CN209820621U - 一种具备过载保护结构的mems矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具备过载保护结构的MEMS矢量水听器，属于MEMS传感器和矢量水听器技术领域。其包括硅基感知模块和玻璃基过载保护模块，其中硅基感知模块上设置有刚性轻质柱体，玻璃基过载保护模块用于限制刚性轻质柱体的运动范围。本实用新型解决了目前同振式矢量水听器在受到外界较大冲击情况下易发生敏感元件损坏的问题，同时解决了仿生型MEMS矢量水听器纤毛型感知元件安装限位、粘结胶容易溢出的问题，是对现有技术的一种重要改进。

Description

一种具备过载保护结构的MEMS矢量水听器

技术领域

本实用新型涉及MEMS传感器和矢量水听器技术领域，尤其涉及一种具备过载保护结构的MEMS矢量水听器。

背景技术

目前，在矢量水听器领域主要分为基于压差原理的矢量水听器和基于惯性原理的同振式矢量水听器。基于压差原理的矢量水听器受限于感应原理，主要应用于高频段声矢量信号的检测，但伴随着目前对低频段声矢量信号检测需求日益强烈，基于压差原理的矢量水听器逐渐被基于惯性原理的同振式矢量水听器所取代。

基于惯性原理的同振式矢量水听器一般利用皮筋、弹簧进行悬挂安装，在水下声波激励下能够与水质点实现同频同幅运动，通过内部集成的可动振动感知元件即可对该振动信号进行感知，进而完成声矢量信号的检测。根据内部集成振动感知元件的不同，基于惯性原理的同振式矢量水听器一般又可细分为位移型、速度型、加速度型等。

但是，由于基于惯性原理的同振式矢量水听器内部集成了可动元件，大大降低了其可靠性，在使用、运输过程中如果受到撞击、跌落等较大冲击，很容易造成矢量水听器内部敏感元件的损坏，进而导致矢量水听器的失效。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提出一种具备过载保护结构的MEMS矢量水听器，其能够提高MEMS矢量水听器的抗震性能和可靠性。

为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种具备过载保护结构的MEMS矢量水听器，其包括叠置的硅基感知模块1和玻璃基过载保护模块2，所述硅基感知模块1上设置有用于感知二维方向声矢量信号的刚性轻质柱体3，所述玻璃基过载保护模块2套住所述刚性轻质柱体3从而限制刚性轻质柱体3的运动范围。

可选的，所述硅基感知模块1包括十字型敏感固支梁101、硅基框架102和限位圆筒103；所述十字型敏感固支梁101由中心连接圆盘1011和4个感应臂1012组成，所述中心连接圆盘1011位于硅基感知模块1的中心，4个感应臂1012以90°正交方式位于中心连接圆盘1011的四周，4个感应臂1012一端与中心连接圆盘1011连接，另一端与硅基框架102连接；所述限位圆筒103位于中心连接圆盘1011的下方，且几何中心与中心连接圆盘1011的几何中心重合；每个感应臂1012上均设置有2个压敏电阻105，分别为中心压敏电阻1051和边缘压敏电阻1052，中心压敏电阻1051靠近感应臂1012与中心连接圆盘1011的连接位置，边缘压敏电阻1052靠近感应臂1012与硅基框架102的连接位置；硅基框架102上设置有电引出焊盘107，压敏电阻105利用金属连接引线106与电引出焊盘107电连接；所述刚性轻质柱体3位于限位圆筒103之中，刚性轻质柱体3的底部通过粘结胶104与中心连接圆盘1011的背面连接。

可选的，所述玻璃基过载保护模块2的中央设有同轴的圆盘形运动空腔201和圆柱形限位空腔202，圆盘形运动空腔201的半径大于圆柱形限位空腔202的半径，圆柱形限位空腔202与圆盘形运动空腔201直接相连并贯穿玻璃基过载保护模块2，所述刚性轻质柱体3依次穿过圆盘形运动空腔201和圆柱形限位空腔202并露出于玻璃基过载保护模块2的外部，圆柱形限位空腔202的半径大于刚性轻质柱体3的半径。

可选的，所述刚性轻质柱体3的材质为密度范围为1~1.2g/cm³的光敏树脂。

可选的，所述中心连接圆盘1011的半径为400μm；所述感应臂1012的长度为100μm~1000μm，宽度为80μm~150μm；所述中心连接圆盘1011与所述感应臂1012的厚度一样，厚度范围为10μm~40μm；所述硅基框架102的边长为4800μm，厚度为400μm；所述限位圆筒103的外径为500μm，内径为300μm，高度为400μm。

可选的，所述玻璃基过载保护模块2的厚度为600μm，边长为4800μm；所述圆盘形运动空腔201的半径为400μm，高度为50~100μm；所述圆柱形限位空腔202的半径为300μm。

