差动隔振式mems矢量水听器的制造方法
【专利摘要】本发明为一种具有差动效应的MEMS矢量水听器敏感结构，解决了现有的弹性隔振结构的声散射问题、只能针对特定频带的噪声进行降幅处理以及结构稳定性、可靠性不足等问题。该敏感结构包括硅基座框架、悬臂梁、中心连接体、上下对称粘结的微型柱状体，十字形悬臂梁上设置有八个应变压敏电阻。工作时，平台的振动以惯性力的形式作用于微型柱状体，上下对称的微型柱状体产生等值、反向的力矩，声信号通过封装结构产生差模信号并作用于上下微型柱状体，上下对称的微型柱状体产生差模力矩。通过该结构的共模抑制，差模输出的特性来达到减振的效果。本发明结构简单、可靠，减振效果明显，不受振动来源、振动频带的影响。
【专利说明】差动隔振式MEMS矢量水听器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及MEMS矢量水听器【技术领域】，具体是一种具有差动效应的MEMS矢量水 听器敏感结构。
【背景技术】
[0002] 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。MEMS矢量水听器的应用使得水中声音信息 的获取技术有了巨大的提高，但由于其工作环境复杂，安装平台多样，振动噪声会沿着支撑 结构传至敏感单元，严重影响测量结果的准确性、灵敏度等。现有的MEMS矢量水听器主要 采用弹性元件隔离的方式进行减振，例如专利号为CN201010582248. 5的中国发明专利公 开的一种"矢量水听器用抗流噪声型敏感体"，实现了芯片级减振。但该会增加MEMS工艺难 度，影响结构的稳定性和可靠性，并且减振效果受激励的频率影响较大。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了解决现有矢量水听器减振结构的MEMS加工工艺复杂、结构 稳定性、可靠性低、特定弹性元件只能应用于特定频带等问题，而提供一种差动隔振式MEMS 矢量水听器。
[0004] 本发明是通过如下技术方案实现的： 一种差动隔振式MEMS矢量水听器，包括娃基座框架、息臂梁W及通过息臂梁支息于娃 基座框架中也位置的中也连接体，中也连接体的四个边分别通过一根息臂梁与娃基座框架 的四个边框固定；每根息臂梁的根部和端部分别集成有一个压敏电阻，四根息臂梁上的八 个压敏电阻阻值都相等；其中，位于X方向的两根息臂梁上的四个压敏电阻组成一个惠斯 通电桥，位于Y方向的两根息臂梁上的四个压敏电阻组成一个惠斯通电桥；中也连接体的 上表面垂直粘结有上微型柱状体，中也连接体的下表面垂直粘结有下微型柱状体，上、下微 型柱状体的材料属性W及尺寸完全相同且W中也连接体对称布置，上、下微型柱状体的密 度与水的密度相同或接近。
[0005] 进一步的，所述的息臂梁和中也连接体采用SOI材料经过现有的MEMS微机械工艺 加工而成；所述的压敏电阻采用P型娃电阻条，电阻条按[110]晶向布置，且压敏电阻通过 现有的扩散工艺加工而成。
[0006] 所述的娃基座框架的外边长为3200ym、内边长为2600ym、厚度为40ym;所述的 息臂梁的梁长为1000ym、梁宽为200ym、梁厚为40ym;所述的中也连接体为正方形结构， 其边长为600ym、厚度为40ym;所述的上、下微型柱状体的长度均为5000ym，半径均为 150Um。
[0007] 与现有技术相比，本发明在中也连接体的顶端、底端对称位置粘结两根完全相同 的微型柱状体，使得敏感结构从平面对称转变为空间对称，增加静态、动态稳定性的同时还 可W达到差动检测的目的。水听器工作平台受到外界扰动时，上下对称的微型柱状体受到 大小、方向相同的惯性力作用，进而产生作用效果相反的扭矩并互相抵消，实现四端息臂梁 零扭矩输入，从而大大减小矢量水听器对安装平台振动的输出响应。目P;工作时，平台的振 动W惯性力的形式作用于微型柱状体，上下对称的微型柱状体产生等值、反向的力矩，即共 模力矩。声信号通过封装结构产生差模信号并作用于上、下微型柱状体，上下对称的微型柱 状体产生差模力矩。通过该结构的共模抑制，差模输出的特性来达到减振的效果。
[0008] 对该敏感结构进行静力分析可知，单根微型柱状体受到惯性加速度a作用时，对 中也连接体产生的等效作用为等效力Fhi=-F惯、弯矩Mi=-F.惯XL、M2=F.惯XL。对于对称式微 型柱状体，对中也连接体产生的等效水平作用力EF尸-2XF,g、弯矩EM=Od
[0009] 单根息臂梁在弯矩M和水平力Fh的作用下任意一点的应力OW为：
【权利要求】
1. 一种差动隔振式MEMS矢量水听器，其特征在于：包括硅基座框架（1)、悬臂梁（2)以 及通过悬臂梁（2)支悬于硅基座框架（1)中心位置的中心连接体（3)，中心连接体（3)的四 个边分别通过一根悬臂梁（2 )与硅基座框架（1)的四个边框固定；每根悬臂梁（2 )的根部和 端部分别集成有一个压敏电阻（6)，四根悬臂梁（2)上的八个压敏电阻（6)阻值都相等；其 中，位于X方向的两根悬臂梁（2)上的四个压敏电阻（6)组成一个惠斯通电桥，位于Y方向 的两根悬臂梁（2)上的四个压敏电阻（6)组成一个惠斯通电桥；中心连接体（3)的上表面垂 直粘结有上微型柱状体（4)，中心连接体（3)的下表面垂直粘结有下微型柱状体（5)，上、下 微型柱状体（4、5)的材料属性以及尺寸完全相同且以中心连接体（3)对称布置，上、下微型 柱状体（4、5)的密度与水的密度相同或接近。
2. 根据权利要求1所述的差动隔振式MEMS矢量水听器，其特征在于：所述的悬臂梁 (2)和中心连接体（3)采用SOI材料经过现有的MEMS微机械工艺加工而成；所述的压敏电 阻（6)采用P型硅电阻条，电阻条按[110]晶向布置，且压敏电阻（6)通过现有的扩散工艺 加工而成。
3. 根据权利要求1或2所述的差动隔振式MEMS矢量水听器，其特征在于：所述的硅基 座框架（1)的外边长为3200ii m、内边长为2600ii m、厚度为40 iim;所述的悬臂梁（2)的梁 长为lOOOiim、梁宽为200iim、梁厚为40iim ;所述的中心连接体（3)的边长为600iim、厚度 为40 y m ;所述的上、下微型柱状体（4、5)的长度均为5000 y m，半径均为150 y m。
【文档编号】G01H11/06GK104359547SQ201410626399
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】张国军, 王续博, 郭静, 简泽明, 刘源, 郭楠, 刘梦然, 张文栋 申请人:中北大学