一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构制造技术

本发明专利技术涉及矢量水听器，具体是一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构。本发明专利技术解决了现有矢量水听器抗干扰能力差、灵敏度低的问题。一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构，包括四梁臂硅微结构、微型柱状体、中心连接体、驱动电极、检测电极；其中，四梁臂硅微结构和中心连接体均位于同一平面；微型柱状体的下端垂直固定于中心连接体的上表面中央；驱动电极的数目、检测电极的数目均为八个；第一个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构的前梁臂的上表面左前部；第二个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构的前梁臂的上表面左后部。本发明专利技术适用于水下声压信号的精确定位和测量。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及矢量水听器，具体是一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构。本专利技术解决了现有矢量水听器抗干扰能力差、灵敏度低的问题。一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构，包括四梁臂硅微结构、微型柱状体、中心连接体、驱动电极、检测电极；其中，四梁臂硅微结构和中心连接体均位于同一平面；微型柱状体的下端垂直固定于中心连接体的上表面中央；驱动电极的数目、检测电极的数目均为八个；第一个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构的前梁臂的上表面左前部；第二个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构的前梁臂的上表面左后部。本专利技术适用于水下声压信号的精确定位和测量。【专利说明】一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构
本专利技术涉及矢量水听器，具体是一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构。
技术介绍
作为声呐系统的重要部件之一，矢量水听器广泛应用于水下声压信号的精确定位 和测量。目前，矢量水听器根据其敏感转换元件的不同可分为以下两种：第一种矢量水听器 的敏感转换元件采用共振隧穿二极管RTD(例如中国专利ZL200610012991. 0所公开的一种 共振隧穿仿生矢量水声传感器)。此种矢量水听器具有频响效果好、灵敏度高的优点，但其 在工作过程中受温度及环境噪音影响很大，因而其存在抗干扰能力差的问题。第二种矢量 水听器的敏感转换元件采用压敏电阻(例如中国专利ZL200810079372. 2所公开的一种微 纳仿生矢量水声传感器的封装结构)。此种矢量水听器具有体积小、成本低、工艺简单的优 点，但其存在灵敏度低的问题。基于此，有必要专利技术一种全新的矢量水听器，以解决现有矢 量水听器抗干扰能力差、灵敏度低的问题。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有矢量水听器抗干扰能力差、灵敏度低的问题，提供了一种高 灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构。 本专利技术是采用如下技术方案实现的：一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构， 包括四梁臂硅微结构、微型柱状体、中心连接体、驱动电极、检测电极；其中，四梁臂硅微结 构和中心连接体均位于同一平面；微型柱状体的下端垂直固定于中心连接体的上表面中 央；驱动电极的数目、检测电极的数目均为八个；第一个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构 的前梁臂的上表面左前部；第二个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构的前梁臂的上表面左后 部；第三个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构的左梁臂的上表面左后部；第四个驱动电极铺 设于四梁臂硅微结构的左梁臂的上表面右后部；第五个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构的 后梁臂的上表面左前部；第六个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构的后梁臂的上表面左后 部；第七个驱动电极铺设于四梁臂硅微结构的右梁臂的上表面左后部；第八个驱动电极铺 设于四梁臂硅微结构的右梁臂的上表面右后部；第二个驱动电极的极性与第一个驱动电极 的极性相反；第五个驱动电极的极性与第二个驱动电极的极性相反；第六个驱动电极的极 性与第五个驱动电极的极性相反；第四个驱动电极的极性与第三个驱动电极的极性相反； 第七个驱动电极的极性与第四个驱动电极的极性相反；第八个驱动电极的极性与第七个驱 动电极的极性相反；第一个检测电极铺设于四梁臂硅微结构的前梁臂的上表面右前部；第 二个检测电极铺设于四梁臂硅微结构的前梁臂的上表面右后部；第三个检测电极铺设于四 梁臂硅微结构的左梁臂的上表面左前部；第四个检测电极铺设于四梁臂硅微结构的左梁臂 的上表面右前部；第五个检测电极铺设于四梁臂硅微结构的后梁臂的上表面右前部；第六 个检测电极铺设于四梁臂硅微结构的后梁臂的上表面右后部；第七个检测电极铺设于四梁 臂硅微结构的右梁臂的上表面左前部；第八个检测电极铺设于四梁臂硅微结构的右梁臂的 上表面右前部。 工作时，将八个驱动电极均与外部电源连接，将八个检测电极均与外部谐振频率 检测电路连接。在外部电源的驱动下，四梁臂硅微结构的四个梁臂(前梁臂、左梁臂、后梁 臂、右梁臂）同时进行谐振(如图5所示)，外部谐振频率检测电路由此检测出四个梁臂的谐 振频率。