可选的，所述刚性轻质柱体3的半径为80~125μm，高度为4000~6000μm。

可选的，所述粘结胶104为紫外曝光胶。

本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型设计了一种新型的基于纤毛感应原理的MEMS矢量水听器芯片结构，芯片自带刚性轻质柱体过载保护结构，能够对刚性轻质柱体的运动幅度进行限位，进而保护与刚性轻质柱体连接的敏感臂在过大冲击下引起的断裂损坏。

2、本实用新型设计的具备过载保护结构的MEMS矢量水听器，其感应原理为：水下存在声波情况下，刚性轻质柱体在声波激励下会随水质点产生同频同幅振动，进而带动与刚性轻质柱体利用粘结胶相连接的十字型敏感固支梁产生扭摆运动，引起敏感臂产生变形，设置于十字型敏感固支梁敏感臂上的压敏电阻受到压应力/张应力作用，压敏电阻阻值会产生改变，进而利用压敏电阻组成的惠斯通电桥完成对声波的声矢量信号的检测，完成声矢量信号向电信号的转换。

总之，传统的矢量传感器除了能够感受声矢量信号之外，还能够感受到外界环境传导进来的振动信号，在使用和运输过程中，难免会由于碰撞和跌落，使得矢量水听器受到较大程度的冲击和振动，当振动幅值超过内部敏感元件可承受范围是，极易对敏感元件产生损伤，进而引起矢量水听器的损坏。而本实用新型设计的矢量水听器，其芯片内部设置了玻璃基过载保护模块，在其敏感元件（刚性轻质柱体+十字型敏感固支梁）受到过大冲击而产生较大形变的时候，芯片内部的玻璃基过载保护模块会对刚性轻质柱体的运动幅值产生限位，限制刚性轻质柱体产生过大摆幅，进而引起十字型敏感固支梁的感应臂发生断裂损伤，对矢量水听器敏感元件在较大冲击、振动作用下能够起到有效保护作用，提高的矢量水听器的应用可靠性和适用范围。

附图说明

图1为本实用新型实施例中MEMS矢量水听器的结构示意图。

图2为图1中硅基感知模块的顶视图。

图3为图1中硅基感知模块的侧视图。

图4为图1中玻璃基过载保护模块的顶视图。

图5为图1中玻璃基过载保护模块的侧视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

一种具备过载保护结构的MEMS矢量水听器，其包括用于检测二维方向声矢量信号的硅基感知模块，以及设置于硅基感知模块下方用于对硅基感知模块敏感结构实施过载保护的玻璃基过载保护模块，其中硅基感知模块上设置有刚性轻质柱体用于感知二维方向声矢量信号，玻璃基过载保护模块通过限位控制刚性轻质柱体的运动范围以实现在受到较大冲击情况下，由于刚性轻质柱体过大摆动造成硅基感知模块上十字型敏感固支梁的断裂而造成芯片损坏；硅基感知模块包括硅基框架、十字型敏感固支梁、限位圆筒、粘结胶、压敏电阻、金属连接引线和电引出焊盘；十字型敏感固支梁由中心连接圆盘和4个感应臂组成，中心连接圆盘位于硅基感知模块中心，4个感应臂以90°正交方向位于中心连接圆盘四周，4个感应臂一端与中心连接圆盘实现连接，另一端与硅基框架实现连接，限位圆筒位于中心连接圆盘下方 且几何中心与中心连接圆盘几何中心重合，粘结胶位于限位圆筒之中，与中心连接圆盘背面连接；每个感应臂上分别设置有2个压敏电阻，分别为中心压敏电阻和边缘压敏电阻，中心压敏电阻靠近感应臂与中心连接圆盘连接位置，边缘压敏电阻靠近感应臂与硅基框架连接位置；硅基框架上设置有电引出焊盘，压敏电阻利用金属连接引线与电引出焊盘实现电引线连接；玻璃基过载保护模块设置有圆盘形运动空腔和圆柱形限位空腔，圆盘形运动空腔和圆柱形限位空腔位于玻璃基过载保护模块内部，三者几何中心重合，圆盘形运动空腔位于圆柱形限位空腔上方，圆盘形运动空腔和圆柱形限位空腔直接相连贯通玻璃基过载保护模块；刚性轻质柱体设置于限位圆筒之中，底部与硅基感知模块的中心连接圆盘背面利用粘结胶实现连接，刚性轻质柱体整体贯通玻璃基过载保护模块，顶部位于玻璃基过载保护模块外部。

进一步的，刚性轻质柱体采用约等于海水密度的光敏树脂实现，密度范围为1~1.2g/cm3。

中心连接圆盘半径为400μm，感应臂长度为100μm~1000μm，宽度为80μm~150μm，中心连接圆盘与感应臂厚度一样，厚度范围为10μm~40μm；硅基框架边长为4800μm，厚度为400μm；限位圆筒外径为500μm，内径为300μm，高度为400μm。

