专利名称：四元列阵mems矢量水听器微结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种MEMS矢量水听器，具体是一种四元列阵MEMS矢量水听器微结构。
背景技术：
矢量水听器作为一种能够时间同步、空间共点测得水下声场矢量信息的传感器，在海洋工程和海洋开发中有着广泛的应用前景。基于MEMS技术研制的矢量水听器正逐渐向微型化，集成化发展。利用MEMS技术研制的单矢量水听器已经可以进行目标定向功能，例如专利号为200610012991. O的中国发明专利公开的一种“共振隧穿仿生矢量水声传感器”，实现了对水下声信号二维平面内方位的探测。但是，随着研究的进一步深入也发现尽管单只矢量水听器可以对空间目标进行定向，但是单只系统的可靠性较差，对于已知的空间偶极子指向性，其定向精度不高，空间分辨率力不够，存在左右舷模糊等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有单矢量水听器定向精度不高，空间分辨率力不够，存在左右舷模糊等问题，而提供了一种四元列阵MEMS矢量水听器微结构。由于利用本发明微结构制作的矢量水听器工作时相当于四只单矢量水听器同时从四个方向获取矢量信息，所以可以通过数据融合技术对获取的矢量冗余信息从决策级和数据级的融合层次进行融合处理，对声源目标的方位进行估计，从而得到比单矢量水听器更优越的检测和估计性能。本发明是通过以下技术方案实现的
一种四兀列阵MEMS矢量水听器微结构,包括以娃为材料的正方形衬底，以正方形衬底的中心为坐标原点并沿正方形衬底两组 对边的中线方向建立XOY坐标系，在正方形衬底上XOY坐标系的四个象限中采用ICP等离子刻蚀技术分别刻蚀有结构尺寸完全相同的镂空十字形悬臂梁，四个十字形悬臂梁的中心交叉处刻蚀为圆形片，在圆形片上分别垂直固定有一根密度与水密度相同或相近的微型柱状体，在各十字形悬臂梁的每根单梁的两端分别利用离子注入技术注入硼离子形成压敏电阻，所有的压敏电阻的阻值都相等；四个十字形悬臂梁分别以其各自的中心交叉处为坐标原点并沿其各自的悬臂梁方向建立相对坐标系，并任意的设其中一个十字形悬臂梁的相对坐标系为X1OY1、一个十字形悬臂梁的相对坐标系为X2OY2、一个十字形悬臂梁的相对坐标系为X3OY3、一个十字形悬臂梁的相对坐标系为X4OY4 ；以正方形衬底上XOY坐标系的X轴为基准并按逆时针方向，以上四个相对坐标系X1OYpX2OY2,X3OY3^X4OY4中，其中任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为0°、任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为30°、任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为45°、任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为60° ;位于相对坐标系X1OY1中X1方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻连接成一个检测X1方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X1OY1中Y1方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻连接成一个检测Y1方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；位于相对坐标系X2OY2中X2方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻连接成一个检测X2方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X2OY2中Y2方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻连接成一个检测Y2方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；位于相对坐标系X3OY3中X3方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻连接成一个检测X3方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X3OY3中乙方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻连接成一个检测乙方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；位于相对坐标系X4OY4中X4方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻连接成一个检测X4方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X4OY4中Y4方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻连接成一个检测Y4方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路。所述的MEMS加工技术、ICP等离子刻蚀技术、离子注入技术是现有公知技术。