基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器

摘要

本发明涉及MEMS矢量水声传感器，具体是一种基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器。本发明解决了现有MEMS矢量水声传感器抗流噪声性能差、灵敏度低、抗冲击性能差、质量重、声阻抗与水不匹配、以及加工制作困难的问题。基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器包括基底、框形基座、悬臂梁、质量块、空心玻璃柱体、内侧PZT压电薄膜、以及外侧PZT压电薄膜；其中，框形基座的下端面键合于基底的上表面；悬臂梁的外端面固定于框形基座的内表面；质量块固定于悬臂梁的内端面，且质量块的上表面中央垂直开设有圆孔；空心玻璃柱体的下端键合于圆孔内；内侧PZT压电薄膜旋涂于悬臂梁的内端上表面。本发明适用于水声传感。

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS矢量水声传感器，具体是一种基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器。

背景技术

MEMS矢量水声传感器因其具有体积小、灵敏度高、矢量性和一致性好、低成本、刚性安装、使用方便等一系列优点，而被广泛应用于各个领域。现有MEMS矢量水声传感器主要包括压阻式MEMS矢量水声传感器和压电陶瓷MEMS矢量水声传感器。其中，压阻式MEMS矢量水声传感器是一种基于压阻原理的MEMS矢量水声传感器，其具有体积小、测量范围广等优点，但其为有源器件，需要外接电源，因而其存在抗流噪声性能差、灵敏度低的问题。压电陶瓷MEMS矢量水声传感器是一种基于压电效应的MEMS矢量水声传感器，其具有低噪声、高动态测试范围、灵敏度高等优点，但其存在抗冲击性能差、质量重、声阻抗与水不匹配、加工制作困难的问题。基于此，有必要发明一种优化的MEMS矢量水声传感器，以解决现有MEMS矢量水声传感器抗流噪声性能差、灵敏度低、抗冲击性能差、质量重、声阻抗与水不匹配、以及加工制作困难的问题。

发明内容

本发明为了解决现有MEMS矢量水声传感器抗流噪声性能差、灵敏度低、抗冲击性能差、质量重、声阻抗与水不匹配、以及加工制作困难的问题，提供了一种基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器。

本发明是采用如下技术方案实现的：基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器，包括基底、框形基座、悬臂梁、质量块、空心玻璃柱体、内侧PZT压电薄膜、以及外侧PZT压电薄膜；其中，框形基座的下端面键合于基底的上表面；悬臂梁的外端面固定于框形基座的内表面；质量块固定于悬臂梁的内端面，且质量块的上表面中央垂直开设有圆孔；空心玻璃柱体的下端键合于圆孔内；内侧PZT压电薄膜旋涂于悬臂梁的内端上表面；外侧PZT压电薄膜旋涂于悬臂梁的外端上表面；内侧PZT压电薄膜的底电极与外侧PZT压电薄膜的底电极相互共用；内侧PZT压电薄膜的顶电极与外侧PZT压电薄膜的顶电极相互断开。

工作时，本发明所述的基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器以鱼类的侧线器官为原型，通过空心玻璃柱体模仿鱼类的可动纤毛，通过PZT压电薄膜模仿鱼类的感觉细胞，通过空心玻璃柱体与声学介质的质点同步振动来拾取声压信号。具体工作过程如下：当空心玻璃柱体与声学介质的质点同步振动时，空心玻璃柱体带动质量块进行运动，质量块带动悬臂梁发生弯曲形变，使得内侧PZT压电薄膜的内部和外侧PZT压电薄膜的内部均产生极化现象，内侧PZT压电薄膜的极化表面和外侧PZT压电薄膜的极化表面均出现电荷，由此将质点同步振动信号（即声压信号）转换成电信号。在此过程中，悬臂梁的内端受到的作用力与外端受到的作用力相反（分别为拉应力和压应力），内侧PZT压电薄膜的极化表面出现的电荷与外侧PZT压电薄膜的极化表面出现的电荷正负相反，如图4所示。通过共用底电极、断开顶电极的方式，能够实现内侧PZT压电薄膜与外侧PZT压电薄膜之间的串联，由此能够增大电信号。基于上述过程，与现有MEMS矢量水声传感器相比，本发明所述的基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器具有如下优点：其一，与压阻式MEMS矢量水声传感器相比，本发明所述的基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器为无源器件，不需要外接电源，因而其抗流噪声性能更好、灵敏度更高。其二，与传统压电陶瓷MEMS矢量水声传感器相比，本发明所述的基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器的抗冲击性能更好、质量更轻、声阻抗与水更匹配、加工制作更容易。综上所述，本发明所述的基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器通过采用优化结构，有效解决了现有MEMS矢量水声传感器抗流噪声性能差、灵敏度低、抗冲击性能差、质量重、声阻抗与水不匹配、以及加工制作困难的问题，其具有三维矢量性，能够实现对x、y、z三个方向的三维空间声压信号进行精确感知和定向。

进一步地，框形基座上固定有外接引线键合焊盘；内侧PZT压电薄膜的极化表面与外接引线键合焊盘之间、外侧PZT压电薄膜的极化表面与外接引线键合焊盘之间均连接有引线。工作时，通过引线和外接引线键合焊盘，能够将电信号输出。

本发明有效解决了现有MEMS矢量水声传感器抗流噪声性能差、灵敏度低、抗冲击性能差、质量重、声阻抗与水不匹配、以及加工制作困难的问题，适用于水声传感。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的平面结构示意图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是本发明的悬臂梁的受力分析和电荷分布示意图。

图中：1-基底，2-框形基座，3-悬臂梁，4-质量块，5-空心玻璃柱体，6-内侧PZT压电薄膜，7-外侧PZT压电薄膜。

具体实施方式

基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器，包括基底1、框形基座2、悬臂梁3、质量块4、空心玻璃柱体5、内侧PZT压电薄膜6、以及外侧PZT压电薄膜7；其中，框形基座2的下端面键合于基底1的上表面；悬臂梁3的外端面固定于框形基座2的内表面；质量块4固定于悬臂梁3的内端面，且质量块4的上表面中央垂直开设有圆孔；空心玻璃柱体5的下端键合于圆孔内；内侧PZT压电薄膜6旋涂于悬臂梁3的内端上表面；外侧PZT压电薄膜7旋涂于悬臂梁3的外端上表面；内侧PZT压电薄膜6的底电极与外侧PZT压电薄膜7的底电极相互共用；内侧PZT压电薄膜6的顶电极与外侧PZT压电薄膜7的顶电极相互断开。

框形基座2上固定有外接引线键合焊盘；内侧PZT压电薄膜6的极化表面与外接引线键合焊盘之间、外侧PZT压电薄膜7的极化表面与外接引线键合焊盘之间均连接有引线。

具体实施时，悬臂梁3的数目、内侧PZT压电薄膜6的数目、外侧PZT压电薄膜7的数目均为四个；四个悬臂梁3的外端面分别对称固定于框形基座2的内表面；质量块4同时固定于四个悬臂梁3的内端面；四个内侧PZT压电薄膜6一一对应旋涂于四个悬臂梁3的内端上表面；四个外侧PZT压电薄膜7一一对应旋涂于四个悬臂梁3的外端上表面。工作时，悬臂梁、内侧PZT压电薄膜、外侧PZT压电薄膜的数目设置能够使得压电转换效率即质点同步振动信号转换成电信号的效率达到最大，由此能够有效提高灵敏度和工作可靠性。