CN105606201B - 复合式mems仿生水听器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种复合式MEMS仿生水听器，解决现有MEMS矢量水听器只能测声场矢量信息、灵敏度和频率响应带宽均不理想以及左右舷模糊等问题。本发明水听器包括由底层硅、氧化绝缘层和顶层硅，在顶层硅上均布四组四梁纤毛式声电换能结构，四组四梁纤毛式声电换能结构正下方的氧化绝缘层被刻蚀掉；氧化绝缘层上均布有四个空腔，顶层硅及底层硅上正对每个空腔的位置溅射有上、下电极，顶层硅上围绕每个上电极均布四个与空腔相通的注油孔。本发明水听器结构简单，极大的拓宽了有效频带范围，单片集成便于安装和测试，提高了安装精度，最终以单个传感器实现了小体积内的传感器组阵，克服了在传统的组阵中的各个水听器的不一致性。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS仿生水听器技术领域，具体是一种复合式MEMS仿生水听器。
背景技术
矢量传感器具有对水下声源目标进行定位的作用，可以适用于各类民用船只避障，渔业捕捞，海洋勘探的重要设备。随着微机电MEMS产业的兴起，矢量水听器逐渐向微型化、集成化方向发展，具有广泛的军事和民用前景。由于现有MEMS矢量水听器只能测声场矢量信息且灵敏度和频率响应带宽均不理想，存在左右舷模糊等缺陷。然而在同一个测试过程中，往往会遇到很多所需测量的声源信号的大小和频率各不相同的情况，并且需要对声信号进行准确的定位。在这些场合中用一个矢量水听器很难满足测试要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有MEMS矢量水听器只能测声场矢量信息、灵敏度和频率响应带宽均不理想以及左右舷模糊等问题，而提供一种复合式MEMS仿生水听器。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种复合式MEMS仿生水听器，包括圆形的底层硅，在底层硅上氧化有氧化绝缘层，氧化绝缘层上键合有圆形的顶层硅（顶层硅也称薄膜）；顶层硅的中部按行列形式布置有四组四梁纤毛式声电换能结构，四组四梁纤毛式声电换能结构以顶层硅的圆心对称布置，四组四梁纤毛式声电换能结构正下方的氧化绝缘层被刻蚀掉，其中，所述的四梁纤毛式声电换能结构包括开设于顶层硅上的正方形窗口，正方形窗口的中心处设有正方形的中心连接体，中心连接体的四边通过四根悬臂梁与正方形窗口的四边连接，中心连接体上设有纤毛，悬臂梁的两端分别设有一个压敏电阻，其中四个压敏电阻组成探测X方向信号的惠斯通电桥、剩余四个压敏电阻组成探测Y方向信号的惠斯通电桥（正方形窗口、中心连接体、悬臂梁、纤毛及压敏电阻是通过MEMS工艺及扩散工艺制作而成的）；四组四梁纤毛式声电换能结构的四根纤毛长短不等（纤毛的密度与水接近）；氧化绝缘层上在其周缘处均布有四个被氧化刻蚀的空腔，顶层硅的顶面上正对每个空腔的位置分别溅射有上电极，底层硅的底面上正对每个空腔的位置分别溅射有下电极上、下电极的直径均小于空腔的直径；顶层硅上围绕每个上电极的四周都均布有四个贯穿顶层硅且与空腔相通的注油孔。
本发明设计的是一种单片集成的压敏硅微电容和纤毛与十字梁换能微结构的高灵敏度宽量程水听器，该单片集成复合量程矢量水听器中的矢量水听器采用四梁纤毛式声电换能结构，并将四梁纤毛式声电换能结构设置成阵列形式，四个四梁纤毛式声电换能结构对称布置，且各个结构的纤毛长短不一，在结构上各路的惠斯通电桥之间都采用并联形式；声压水听器采用电容式换能结构，为提高其承压性能在薄膜（薄膜即指顶层硅，下同）上每个空腔处开四个注油孔，保持薄膜内外动水压的平衡。
作为优选方案，上、下电极的直径为空腔直径的一半。经过大量的理论分析和不断的试验验证，发现当上、下电极的直径均为空腔直径的一半时，其灵敏度和转换率达到最佳的平衡效果。