按相对坐标系的编号，分别将相对坐标系X1OY1中的十字形悬臂梁及其对应的微型柱状体命名为阵元一，阵元一中两根X1方向的悬臂梁上的四个压敏电阻R1、R2、R3、R4之间连接成一个检测X1方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，两根Y1方向的悬臂梁上的四个压敏电阻R5、R6、R7、R8连接成一个检测1方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；将相对坐标系X2OY2中的十字形悬臂梁及其对应的微型柱状体命名为阵元二，阵元二中两根X2方向的悬臂梁上的四个压敏电阻R9、R10、R11、R12连接成一个检测X2方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，两根Y2方向的悬臂梁上四个的压敏电阻R13、R14、R15、R16连接成一个检测Y2方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；将相对坐标系X3OY3中的十字形悬臂梁及其对应的微型柱状体命名为阵元三，阵元三中两根X3方向的悬臂梁上的四个压敏电阻Rl7、R18、R19、R20连接成一个检测X3方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，两根Y3方向的悬臂梁上的四个压敏电阻R21、R22、R23、R24连接成一个检测Y3方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；将相对坐标系X4OY4中的十字形悬臂梁及其对应的微型柱状体命名为阵元四，阵元四中两根X4方向的悬臂 梁上的四个压敏电阻R25、R26、R27、R28连接成一个检测X4方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，两根Y4方向的悬臂梁上的四个压敏电阻R29、R30、R31、R32连接成一个检测Y4方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路。数据融合处理时要求各阵元灵敏度一致，相位同步，所以各阵元的结构尺寸完全一致。根据振动学理论，阵列式MEMS矢量水听器微结构的共振频率可以由下式决定
权利要求
1.一种四兀列阵MEMS矢量水听器微结构，其特征在于包括以娃为材料的正方形衬底(I)，以正方形衬底(I)的中心为坐标原点并沿正方形衬底(I)两组对边的中线方向建立XOY坐标系，在正方形衬底(I)上XOY坐标系的四个象限中采用ICP等离子刻蚀技术分别刻蚀有结构尺寸完全相同的镂空十字形悬臂梁(2)，四个十字形悬臂梁(2)的中心交叉处刻蚀为圆形片(3)，在圆形片(3)上分别垂直固定有一根密度与水密度相同或相近的微型柱状体(4)，在各十字形悬臂梁(2)的每根单梁的两端分别利用离子注入技术注入硼离子形成压敏电阻(5)，所有的压敏电阻(5)的阻值都相等；四个十字形悬臂梁(2)分别以其各自的中心交叉处为坐标原点并沿其各自的悬臂梁方向建立相对坐标系，并任意的设其中一个十字形悬臂梁(2)的相对坐标系为X1OY1、一个十字形悬臂梁(2)的相对坐标系为X2OY2、一个十字形悬臂梁(2)的相对坐标系为X3OY3、一个十字形悬臂梁(2)的相对坐标系为X4OY4 ；以正方形衬底(I)上XOY坐标系的X轴为基准并按逆时针方向，以上四个相对坐标系X1OYpX2OY2,X3OY3^X4OY4中，其中任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为0°、任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为30°、任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为45°、任意一个相对坐标系相对于XOY坐标系的角度为60° ;位于相对坐标系X1OY1中X1方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻(5)连接成一个检测X1方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X1OY1中Y1方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻(5 )连接成一个检测Y1方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；位于相对坐标系X2OY2中X2方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻(5 )连接成一个检测X2方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X2OY2中Y2方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻(5)连接成一个检测\方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；位于相对坐标系X3OY3中X3方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻(5)连接成一个检测&方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X3OY3中Y3方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻(5 )连接成一个检测Y3方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；位于相对坐标系X4OY4中X4方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻(5)连接成一个检测X4方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于相对坐标系X4OY4中Y4方向的两根悬臂梁上的四个应变压敏电阻(5)连接成一个检测Y4方向水下声信号的惠斯通全桥差动电路。
2.根据权利要求1所述的四元列阵MEMS矢量水听器微结构，其特征在于该微结构的加工材料为SOI硅圆片。
全文摘要
本发明为一种四元阵列MEMS矢量水听器微结构。本发明包括正方形衬底，正方形衬底上刻蚀有四个十字形悬臂梁，每个十字形悬臂梁中心固定有微型柱状体，十字形悬臂梁的梁臂上设有压敏电阻，四个十字形悬臂梁相对于正方形衬底之间的角度各不相同，分别为0o、30o、45o和60o。本发明微结构采用MEMS工艺制成，具有高灵敏度、低功耗、微体积的优点。与现有单矢量水听器相比，利用本发明微结构制作的水听器定向精度高、空间分辨率力强，可有效的消除了左右舷模糊问题。与传统的水听器阵列相比，本发明极大的缩小了阵列尺寸，并且本发明列阵采用MEMS工艺一次成型，各阵元间具有极高的一致性，为后续算法解算减轻压力。
文档编号G01S5/20GK103064060SQ20121055774
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者张国军, 李振, 薛晨阳, 宋晓鹏, 张文栋 申请人:中北大学