一种四纤毛仿生MEMS矢量水声传感器微结构

摘要

本发明公开一种四纤毛仿生MEMS矢量水声传感器微结构，包括正方形框架和架设于所述正方形框架中央的“井”字形悬梁臂，所述“井”字形悬梁臂的各段梁由宽段和对称设置于所述宽段两侧的窄段组成，所述窄段上分别设置有阻值相等的压敏电阻，所述压敏电阻共形成两组惠斯通全桥，所述两组惠斯通全桥分别测量两个相互垂直方向上的水生信号，各个正方形连接体上均固定的设置有垂直纤毛。本发明利用MEMS技术将四根仿生纤毛集成在一个芯片上，并且采用“井”字形悬梁臂结构，通过各段梁窄-宽-窄的形式，提高局部应力集中，从而提高压敏电阻的阻值变化，进而提高结构的灵敏度，解决了现有的MEMS仿生水听器灵敏度与频响范围之间的矛盾。

说明书

技术领域

本发明属于矢量水听器领域，具体涉及一种具有多段梁的四纤毛仿生 MEMS二维矢量水听器微结构。

背景技术

鉴于微电子机械系统(MEMS，Micro Electro Mechanical System)技术具有 微型化、多样化、微电子化等特点及易实现水声传感器的小型化和一致性的优 点，MEMS矢量水听器已成为当前国内外声换能器领域研究的热点之一。专利 申请号为200610012991.0的公开文件提出了一种共振隧穿仿生矢量水声传感 器，利用单只传感器实现了对水下声信号二维平面内方位的探测，虽然突破了 常规微机电器件的灵敏度和分辨率的极限状态。但是，该水听器的灵敏度和频 响范围一直存在矛盾，即若要频响范围宽些，就要降低水听器的灵敏度，从而 降低了矢量水听器的分辨率；若要提高灵敏度，就要缩小水听器的频响范围。 然而，实际工程应用中，需要水听器有一定的频响范围，所以灵敏度和频响范 围之间的矛盾直接影响了该MEMS水听器的进一步工程化应用。又如专利申请 号为201210557743.X的公开文件提出了一种四元列阵MEMS矢量水听器微结 构，可有效的消除了左右舷模糊问题，但是仍存在上述灵敏度和频响范围之间 存在矛盾的缺点。

发明内容

本发明提出一种四纤毛仿生MEMS矢量水声传感器微结构，以解决目前水 听器的灵敏度和频响范围一直存在矛盾，即若要频响范围宽些，就要降低水听 器的灵敏度，从而降低了矢量水听器的分辨率，若要提高灵敏度，就要缩小水 听器的频响范围的问题。

本发明的技术方案如下：一种四纤毛仿生MEMS矢量水声传感器微结构， 包括采用MEMS微加工技术加工获得的正方形框架和架设于所述正方形框架中 央的“井”字形悬梁臂；所述“井”字形悬梁臂的各段梁由宽段和对称设置于 所述宽段两侧的窄段组成，所述各段梁通过位于所述“井”字形悬梁臂交叉点 处的正方形连接体连接；所述窄段上分别设置有阻值相等的压敏电阻，所述压 敏电阻共形成两组惠斯通全桥，所述两组惠斯通全桥分别测量两个相互垂直方 向上的水生信号；所述位于“井”字形悬梁臂交叉点处的各个正方形连接体上 均固定的设置有垂直纤毛。

进一步的，所述“井”字形悬梁臂以任意点为坐标原点建立坐标系，沿其 任意悬臂梁方向作为X方向，与所述X方向的垂直方向作为Y方向，在所述X 方向，每个所述垂直纤毛两侧梁上的四个所述压敏电阻构成一对惠斯通全桥差 动电路，其中，每两个垂直纤毛间的梁上的所述压敏电阻为共用电阻，总共形 成四对惠斯通全桥；在所述Y方向上，所述压敏电阻的连接方式与所述X方向 的所述压敏电阻的连接方式相同，形成另外四对惠斯通全桥，在XOY平面上共 形成两组惠斯通全桥，分别用于检测所述X方向和所述Y方向的水声信号。

再进一步的，所述垂直纤毛采用与水密度接近的材料制成。

其中，所述微结构的加工材料为SOI硅圆片。

优选的，所述压敏电阻利用离子注入技术注入硼离子形成。

下面利用ANSYS Workbench14.0有限元分析软件对本发明所述微结构进行 仿真分析，综合灵敏度、频响、横向灵敏度三方面因素设定四纤毛仿生二维 MEMS矢量水听器微结构的各部分尺寸，如表1所示。

表1

“井”字梁窄段长度(um) 120 “井”字梁宽段厚度(um) 20 “井”字梁窄段宽度(um) 130 正方形连接体边长(um) 600 “井”字梁窄段厚度(um) 20 正方形连接体厚度(um) 20 “井”字梁宽段长度(um) 760 垂直纤毛高度(um) 5000 “井”字梁宽段宽度(um) 500 垂直纤毛直径(um) 200 正方形框架边长(um) 5000 正方形框架厚度(um) 300

首先对本发明所述的微结构进行静力分析，具体为建立仿真模型，在四个 所述垂直纤毛上沿所述Y轴负半轴加载1Pa的载荷，得到布放所述压敏电阻位 置处的应力值，如表2所示。