作为优选方案，顶层硅上围绕每个上电极及其四个注油孔外刻蚀有环形隔离槽，环形隔离槽的直径大于其对应的空腔的直径。这样设计的优点为：顶层硅为半导体，通过环形隔离槽划开可以避免产生过大的寄生电容；顶层硅薄膜结构相对独立，振动特性不受周围影响。
传统的MEMS矢量水听器仅能接收到矢量信息，且指向性具有对称性（图3），存在左右舷模糊的问题，当其与声压信号联合处理时（图4），左右舷模糊的问题就不存在了。
本发明水听器中的矢量部分：
利用ANSYS有限元软件详细分析，确定了微结构的尺寸：中心连接体的边长为600μm、厚度为40μm，悬臂梁的长度为1000μm、宽度为120μm、厚度为40μm。
本发明水听器中的电容部分：
当外部声波信号作用于薄膜表面，引起薄膜振动发生挠曲，上下电极间因挠曲带动电极间距的改变，从而产生交变电容。通过四臂阻抗电路，实现电容变化的检测到输出电压的变化的检测，从而实现声能到电能的转化。低频电容传感器的谐振频率是该电容传感器设计的出发点，因此确定其谐振频率对该低频电容传感器十分重要。对于一个周边固支的圆形薄板来说，薄板最低的谐振频率公式为：
通过ANASYS workbench 14.5对电容的薄膜结构建立了有限元分析模型，通过仿真来验证理论分析及确定电容尺寸参数：薄膜（即圆形的顶层硅）的直径为2mm、厚度为0.002mm，氧化绝缘层上的空腔高度为2μm，注油孔的直径为0.2mm。对薄膜结构进行应力分析、模态分析以及路径分析。得到其一阶模态图（图5）和位移图（图6），从而得出薄膜结构的固有频率和形变量。该薄膜上的注油孔结构与空腔构成的赫姆霍兹共振腔的的频率为2.38MHz，远远大于工作频率为3K的低频电容传感器。由此可以看出，该赫姆霍兹共振吸声结构对该低频电容传感器的工作不构成影响。在无外界超声声压信号作用时，该低频电容的绝对电容值为5.09pF，外加10V电压，在1Pa作用力下的电容值为5.24pF，则电容变化量为0.15pF，可得到该低频电容传感器的灵敏度为-142.7dB。
本发明是将电容水听器与矢量水听器集成到一起从而使得该复合水听器既能测矢量信息又能测标量信息。本发明水听器由于能同步同位测声场声压及声压梯度信息，解决了现有水听器左右舷模糊的问题。本发明复合式MEMS仿生水听器结构简单，极大的拓宽了有效频带范围，单片集成便于安装和测试，提高了安装精度，最终以单个传感器实现了小体积内的传感器组阵，克服了在传统的组阵中的各个水听器的不一致性。以其生产加工的矢量传感器应用范围广阔，可以适用于各类民用船只避障，渔业捕捞，海洋勘探的重要设备。
附图说明
图1为本发明水听器的结构示意图。
图2为图1中的A-A剖视图。
图3为传统MEMS矢量水听器指向性图。
图4为振速信号与声压信号联合处理指向性图。
图5为电容水听器模型的一阶模态图。
图6为电容水听器模型的位移图。
图中：1-底层硅、2-氧化绝缘层、3-顶层硅、4-四梁纤毛式声电换能结构、4-1-悬臂梁、4-2-纤毛、4-3-中心连接体、4-4-正方形窗口、5-空腔、6-上电极、7-下电极、8-注油孔、9-环形隔离槽。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的说明：
如图1、2所示，一种复合式MEMS仿生水听器，包括圆形的底层硅1，在底层硅1上氧化有氧化绝缘层2，氧化绝缘层2上键合有圆形的顶层硅3；顶层硅3的中部按行列形式布置有四组四梁纤毛式声电换能结构4，四组四梁纤毛式声电换能结构4以顶层硅3的圆心对称布置，其中，所述的四梁纤毛式声电换能结构4包括开设于顶层硅3上的正方形窗口4-4，正方形窗口4-4的中心处设有正方形的中心连接体4-3，中心连接体4-3的四边通过四根悬臂梁4-1与正方形窗口4-4的四边连接，中心连接体4-3上设有纤毛4-2，悬臂梁4-1的两端分别设有