一种三维压电矢量水听器微结构制造技术

一种三维压电矢量水听器微结构，它包括用于感知水流信号大小和方位的敏感单元；该敏感单元呈⊥形状，包含弹性模量较小的衬底（5），其上为具有双面电极的压电材料阵列和位于压电材料阵列中心的竖直微柱（1），该压电材料阵列由上而下包括上电极（2）、压电材料层（3）和底部电极（4）；该竖直微柱（1）是圆柱形状，其根部与压电材料结合，该上电极图形化分离或者上电极和压电材料层都图形化分离，成为“田”字形阵列，能输四个信号；若压电材料层分离，则四个信号各自独立；当有水流冲击时，竖直微圆柱感应冲击力发生变形，此时压电材料将会输出电压信号。本发明专利技术是单片集成，具有高灵敏度、低功耗、易于微型化的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种三维压电矢量水听器微结构
本专利技术涉及传感器领域中的水听器，具体是涉及一种三维压电矢量水听器微结构。技术背景现有三维矢量水听器大多数在进行微型化设计的时候，没有考虑到结构的强度，普遍结构非常纤细单薄，其耐用度差，实用性不强。例如专利号为CN103064060A的中国专利公开了一种“四元阵列MEMS矢量水听器微结构”，采用了镂空的十字形悬臂梁结构，每个十字形悬臂梁中心固定有细而长的微型柱状体，结构较为复杂。以及专利号为CN102103013A的中国专利公开了一种“三维矢量水听器”，也采用了类似的镂空悬臂梁和细长柱状体组合的形式。上述两个专利技术均实现了单片集成式的三维矢量水听器，但是结构过于单薄，使用时无法同时照顾到灵敏度和耐用度，实用性并不强。
技术实现思路
1、目的：为了解决现有微型三维矢量水听器灵敏度和耐用度的矛盾，本专利技术提供了一种三维压电矢量水听器微结构。它克服了现有技术的不足，是一种结构简单新颖，避免了过多纤细的、刚度和强度差的结构。2、技术方案：本专利技术是用如下技术方案实现的：一种三维压电矢量水听器微结构，包括用于感知水流信号大小和方位的敏感单元。该敏感单元呈⊥形状，它包含弹性模量较小的衬底5，其上为具有双面电极的压电材料阵列和位于压电材料阵列中心的竖直微柱1。该压电材料阵列由上而下包括上电极2、压电材料层3和底部电极4。该竖直微柱1是圆柱形状，其材质是SU-8光刻胶。上电极图形化分离或者上电极和压电材料层都图形化分离，成为“田”字形阵列，可以输四个信号。若压电材料层分离，则四个信号各自独立性更高。位于压电材料阵列中心的竖直微柱，其根部与压电材料层结合。当有水流冲击时，竖直微圆柱可以感应冲击力发生变形，此时压电材料层将会输出电压信号。其中，所述的三维压电矢量水听器微结构，包括多种演化结构：有衬底（5）；没有衬底（5）；上电极（2）分离但压电材料层（3）不分离；上电极（2）和压电材料层（3）均分离。其中，所述的压电材料阵列（2、3、4组合）包括多种演化方式：4象限；6象限；8象限等。其中，所述的压电材料层（3）材料是PVDF、P(VDF-TrFE)、VDF2、PZT复合材料中的一种。其中，所述的衬底（5）材料是PDMS、PVC、PS、橡胶、硅橡胶、有机玻璃中的一种。其中，所述的上电极（2）、下电极（4）材料是金属电极、导电树脂、导电胶中的一种。。3、优点及功效：本专利技术所述的三维压电矢量水听器微结构是单片集成的，易于微型化。可以实现二维平面上的水声检测和辨向，也可以组合为三维的矢量水听器，并且冗余的维度信号可以用于矫正，保证探测的精度。结构简单新颖，避免了过多纤细的、刚度和强度差的结构，而且无论从材料还是结构上都可以用当前成熟的MEMS一体化加工工艺加工制造，适合大批量生产。应用范围非常广阔。附图说明图1是本专利技术的基本结构示意图；图2Ⅰ为压电材料层不分离、没有衬底的结构；图2Ⅱ为压电材料层分离、没有衬底的结构；图2Ⅲ为压电材料层不分离、有衬底的结构；图2Ⅳ为压电材料层分离、有衬底的结构；图3Ⅰ上部电极和压电材料层分离为四象限形式；图3Ⅱ上部电极和压电材料层分离为六象限形式；图3Ⅲ上部电极和压电材料层分离为八象限形式；图4是本专利技术在压电层图形化、有衬底的结构下，用ComsolMultiphysics4.3b有限元仿真软件建立的仿真模型在受到沿着X轴方向10Pa单位面积力载荷的情况，压电材料产生电势的云图。图5是本专利技术在压电层图形化、有衬底的结构下，微圆柱外侧受到大小为0Pa～20Pa载荷的情况，用ComsolMultiphysics4.3b仿真得到的电极a、b产生的平均电势二维曲线图。