本发明涉及MEMS仿生水听器技术领域，具体是一种多重应力集中式MEMS仿生水听器。
背景技术：
矢量传感器具有对水下声源目标进行定位的作用，可以适用于各类民用船只避障，渔业捕捞，海洋勘探的重要设备。随着微机电MEMS产业的兴起，矢量水听器逐渐向微型化、集成化方向发展，具有广泛的军事和民用前景。由于现有MEMS矢量水听器只能测声场矢量信息且灵敏度和频率响应带宽均不理想，存在左右舷模糊等缺陷。但是在同一个测试过程中，往往会遇到很多所需测量的声音信号的大小和频率各不相同的情况，并且需要对声信号进行准确的定位。在这些场合中用一个矢量水听器很难满足测试要求。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有MEMS矢量水听器只能测声场矢量信息、灵敏度和频率响应带宽均不理想以及左右舷模糊等问题，而提供一种多重应力集中式MEMS仿生水听器。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种多重应力集中式MEMS仿生水听器，包括圆形的底层硅，在底层硅上氧化有氧化层，氧化层上键合有圆形的顶层硅（顶层硅也称薄膜）；顶层硅的中部按行列形式布置有四组四梁纤毛式声电换能结构，四组四梁纤毛式声电换能结构以顶层硅的圆心对称布置，四组四梁纤毛式声电换能结构正下方的氧化层被刻蚀掉，其中，所述的四梁纤毛式声电换能结构包括开设于顶层硅上的正方形窗口，正方形窗口的中心处设有正方形的中心连接体，中心连接体的四边通过四根悬臂梁与正方形窗口的四边连接，中心连接体上设有纤毛，悬臂梁的两端分别设有一个压敏电阻，其中四个压敏电阻组成探测X方向信号的惠斯通电桥、剩余四个压敏电阻组成探测Y方向信号的惠斯通电桥（正方形窗口、中心连接体、悬臂梁、纤毛及压敏电阻是通过MEMS工艺及扩散工艺制作而成的）；四梁纤毛式声电换能结构中的悬臂梁的两端从顶部向下开设有沉降槽（沉降槽是通过湿法腐蚀刻蚀而成的，以此达到使悬臂梁端部变薄的目的），沉降槽槽底的两边为内缩的豁口设计（内缩的豁口是通过干法刻蚀而成的，也称SCR形状，以此达到使悬臂梁端部变窄的目的）；四梁纤毛式声电换能结构中悬臂梁上的压敏电阻设于其两端的沉降槽槽底上；四组四梁纤毛式声电换能结构的四根纤毛长短不等（纤毛的密度与水接近）；氧化层上在其周缘处均布有四个被氧化刻蚀的空腔，顶层硅的顶面上正对每个空腔的位置分别溅射有上电极，底层硅的底面上正对每个空腔的位置分别溅射有下电极，上、下电极的直径均小于空腔的直径；顶层硅上围绕每个上电极的四周都均布有四个贯穿顶层硅且与空腔相通的注油孔。
作为优选方案，上、下电极的直径为空腔直径的一半。经过大量的理论分析和不断的试验验证，发现当上、下电极的直径均为空腔直径的一半时，其灵敏度和转换率达到最佳的平衡效果。
作为优选方案，顶层硅上围绕每个上电极及其四个注油孔外刻蚀有环形隔离槽，环形隔离槽的直径大于其对应的空腔的直径。这样设计的优点为：顶层硅为半导体，通过环形隔离槽划开可以避免产生过大的寄生电容；顶层硅薄膜结构相对独立，振动特性不受周围影响。
本发明设计的是一种单片集成的压敏硅微电容和纤毛与十字梁换能微结构的高灵敏度宽量程水听器，该单片集成复合量程矢量水听器中的矢量水听器采用四梁纤毛式声电换能结构，在其MEMS芯片上增加应力集中区域（Stress Concentration Region，SCR）的方法，即在悬臂梁两端局部减薄（沉降槽）和局部变窄（内缩的豁口），利用应力集中效应来提高应力检测灵敏度，并将四梁纤毛式声电换能结构设置成阵列形式，四个四梁纤毛式声电换能结构对称布置，且各个结构的纤毛长短不一，在结构上各路的惠斯通电桥之间都采用并联形式；声压水听器采用电容式换能结构，为提高其承压性能在薄膜（薄膜即指顶层硅，下同）上每个空腔处开设四个注油孔，保持薄膜内外动水压的平衡。