一个压敏电阻，其中四个压敏电阻组成探测X方向信号的惠斯通电桥、剩余四个压敏电阻组成探测Y方向信号的惠斯通电桥；四组四梁纤毛式声电换能结构4正下方的氧化绝缘层2被刻蚀掉；四组四梁纤毛式声电换能结构4的四根纤毛4-2长短不等；氧化绝缘层2上在其周缘处均布有四个被氧化刻蚀的空腔5，顶层硅3的顶面上正对每个空腔5的位置分别溅射有上电极6，底层硅1的底面上正对每个空腔5的位置分别溅射有下电极7，上、下电极6、7的直径均小于空腔5的直径；顶层硅3上围绕每个上电极6的四周都均布有四个贯穿顶层硅3且与空腔5相通的注油孔8。
具体实施时，上、下电极6、7的直径为空腔5直径的一半；顶层硅3上围绕每个上电极6及其四个注油孔8外刻蚀有环形隔离槽9，环形隔离槽9的直径大于其对应的空腔5的直径。四梁纤毛式声电换能结构4中，中心连接体4-3的边长为600μm、厚度为40μm，悬臂梁4-1的长度为1000μm、宽度为120μm、厚度为40μm；圆形的顶层硅3的直径为2mm、厚度为0.002mm，氧化绝缘层2上的空腔5高度为2μm，注油孔8的直径为0.2mm。
Claims (5)
1.一种复合式MEMS仿生水听器，其特征在于：包括圆形的底层硅（1），在底层硅（1）上氧化有氧化绝缘层（2），氧化绝缘层（2）上键合有圆形的顶层硅（3）；顶层硅（3）的中部按行列形式布置有四组四梁纤毛式声电换能结构（4），四组四梁纤毛式声电换能结构（4）以顶层硅（3）的圆心对称布置，其中，所述的四梁纤毛式声电换能结构（4）包括开设于顶层硅（3）上的正方形窗口（4-4），正方形窗口（4-4）的中心处设有正方形的中心连接体（4-3），中心连接体（4-3）的四边通过四根悬臂梁（4-1）与正方形窗口（4-4）的四边连接，中心连接体（4-3）上设有纤毛（4-2），悬臂梁（4-1）的两端分别设有一个压敏电阻，其中四个压敏电阻组成探测X方向信号的惠斯通电桥、剩余四个压敏电阻组成探测Y方向信号的惠斯通电桥；四组四梁纤毛式声电换能结构（4）正下方的氧化绝缘层（2）被刻蚀掉；四组四梁纤毛式声电换能结构（4）的四根纤毛（4-2）长短不等；氧化绝缘层（2）上在其周缘处均布有四个被氧化刻蚀的空腔（5），顶层硅（3）的顶面上正对每个空腔（5）的位置分别溅射有上电极（6），底层硅（1）的底面上正对每个空腔（5）的位置分别溅射有下电极（7），上、下电极（6、7）的直径均小于空腔（5）的直径；顶层硅（3）上围绕每个上电极（6）的四周都均布有四个贯穿顶层硅（3）且与空腔（5）相通的注油孔（8）。
2.根据权利要求1所述的复合式MEMS仿生水听器，其特征在于：上、下电极（6、7）的直径为空腔（5）直径的一半。
3.根据权利要求1或2所述的复合式MEMS仿生水听器，其特征在于：顶层硅（3）上围绕每个上电极（6）及其四个注油孔（8）外刻蚀有环形隔离槽（9），环形隔离槽（9）的直径大于其对应的空腔（5）的直径。
4.根据权利要求1或2所述的复合式MEMS仿生水听器，其特征在于：四梁纤毛式声电换能结构（4）中，中心连接体（4-3）的边长为600μm、厚度为40μm，悬臂梁（4-1）的长度为1000μm、宽度为120μm、厚度为40μm；圆形的顶层硅（3）的直径为2mm、厚度为0.002mm，氧化绝缘层（2）上的空腔（5）高度为2μm，注油孔（8）的直径为0.2mm。
5.根据权利要求3所述的复合式MEMS仿生水听器，其特征在于：四梁纤毛式声电换能结构（4）中，中心连接体（4-3）的边长为600μm、厚度为40μm，悬臂梁（4-1）的长度为1000μm、宽度为120μm、厚度为40μm；圆形的顶层硅（3）的直径为2mm、厚度为0.002mm，氧化绝缘层（2）上的空腔（5）高度为2μm，注油孔（8）的直径为0.2mm。
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