玻璃基过载保护模块厚度为600μm，边长为4800μm；圆盘形运动空腔半径为400μm，高度为50~100μm；圆柱形限位空腔半径为300μm，高度贯通整个玻璃基过载保护模块基底。

刚性轻质柱体半径为80~125μm，高度为4000~6000μm。

粘结胶为紫外曝光胶，通过紫外线曝光可实现快速固化。

该水听器与传统基于纤毛感知原理的仿生型MEMS矢量水听器相比，其在硅基感知模块背部设置有玻璃基过载保护模块，玻璃基过载保护模块中设置有圆盘形运动空腔和圆柱形限位空腔，刚性轻质柱体穿过玻璃基过载保护模块的圆盘形运动空腔和圆柱形限位空腔延伸至玻璃基过载保护模块外部用于感知声波信息，刚性轻质柱体与圆柱形限位空腔之间保留一定空隙以便刚性轻质柱体受到声波激励后能够实现自由振动，当受到较大外部冲击后又能够限制刚性轻质柱体的运动幅度以防止过大的摆幅导致十字型敏感固支梁的感应臂断裂损坏。

具体来说，如图1～5所示，一种具备过载保护结构的MEMS矢量水听器，其包括用于检测二维方向声矢量信号的硅基感知模块1，以及设置于硅基感知模块1下方用于对硅基感知模块1敏感结构实施过载保护的玻璃基过载保护模块2，其中硅基感知模块1上设置有刚性轻质柱体3用于感知二维方向声矢量信号，玻璃基过载保护模块2通过限位控制刚性轻质柱体3的运动范围以实现在受到较大冲击情况下，由于刚性轻质柱体3过大摆动造成硅基感知模块1上十字型敏感固支梁101的断裂而造成芯片损坏。

硅基感知模块1和玻璃基过载保护模块2均可利用MEMS工艺实现，实现了声矢量感知元件的芯片化和微型化。

其中，硅基感知模块1的实现工艺如下：

1）准备SOI基片，基片规格：SOI基片为6英寸标准基片，包括硅基衬底600μm，氧化层（BOX层）1μm和顶硅基层10μm~40μm；

2）压敏电阻制备，主要工艺步骤为：利用热氧化工艺制备SiO₂层；利用光刻和RIE工艺，制备淡硼压阻图形；利用离子注入工艺实施淡硼注入形成P型压敏电阻；利用光刻和RIE工艺，制备浓硼压阻图形；利用离子注入工艺实施浓硼注入形成压敏电阻电引出区；高温退火实施压敏电阻扩散推进；

3）金属层制备，主要工艺步骤为：利用LPCVD工艺生长SiO₂层；利用LPCVD工艺生长SiN_x层；利用光刻工艺光刻电引出接触孔；利用RIE工艺正面刻蚀SiN_x层和SiO₂层，打开压敏电阻浓硼注入区域电引出区域接触窗口；李利用光刻工艺制备金属引线图形；溅射Cr/Au；利用Lift-off工艺形成金属引线线条；

4）背腔刻蚀，主要工艺步骤为：SOI硅基背面利用PECVD工艺制备SiO₂层；利用光刻工艺光刻背腔刻蚀图形；利用RIE工艺刻蚀背面SiO₂层；利用ICP工艺刻蚀SOI基片硅基衬底直至达到BOX层自停止；

5）正面图形刻蚀，主要工艺步骤为：利用光刻工艺光刻正面结构图形；利用RIE工艺刻蚀正面SiO₂层和SiN_x层；利用ICP工艺刻蚀正面顶硅基层直至达到BOX层自停止；利用RIE工艺正面刻蚀BOX层；完成硅基感知模块1的制备。

玻璃基过载保护模块2的实现工艺如下：

1）准备玻璃基片，基片规格：玻璃基片为6英寸标准基片，厚度600μm；

2）圆盘形运动空腔制备，主要工艺步骤为：利用光刻工艺完成圆盘形运动空腔图形制备；利用DRIE工艺刻蚀玻璃基片，深度50~100μm；

3）圆柱形限位空腔制备，主要工艺步骤为：利用激光刻蚀工艺在圆盘形运动空腔图形中心刻蚀玻璃基片，直至穿透，完成圆柱形限位空腔制备；完成玻璃基过载保护模块2的制备。

硅基感知模块1与玻璃基过载保护模块2之间的键合封装工艺如下：利用硅-玻璃静电键合工艺实现硅基感知模块1与玻璃基过载保护模块2的紧密连接，完成两个模块之间的封装。

刚性轻质柱体3的安装工艺如下：利用精密点胶机通过玻璃基过载保护模块2的圆柱形限位空腔实施点胶，在限位圆筒103中放置粘结胶104；利用夹爪夹持固定刚性轻质柱体3顶端，通过机械运动臂移动刚性轻质柱体3移动至封装过后的玻璃基过载保护模块2上方，利用高倍率显微镜实现刚性轻质柱体3精确定位；上下移动刚性轻质柱体3使其下端穿过玻璃基过载保护模块2直至达到限位圆筒103底部并与粘结胶104相接触；利用紫外灯照射，完成粘结胶104的固化；