表2

还可得到正应力云图，如图4所示，以及等效应力云图，如图5所示。根 据仿真结果，利用公式

S_Ax＝S_Ay＝71.8×10^-11×σ×V_in

式中，σ为布放所述压敏电阻处梁上的应力值，单位为Pa；V_in为输入电压 幅值，单位为V，这里设V_in＝10V，可以得出所述四纤毛仿生MEMS二维矢量水 听器微结构的所述垂直纤毛在所述Y方向受载荷时Y方向的机械灵敏度和X方 向的耦合机械灵敏度，如表2所示。对传感器进行模态分析，得到前六阶结构 的谐振频率，如表3所示。

表3

模态阶数 频率(Hz) 模态阶数 频率(Hz) 1 998.63 4 1499.7 2 1364.7 5 1694.6 3 1483.2 6 1716.4

根据应力仿真和模态仿真的仿真结果，可得到所述四纤毛仿生MEMS二维 矢量水听器微结构的工作频段为0-1000Hz，能够很好的处理1KHz以下的低频 检测问题，由表2看到该结构的机械灵敏度为55.11uV/Pa，耦合机械灵敏度为 0.5852uV/Pa，所以整个结构的维间耦合为1％，所述微结构的固有频率并没有下 降太多。

有益效果：本发明利用MEMS技术将四根仿生纤毛集成在一个芯片上，并 且采用“井”字形悬梁臂结构，通过各段梁窄-宽-窄的形式，提高局部应力集中， 从而提高压敏电阻的阻值变化，进而提高结构的灵敏度，解决了现有的MEMS 仿生水听器灵敏度与频响范围之间的矛盾，即若要频响范围宽些，就要降低水 听器的灵敏度，从而降低了矢量水听器的分辨率，若要提高灵敏度，就要缩小 水听器的频响范围。

并且本发明提出的微结构为水听器组阵提供了很好的器件，与传统水听器 相比，极大地减小阵源体积。应用范围广泛，适用于军用鱼雷水雷声纳系统， 也适用于各类民用船只避障，海洋勘探等。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

图1为四纤毛仿生二维MEMS矢量水听器微结构的结构示意图；

图2为四纤毛仿生二维MEMS矢量水听器微结构的压阻排布示意图；

图3为X、Y两个方向上压敏电阻惠斯通电桥原理图；

图4为四纤毛仿生二维MEMS矢量水听器微结构正应力云图；

图5为四纤毛仿生二维MEMS矢量水听器微结构等效应力云图。

具体实施方式

如图1所示，一种四纤毛仿生MEMS矢量水声传感器微结构，包括采用 MEMS微加工技术加工获得的正方形框架5、架设于所述正方形框架5中央的 “井”字形悬梁臂9和垂直纤毛，在一些说明性的实施例中，所述垂直纤毛采 用与水密度接近的材料制成。所述“井”字形悬梁臂9的各段梁是由宽段7和 窄段8组成的，所述窄段8对称的设置所述宽段7两侧，即所述“井”字形悬 臂梁9的每段梁设计成窄-宽-窄的方式，所述各段梁通过位于所述“井”字形悬 梁臂9交叉点处的正方形连接体6连接。所述传感器微结构还包括，垂直固定 于“所述井”字形悬臂梁9交叉点处的正方形连接体6上的垂直纤毛1、垂直纤 毛2、垂直纤毛3和垂直纤毛4。在一些说明性的实施例中，可利用离子注入技 术在所述窄段8注入硼离子，形成24个压敏电阻10，所有的所述压敏电阻10 的阻值都相等，所述压敏电阻10共形成两组惠斯通全桥，所述两组惠斯通全桥 分别测量两个相互垂直方向上的水生信号。根据力学原理，截面突变处会发生 应力集中，梁的窄-宽-窄式设计方式是为了提高布放压敏单元位置的应力大小， 从而提高灵敏度，同时根据弹性理论，悬臂梁越宽，其固有频率就越高，水听 器的频响范围就越宽。

如图2所示，在所述“井”字形悬梁臂9上，以任意点为坐标原点建立坐 标系，沿其任意悬臂梁方向作为X方向，与所述X方向的垂直方向作为Y方向。 在一些说明性的实施例中，所述X方向，每个所述垂直纤毛两侧梁上的四个所 述压敏电阻10构成一对惠斯通全桥差动电路，其中，每两个垂直纤毛间的梁上 的所述压敏电阻10为共用电阻，总共形成四对惠斯通全桥，即由压敏电阻R1、 R2、R3、R4，R3、R4、R5、R6，R7、R8、R9、R10，R9、R10、R11、R12构 成四对惠斯通全桥电路，在后续电路处理中，将这四对电桥输出信号相加，以 增大输出电压，如图3所示。在所述Y方向上，所述压敏电阻10的连接方式与 所述X方向的所述压敏电阻10的连接方式相同，由于该结构具有对称性，所以 在所述Y方向形成另外四对惠斯通全桥，即由压敏电阻R13、R14、R15、R16， R15、R16、R17、R18，R19、R20、R21、R22，R21、R22、R23、R24构成四 对惠斯通电桥，在后续电路中将这四对惠斯通电桥输出信号相加，如图3所示。 这样在XOY平面内就形成了两组惠斯通电桥分别用于检测所述X方向和所述Y 方向声信号，当垂直纤毛拾取到声信号后，垂直纤毛带动所述“井”字形悬梁 臂9发生形变，梁内部的应力随梁的变形而变化，从而使所述压敏电阻10的阻 值发生变化，通过所述惠斯通全桥差动电路将阻值的变化转化为电压的变化， 实现对声信号的测量。

在一些说明性的实施例中，所述微结构的加工材料为SOI硅圆片。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变，修饰， 替代，组合，简化，均应为等效的置换方式，都应包含在本发明的保护范围内。