一種四纖毛仿生mems矢量水聲傳感器微結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種四纖毛仿生MEMS矢量水聲傳感器微結構，包括正方形框架和架設于所述正方形框架中央的“井”字形懸梁臂，所述“井”字形懸梁臂的各段梁由寬段和對稱設置于所述寬段兩側的窄段組成，所述窄段上分別設置有阻值相等的壓敏電阻，所述壓敏電阻共形成兩組惠斯通全橋，所述兩組惠斯通全橋分別測量兩個相互垂直方向上的水生信號，各個正方形連接體上均固定的設置有垂直纖毛。本發(fā)明利用MEMS技術將四根仿生纖毛集成在一個芯片上，并且采用“井”字形懸梁臂結構，通過各段梁窄-寬-窄的形式，提高局部應力集中，從而提高壓敏電阻的阻值變化，進而提高結構的靈敏度，解決了現(xiàn)有的MEMS仿生水聽器靈敏度與頻響范圍之間的矛盾。
【專利說明】一種四纖毛仿生MEMS矢量水聲傳感器微結構
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于矢量水聽器領域，具體涉及一種具有多段梁的四纖毛仿生MEMS二維 矢量水聽器微結構。
【背景技術】
[0002] 鑒于微電子機械系統(tǒng)（MEMS, Micro Electro Mechanical System)技術具有微型 化、多樣化、微電子化等特點及易實現(xiàn)水聲傳感器的小型化和一致性的優(yōu)點，MEMS矢量水聽 器已成為當前國內(nèi)外聲換能器領域研究的熱點之一。專利申請?zhí)枮?00610012991. 0的公 開文件提出了一種共振隧穿仿生矢量水聲傳感器，利用單只傳感器實現(xiàn)了對水下聲信號二 維平面內(nèi)方位的探測，雖然突破了常規(guī)微機電器件的靈敏度和分辨率的極限狀態(tài)。但是， 該水聽器的靈敏度和頻響范圍一直存在矛盾，即若要頻響范圍寬些，就要降低水聽器的靈 敏度，從而降低了矢量水聽器的分辨率；若要提高靈敏度，就要縮小水聽器的頻響范圍。然 而，實際工程應用中，需要水聽器有一定的頻響范圍，所以靈敏度和頻響范圍之間的矛盾直 接影響了該MEMS水聽器的進一步工程化應用。又如專利申請?zhí)枮?01210557743. X的公開 文件提出了一種四元列陣MEMS矢量水聽器微結構，可有效的消除了左右舷模糊問題，但是 仍存在上述靈敏度和頻響范圍之間存在矛盾的缺點。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本發(fā)明提出一種四纖毛仿生MEMS矢量水聲傳感器微結構，以解決目前水聽器的 靈敏度和頻響范圍一直存在矛盾，即若要頻響范圍寬些，就要降低水聽器的靈敏度，從而降 低了矢量水聽器的分辨率，若要提高靈敏度，就要縮小水聽器的頻響范圍的問題。
[0004] 本發(fā)明的技術方案如下：一種四纖毛仿生MEMS矢量水聲傳感器微結構，包括米用 MEMS微加工技術加工獲得的正方形框架和架設于所述正方形框架中央的"井"字形懸梁臂； 所述"井"字形懸梁臂的各段梁由寬段和對稱設置于所述寬段兩側的窄段組成，所述各段梁 通過位于所述"井"字形懸梁臂交叉點處的正方形連接體連接；所述窄段上分別設置有阻值 相等的壓敏電阻，所述壓敏電阻共形成兩組惠斯通全橋，所述兩組惠斯通全橋分別測量兩 個相互垂直方向上的水生信號；所述位于"井"字形懸梁臂交叉點處的各個正方形連接體上 均固定的設置有垂直纖毛。
[0005] 進一步的，所述"井"字形懸梁臂以任意點為坐標原點建立坐標系，沿其任意懸臂 梁方向作為X方向，與所述X方向的垂直方向作為Y方向，在所述X方向，每個所述垂直纖毛 兩側梁上的四個所述壓敏電阻構成一對惠斯通全橋差動電路，其中，每兩個垂直纖毛間的 梁上的所述壓敏電阻為共用電阻，總共形成四對惠斯通全橋；在所述Y方向上，所述壓敏電 阻的連接方式與所述X方向的所述壓敏電阻的連接方式相同，形成另外四對惠斯通全橋， 在Χ0Υ平面上共形成兩組惠斯通全橋，分別用于檢測所述X方向和所述Y方向的水聲信號。
[0006] 再進一步的，所述垂直纖毛采用與水密度接近的材料制成。
[0007] 其中，所述微結構的加工材料為SOI硅圓片。
[0008] 優(yōu)選的，所述壓敏電阻利用離子注入技術注入硼離子形成。[0009] 下面利用ANSYS Workbenchl4. 0有限元分析軟件對本發(fā)明所述微結構進行仿真分 析，綜合靈敏度、頻響、橫向靈敏度三方面因素設定四纖毛仿生二維MEMS矢量水聽器微結 構的各部分尺寸，如表1所示。[0010] 表 1
【權利要求】
1. 一種四纖毛仿生MEMS矢量水聲傳感器微結構，其特征在于， 包括采用MEMS微加工技術加工獲得的正方形框架（5)和架設于所述正方形框架（5) 中央的"井"字形懸梁臂（9); 所述"井"字形懸梁臂（9)的各段梁由寬段（7)和對稱設置于所述寬段兩側的窄段（8) 組成，所述各段梁通過位于所述"井"字形懸梁臂（9)交叉點處的正方形連接體（6)連接； 所述窄段（8)上分別設置有阻值相等的壓敏電阻（10)，所述壓敏電阻（10)共形成兩組 惠斯通全橋，所述兩組惠斯通全橋分別測量兩個相互垂直方向上的水生信號； 所述位于"井"字形懸梁臂（9)交叉點處的各個正方形連接體（6)上均固定的設置有 垂直纖毛。
2. 根據(jù)權利要求1所述一種四纖毛仿生MEMS矢量水聲傳感器微結構，其特征在于，所 述"井"字形懸梁臂（9)以任意點為坐標原點建立坐標系，沿其任意懸臂梁方向作為X方向， 與所述X方向的垂直方向作為Y方向，在所述X方向，每個所述垂直纖毛兩側梁上的四個所 述壓敏電阻（10)構成一對惠斯通全橋差動電路，其中，每兩個垂直纖毛間的梁上的所述壓 敏電阻（10)為共用電阻，總共形成四對惠斯通全橋；在所述Y方向上，所述壓敏電阻（10) 的連接方式與所述X方向的所述壓敏電阻（10)的連接方式相同，形成另外四對惠斯通全 橋，在XOY平面上共形成兩組惠斯通全橋，分別用于檢測所述X方向和所述Y方向的水聲信 號。
3. 根據(jù)權利要求2所述一種四纖毛仿生MEMS矢量水聲傳感器微結構，其特征在于，所 述垂直纖毛采用與水密度接近的材料制成。
4. 根據(jù)權利要求2所述一種四纖毛仿生MEMS矢量水聲傳感器微結構，其特征在于，所 述微結構的加工材料為SOI硅圓片。
5. 根據(jù)權利要求1至4任意項所述一種四纖毛仿生MEMS矢量水聲傳感器微結構，其特 征在于，所述壓敏電阻（10)利用離子注入技術注入硼離子形成。
【文檔編號】G01S5/20GK104062632SQ201410232154
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權日:2014年5月28日
【發(fā)明者】張國軍, 丑修建, 劉俊 申請人:蘇州中盛納米科技有限公司