具体工作过程如下：在水下声压信号的作用下，微型柱状体发生偏斜，并导致四梁 臂硅微结构产生形变，四梁臂硅微结构的四个梁臂上由此产生应力。在该应力的作用下，四 个梁臂的谐振频率发生改变，外部谐振频率检测电路由此检测出四个梁臂的谐振频率的改 变量。根据四个梁臂的谐振频率的改变量，即可解算出被测水下声压信号的大小，由此实现 水下声压信号的精确定位和测量。 基于上述过程，与现有MEMS矢量水听器相比，本专利技术所述的一种高灵敏度谐振式 MEMS矢量水听器结构具有如下优点：其一，与第一种矢量水听器相比，本专利技术所述的一种 高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构的敏感转换元件不再采用共振隧穿二极管RTD，而是 采用谐振式敏感单元。相较于共振隧穿二极管RTD，谐振式敏感单元输出的是频率信号，而 频率信号是一种准数字信号，其不易受到温度及环境噪音的影响。因此，本专利技术所述的一种 高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构的抗干扰能力更强。其二，与第二种矢量水听器相 t匕，本专利技术所述的一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构的敏感转换元件不再采用压 敏电阻，而是采用谐振式敏感单元。相较于压敏电阻，谐振式敏感单元能够将水下声压信号 直接转换为频率信号，其灵敏度比压敏电阻的灵敏度至少高一个数量级。因此，本专利技术所述 的一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构的灵敏度更高。综上所述，本专利技术所述的一种 高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构通过采用全新结构，有效解决了现有矢量水听器抗 干扰能力差、灵敏度低的问题。 本专利技术有效解决了现有矢量水听器抗干扰能力差、灵敏度低的问题，适用于水下 声压信号的精确定位和测量。 【专利附图】【附图说明】 图1是本专利技术的立体结构示意图。 图2是本专利技术的平面结构示意图。 图3是本专利技术的四梁臂硅微结构的梁臂、驱动电极、检测电极的截面结构示意图。 图4是本专利技术的第三个驱动电极、第四个驱动电极、第七个驱动电极、第八个驱动 电极的电压极性示意图。 图5是本专利技术中在外部电源的驱动下四梁臂硅微结构的左梁臂和右梁臂的谐振 示意图。 图中：1-四梁臂硅微结构，2-微型柱状体，3-中心连接体，4-驱动电极，5-检测电 极，6-Si 层，7-Si02 层，8-Pt/Ti 层，9-PZT 压电薄膜，ΙΟ-Au 层。 【具体实施方式】 一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构，包括四梁臂硅微结构1、微型柱状体 2、中心连接体3、驱动电极4、检测电极5 ; 其中，四梁臂硅微结构1和中心连接体3均位于同一平面；微型柱状体2的下端垂直固 定于中心连接体3的上表面中央；驱动电极4的数目、检测电极5的数目均为八个； 第一个驱动电极4铺设于四梁臂硅微结构1的前梁臂的上表面左前部；第二个驱动电 极4铺设于四梁臂硅微结构1的前梁臂的上表面左后部；第三个驱动电极4铺设于四梁臂 硅微结构1的左梁臂的上表面左后部；第四个驱动电极4铺设于四梁臂硅微结构1的左梁 臂的上表面右后部；第五个驱动电极4铺设于四梁臂硅微结构1的后梁臂的上表面左前部； 第六个驱动电极4铺设于四梁臂硅微结构1的后梁臂的上表面左后部；第七个驱动电极4 铺设于四梁臂硅微结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高灵敏度谐振式MEMS矢量水听器结构，其特征在于：包括四梁臂硅微结构（1）、微型柱状体（2）、中心连接体（3）、驱动电极（4）、检测电极（5）；其中，四梁臂硅微结构（1）和中心连接体（3）均位于同一平面；微型柱状体（2）的下端垂直固定于中心连接体（3）的上表面中央；驱动电极（4）的数目、检测电极（5）的数目均为八个；第一个驱动电极（4）铺设于四梁臂硅微结构（1）的前梁臂的上表面左前部；第二个驱动电极（4）铺设于四梁臂硅微结构（1）的前梁臂的上表面左后部；第三个驱动电极（4）铺设于四梁臂硅微结构（1）的左梁臂的上表面左后部；第四个驱动电极（4）铺设于四梁臂硅微结构（1）的左梁臂的上表面右后部；第五个驱动电极（4）铺设于四梁臂硅微结构（1）的后梁臂的上表面左前部；第六个驱动电极（4）铺设于四梁臂硅微结构（1）的后梁臂的上表面左后部；第七个驱动电极（4）铺设于四梁臂硅微结构（1）的右梁臂的上表面左后部；第八个驱动电极（4）铺设于四梁臂硅微结构（1）的右梁臂的上表面右后部；第二个驱动电极（4）的极性与第一个驱动电极（4）的极性相反；第五个驱动电极（4）的极性与第二个驱动电极（4）的极性相反；第六个驱动电极（4）的极性与第五个驱动电极（4）的极性相反；第四个驱动电极（4）的极性与第三个驱动电极（4）的极性相反；第七个驱动电极（4）的极性与第四个驱动电极（4）的极性相反；第八个驱动电极（4）的极性与第七个驱动电极（4）的极性相反；第一个检测电极（5）铺设于四梁臂硅微结构（1）的前梁臂的上表面右前部；第二个检测电极（5）铺设于四梁臂硅微结构（1）的前梁臂的上表面右后部；第三个检测电极（5）铺设于四梁臂硅微结构（1）的左梁臂的上表面左前部；第四个检测电极（5）铺设于四梁臂硅微结构（1）的左梁臂的上表面右前部；第五个检测电极（5）铺设于四梁臂硅微结构（1）的后梁臂的上表面右前部；第六个检测电极（5）铺设于四梁臂硅微结构（1）的后梁臂的上表面右后部；第七个检测电极（5）铺设于四梁臂硅微结构（1）的右梁臂的上表面左前部；第八个检测电极（5）铺设于四梁臂硅微结构（1）的右梁臂的上表面右前部。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王任鑫，张国军，薛晨阳，张文栋，刘俊，熊继军，简泽明，刘梦然，郭楠，王续博，曾瑞，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14