生形变，梁上的压电材料产生压电效应将电荷信号输出，使得水听器低频响应好、灵敏度高，满足一维方向水声检测的基本要求。
本发明提出一种悬臂梁式一维MEMS压电矢量水听器，其工作原理为只在单方向上获取目标声源信号。具体利用中心质量块1感知声场振动信号，使悬臂梁结构发生形变，中心质量块1两侧对称的条形悬臂中的压电材料层3产生压电效应将电荷信号输出到第一电极层2和第二电极层4，从而将电信号输出实现水声检测。由于该一维MEMS压电矢量水听器只能接收单方向的目标声源信号，从源头上避免了多维压电矢量水听器易受交叉灵敏度的影响。在只需探测某一方向的声源信号，同时需抑制其它方向的干扰信息的场景有极大的作用。而且本实施例中所述水听器还能监测到所在方向的振速分量，所以为矢量水听器。
在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，压电材料层3和第一电极层2的面积相等，第二电极层4的长度和宽度分别是第一电极层2长度和宽度的0.7倍，且第二电极层4位于压电材料层3的上表面的中心位置。第二电极层4的长度和宽度分别是第一电极层2长度和宽度的0.7倍，则第二电极层4的面积是压电材料层3的0.49倍。水听器的原理是压电效应，通过comsol仿真可得，当第二电极层4的长宽尺寸为压电材料层3尺寸的二分之根号二倍时，可以让电荷量输出最大，减少了正负电荷中和的数量，增大输出信号。而且当压电材料层3受到声压激励产生形变时，在压电材料层3的中心和边缘会产生极性相反的感应电荷，所以第二电极层4要位于压电材料层3的上表面的中心位置。
在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，悬臂梁结构的两端分别搭接在衬底6的两根侧壁顶部。第二电极层4避开条形悬臂的搭接部位以及弧腰梯形5连接部，因为这些部分感知振动的性能不灵敏。
在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，衬底6由SOI基底制成，压电材料层3由氮化铝制成，中心质量块1由硅制成。氮化铝薄膜相对于其他压电薄膜有更低的声学阻抗，且该材料可与CMOS工艺兼容，成本相比压电陶瓷水听器显著降低，同时成品率与一致性大幅提高，使其拥有极高的性价比。衬底6采用SOI基底可减少工艺工序，提升工艺制备的可靠性。具体的，支撑层7由SOI底层硅与SOI氧化硅部分组成，且支撑层7为整体板状结构，衬底6和支撑层7的存在增加了整个水听器结构的厚度，提升了器件的可靠性，相对的提升了器件的谐振频率，从而水听器频带内的平坦度得到进一步的提高，使得水听器低频响应好、灵敏度高，满足一维方向水声检测的基本要求。
在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，还包括后端信号处理模块，后端信号处理模块包括电路放大、滤波和AD转换部分，后端信号处理模块的输入端分别与条形悬臂的第一电极层2和第二电极层4连接，后端信号处理模块可将压电材料层3产生的电荷信号通过第一电极层2和第二电极层4输出转换为数字电压信号。后端信号处理模块可将电荷信号放大、滤波和转换，进一步提高水听器的低频响应以及灵敏度。具体信号处理过程为：电路放大部分的前端有个阻抗匹配网络可先将电荷信号转换为电压信号，再将电压信号依次输入到滤波部分和AD转换部分的电路中，然后即可输出数字电压信号。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。尽管参照前述各实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离各实施例技术方案的范围，其均应涵盖权利要求书的保护范围中。
Claims (6)
1.一种悬臂梁式一维MEMS压电矢量水听器，其特征在于，包括衬底（6）和悬臂梁结构，衬底（6）为矩形框体，衬底（6）的底部固定连接有支撑层（7），悬臂梁结构连接至衬底（6）上相对的两根侧壁之间，悬臂梁结构包括中心质量块（1）和两根结构相同的条形悬臂，两根条形悬臂对称布置于中心质量块（1）的左右两端，且条形悬臂的其中一端设为弧腰梯形（5）连接部，弧腰梯形（5）连接部的较短底用于固定连接中心质量块（1）；条形悬臂从上至下包括依次叠摞且相连的第二电极层（4）、压电材料层（3）和第一电极层（2）。
2.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式一维MEMS压电矢量水听器，其特征在于，压电材料层（3）和第一电极层（2）的面积相等，第二电极层（4）的长度和宽度分别是第一电极层（2）长度和宽度的0.7倍，且第二电极层（4）位于压电材料层（3）的上表面的中心位置。
3.根据权利要求2所述的一种悬臂梁式一维MEMS压电矢量水听器，其特征在于，悬臂梁结构的两端分别搭接在衬底（6）的两根侧壁顶部。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种悬臂梁式一维MEMS压电矢量水听器，其特征在于，衬底（6）由SOI基底制成，压电材料层（3）由氮化铝制成，中心质量块（1）由硅制成。
5.根据权利要求4所述的一种悬臂梁式一维MEMS压电矢量水听器，其特征在于，还包括后端信号处理模块，后端信号处理模块包括电路放大、滤波和AD转换部分，后端信号处理模块的输入端分别与条形悬臂的第一电极层（2）和第二电极层（4）连接，后端信号处理模块可将压电材料层（3）产生的电荷信号通过第一电极层（2）和第二电极层（4）输出转换为数字电压信号。
6.根据权利要求5所述的一种悬臂梁式一维MEMS压电矢量水听器，其特征在于，支撑层（7）为整体板状结构。
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Non-Patent Citations (1)
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| 电学开路挠曲电悬臂梁自振频率分析;林晓辉 等;《力学季刊》(第02期);第165-176页 * |
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