一种三维压电矢量水听器微结构的制作方法
【专利摘要】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。本发明是单片集成，具有高灵敏度、低功耗、易于微型化的优点。
【专利说明】一种三维压电矢量水听器微结构
【技术领域】
[0001]本发明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 [0002]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。上述两个发明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。
【发明内容】
[0003]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，本发明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。
[0004]2、技术方案:本发明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。该敏感单元呈丄形状，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I。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I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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]其中，所述的衬底(5)材料是？01^、？￥(:、？5、橡胶、硅橡胶、有机玻璃中的一种。
[0009]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。。
[0010]3、优点及功效:本发明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 —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。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明的基本结构示意图；
[0012]图2 I为压电材料层不分离、没有衬底的结构；
[0013]图2 II为压电材料层分离、没有衬底的结构；
[0014]图2 III为压电材料层不分离、有衬底的结构；
[0015]图2 IV为压电材料层分离、有衬底的结构；
[0016]图3 I上部电极和压电材料层分离为四象限形式；
[0017]图3 II上部电极和压电材料层分离为六象限形式；
[0018]图3 III上部电极和压电材料层分离为八象限形式；
[0019]图4是本发明在压电层图形化、有衬底的结构下,用Comsol Multiphysics4.3b有限元仿真软件建立的仿真模型在受到沿着X轴方向IOPa单位面积力载荷的情况，压电材料产生电势的云图。
[0020]图5是本发明在压电层图形化、有衬底的结构下，微圆柱外侧受到大小为OPa?20Pa载荷的情况,用Comsol Multiphysics4.3b仿真得到的电极a、b产生的平均电势二维曲线图。
[0021]图6是本发明压电层图形化、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OPa?20Pa载荷的情况,用Comsol Multiphysics4.3b仿真得到的电极a产生的平均电势二维曲线图。
[0022]图7是本发明压电层图形化、有衬底的结构，微圆柱外侧受到大小为lOPa、方向与X轴夹角O?360°的情况下，四个电极产生的平均电势二维曲线图。
[0023]图8是本发明压电层图形化、有衬底的结构，微圆柱外侧受到大小为lOPa，电极a的频率指向性不意图。
[0024]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】
[0025]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I，其根部与压电材料层3结合。
[0026]利用Comsol Multiphysics4.3b有限元仿真分析软件对本发明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I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，考量本发明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。
[0027]1、根据压电材料层3是否分离、是否有衬底5，本发明所述水听器有四种演化结构，如图2 1-图2 IV所示。利用Comsol Multiphysics4.3b对这四种结构分别建模,在竖直微柱I侧面施加沿着X方向的单位面积力lOPa，得到该水听器电极a产生的平均电势，如表1所示
[0028]表1
[0029]
【权利要求】
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；该敏感单元呈丄形状，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(I)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，其根部与压电材料结合，当有水流冲击时，竖直微圆柱感应冲击力发生变形，此时压电材料层将会输出电压信号。
2.根据权利要求1所述的一种三维压电矢量水听器微结构，其特征在于:该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。
3.根据权利要求1所述的一种三维压电矢量水听器微结构，其特征在于:该压电材料阵列包括多种演化方式:4象限；6象限；8象限。
4.根据权利要求1所述的一种三维压电矢量水听器微结构，其特征在于:该压电材料层(3)材料是PVDF、P (VDF-TrFE)、VDF2、PZT复合材料中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种三维压电矢量水听器微结构，其特征在于:该衬底(5)材料是PDMS、PVC、PS、橡胶、硅橡胶、有机玻璃中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种三维压电矢量水听器微结构，其特征在于:该上电极(2)、下电极(4)材料是金属电极、导电树脂、导电胶中的一种。
【文档编号】G01H11/08GK103759809SQ201410017301
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】蒋永刚, 孙秀娟, 张德远 申请人:北京航空航天大学