至此，完成本实施例MEMS矢量水听器的工艺制备。

总之，本实用新型提出了一种具备过载保护结构的MEMS矢量水听器，其能够解决目前同振式矢量水听器在受到外界较大冲击情况下易发生敏感元件损坏的问题，同时还解决了仿生型MEMS矢量水听器纤毛型感知元件安装限位、粘结胶容易溢出的问题。

需要说明的是，以上所述仅为本实用新型的个别具体实施方式，并不用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具备过载保护结构的MEMS矢量水听器，其特征在于，包括叠置的硅基感知模块（1）和玻璃基过载保护模块（2），所述硅基感知模块（1）上设置有用于感知二维方向声矢量信号的刚性轻质柱体（3），所述玻璃基过载保护模块（2）套住所述刚性轻质柱体（3）从而限制刚性轻质柱体（3）的运动范围。

2.根据权利要求1所述的一种具备过载保护结构的MEMS矢量水听器，其特征在于，所述硅基感知模块（1）包括十字型敏感固支梁（101）、硅基框架（102）和限位圆筒（103）；所述十字型敏感固支梁（101）由中心连接圆盘（1011）和4个感应臂（1012）组成，所述中心连接圆盘（1011）位于硅基感知模块（1）的中心，4个感应臂（1012）以90°正交方式位于中心连接圆盘（1011）的四周，4个感应臂（1012）一端与中心连接圆盘（1011）连接，另一端与硅基框架（102）连接；所述限位圆筒（103）位于中心连接圆盘（1011）的下方，且几何中心与中心连接圆盘（1011）的几何中心重合；每个感应臂（1012）上均设置有2个压敏电阻（105），分别为中心压敏电阻（1051）和边缘压敏电阻（1052），中心压敏电阻（1051）靠近感应臂（1012）与中心连接圆盘（1011）的连接位置，边缘压敏电阻（1052）靠近感应臂（1012）与硅基框架（102）的连接位置；硅基框架（102）上设置有电引出焊盘（107），压敏电阻（105）利用金属连接引线（106）与电引出焊盘（107）电连接；所述刚性轻质柱体（3）位于限位圆筒（103）之中，刚性轻质柱体（3）的底部通过粘结胶（104）与中心连接圆盘（1011）的背面连接。

3.根据权利要求1所述的一种具备过载保护结构的MEMS矢量水听器，其特征在于，所述玻璃基过载保护模块（2）的中央设有同轴的圆盘形运动空腔（201）和圆柱形限位空腔（202），圆盘形运动空腔（201）的半径大于圆柱形限位空腔（202）的半径，圆柱形限位空腔（202）与圆盘形运动空腔（201）直接相连并贯穿玻璃基过载保护模块（2），所述刚性轻质柱体（3）依次穿过圆盘形运动空腔（201）和圆柱形限位空腔（202）并露出于玻璃基过载保护模块（2）的外部，圆柱形限位空腔（202）的半径大于刚性轻质柱体（3）的半径。

4.根据权利要求1所述的一种具备过载保护结构的MEMS矢量水听器，其特征在于，所述刚性轻质柱体（3）的材质为密度范围为1~1.2g/cm³的光敏树脂。

5.根据权利要求2所述的一种具备过载保护结构的MEMS矢量水听器，其特征在于，所述中心连接圆盘（1011）的半径为400μm；所述感应臂（1012）的长度为100μm~1000μm，宽度为80μm~150μm；所述中心连接圆盘（1011）与所述感应臂（1012）的厚度一样，厚度范围为10μm~40μm；所述硅基框架（102）的边长为4800μm，厚度为400μm；所述限位圆筒（103）的外径为500μm，内径为300μm，高度为400μm。

6.根据权利要求3所述的一种具备过载保护结构的MEMS矢量水听器，其特征在于，所述玻璃基过载保护模块（2）的厚度为600μm，边长为4800μm；所述圆盘形运动空腔（201）的半径为400μm，高度为50~100μm；所述圆柱形限位空腔（202）的半径为300μm。

7.根据权利要求1所述的一种具备过载保护结构的MEMS矢量水听器，其特征在于，所述刚性轻质柱体（3）的半径为80~125μm，高度为4000~6000μm。

8.根据权利要求2所述的一种具备过载保护结构的MEMS矢量水听器，其特征在于，所述粘结胶（104）为紫外曝光胶。