图6是本专利技术压电层图形化、有衬底的结构，不同衬底的弹性模量值，微圆柱外侧受到大小为0Pa～20Pa载荷的情况，用ComsolMultiphysics4.3b仿真得到的电极a产生的平均电势二维曲线图。图7是本专利技术压电层图形化、有衬底的结构，微圆柱外侧受到大小为10Pa、方向与X轴夹角0～360°的情况下，四个电极产生的平均电势二维曲线图。图8是本专利技术压电层图形化、有衬底的结构，微圆柱外侧受到大小为10Pa，电极a的频率指向性示意图。图中：1-竖直微柱；2-上电极；3-压电材料层；4-底部电极；5-衬底；a-电极a；b-电极b；c-电极c；d-电极d。具体实施方式如图1所示，三维矢量水听器微结构，包括用于感知水流信号大小和方位的敏感单元。该单元包含弹性模量较小的衬底5，其上为具有双面电极2和4的压电材料层3，上电极2图形化分离或者上电极2和压电材料层3都图形化分离，成为阵列，可以输四个或更多个信号。若压电材料层3分离，则各个信号各自独立性更高。位于压电阵列中心有一竖直微柱1，其根部与压电材料层3结合。利用ComsolMultiphysics4.3b有限元仿真分析软件对本专利技术所述三维压电矢量水听器微结构进行有限元仿真分析：建立仿真模型，分析压电材料层3是否图形化分离、衬底5的弹性模量对于输出平均电势的影响；在竖直微柱1侧面上沿着不同方向、施加不同大小的载荷，通过四个电极a、b、c、d上产生的电势信号，考量本专利技术所述的三维压电矢量水听器微结构对于水流压力大小和方向的感知能力。1、根据压电材料层3是否分离、是否有衬底5，本专利技术所述水听器有四种演化结构，如图2Ⅰ-图2Ⅳ所示。利用ComsolMultiphysics4.3b对这四种结构分别建模，在竖直微柱1侧面施加沿着X方向的单位面积力10Pa，得到该水听器电极a产生的平均电势，如表1所示表1电极a平均电势压电层图形化压电层未图形化没有柔性衬底-1.53×10-4V-1.61×10-4V有衬底（E=0.75GPa）-1.69×10-4V-1.71×10-4V由表1可以看出，增加衬底5对于水听器的输出效果有很明显的提高。图3Ⅰ-图3Ⅲ是上部电极和压电材料层分离为四、六、八象限形式的示意图；2、压电材料层3分离、有衬底5的情况下，改变沿着X轴方向施加单位面积力的大小为0Pa、5Pa、10Pa、15Pa、20Pa，研究水听器结构的线性度和灵敏度。利用ComsolMultiphysics4.3b建模，得到该水听器电极a产生的平均电势，如表2所示：表20Pa5Pa10Pa15Pa20Pa电极a平均电势1.44×10-4V1.73×10-4V2.01×10-4V2.30×10-4V2.88×10-4V根据仿真结果绘出平均电势-压力的二维曲线图，如图5所示。根据表2以及图5都可以看出，电极产生的平均电势对于施加的压力呈良好的线性。3、压电材料层分离、有衬底的情况下，改变衬底的弹性模量，研究衬底的刚度对于水听器输出效果的影响。利用ComsolMultiphysics4.3b建模，得到该水听器电极a产生的平均电势，如表3所示：表3根据仿真计算结果绘制二维曲线图，如图6所示。根据表3以及图6都可以看出，衬底5的弹性模量对于与水听器的输出效果有很大的影响，衬底5弹性模量越小，水听器的灵敏度越高。4、压电层图形化、有衬底的情况下，研究该水听器结构的矢量指向性。利用ComsolMultiphysics4.3b建模，施加大小为10Pa的单位面积力，改变施加压力的方向沿着竖直微柱1外本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维压电矢量水听器微结构，其特征在于：它包括用于感知水流信号大小和方位的敏感单元；该敏感单元呈⊥形状，包含弹性模量较小的衬底(5)，其上为具有双面电极的压电材料阵列和位于压电材料阵列中心的竖直微柱(1)，该压电材料阵列由上而下包括上电极(2)、压电材料层(3)和底部电极(4)；该竖直微柱(1)是圆柱形状，其材质是SU-8光刻胶，该上电极图形化分离或者上电极和压电材料层都图形化分离，成为“田”字形阵列，能输四个信号；若压电材料层分离，则四个信号各自独立性更高；位于压电材料阵列中心的竖直微柱，其根部与压电材料层结合，当有水流冲击时，竖直微柱感应冲击...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋永刚，孙秀娟，张德远，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：