本发明所涉及的水听器结构采用MEMS微加工技术，矢量部分：利用MEMS工艺及扩散工艺制作出十字梁结构后，湿法腐蚀出凹槽，使梁局部减薄，干法刻蚀出SCR的形状，使梁局部变窄。电容部分是：对硅片进行氧化刻蚀形成空腔，再与薄膜进行键合，最后刻蚀形成注油孔。
传统的MEMS矢量水听器仅能接收到矢量信息，且指向性具有对称性（图5），存在左右舷模糊的问题，当其与声压信号联合处理时（图6），左右舷模糊的问题就不存在了。
本发明水听器中的矢量部分：
根据理论知识，仿生微结构的共振频率为：
（1）
对仿生微结构进行静力分析可知，仿生微结构单根悬臂梁在弯矩和水平力共同作用下的任意一点的应力为:
（2）
传感器仿生微结构的灵敏度可表示为：
（对应于P型压敏电阻） (3)
灵敏度与工作带宽存在此消彼长的矛盾，即两者不能同时优化，若提高灵敏度，必然从减薄悬臂梁厚度、增加纤毛长度入手，这将导致频带变窄，而若拓展带宽，则应增加悬臂梁厚度、减少纤毛长度，这又会以损失灵敏度为代价。为同时提高水听器的灵敏度和拓宽工作频带，引入多重应力集中区域于悬臂梁上，即在四根悬臂梁两端引入两个应力集中因素，形成应力集中结构：湿法腐蚀出沉降槽，使梁局部减薄；干法刻蚀出SCR的形状（即内缩的豁口），使梁局部变窄。结构示意图如图3、4所示。
利用ANSYS有限元软件详细分析了不同尺寸的应力集中结构以及应力集中结构所处不同位置对硅微结构性能的影响，确定了微结构的尺寸：中心连接体的边长为600μm、厚度为40μm，悬臂梁的长度为1000μm、宽度为120μm、厚度为40μm，沉降槽的长度为80μm、深度为20μm，沉降槽离端面的距离为10μm。具有应力集中结构和普通结构的应力云图及单梁上的应力分布曲线如图7至图10示。应力集中结构和普通结构幅频曲线分别如图11和12所示。通过研究结构，动态分析结果得，梁厚为40μm、凹槽深为20μm的应力集中结构的共振频率是1420 Hz，梁厚为20μm的普通结构的共振频率是814 Hz。综合比较这两种结构的静力特性和动态特性，令人惊喜地是，同等条件下，应力集中结构的应力检测灵敏度高于普通结构，并且应力集中结构的共振频率也高于普通结构，这就意味着，利用应力集中效应既可提高MEMS水听器的灵敏度，又能拓展工作带宽，改善频响曲线。
本发明水听器中的电容部分：
本发明水听器的工作原理是：当外部声波信号作用于薄膜表面，引起薄膜振动发生挠曲，上下电极间因挠曲带动电极间距的改变，从而产生交变电容。通过四臂阻抗电路，实现电容变化的检测到输出电压的变化的检测，从而实现声能到电能的转化。低频电容传感器的谐振频率是该电容传感器设计的出发点，因此确定其谐振频率对该低频电容传感器十分重要。对于一个周边固支的圆形薄板来说，薄板最低的谐振频率公式为：
通过ANASYS workbench 14.5对电容的薄膜结构建立了有限元分析模型，通过仿真来验证理论分析及确定电容尺寸参数：薄膜（即圆形的顶层硅）的直径为2mm、厚度为0.002mm，氧化层上的空腔高度为2μm，注油孔的直径为0.2mm。。对薄膜结构进行应力分析、模态分析以及路径分析。得到其一阶模态图（图13）和位移图（图14），从而得出薄膜结构的固有频率和形变量。该薄膜上的注油孔结构与空腔构成的赫姆霍兹共振腔的的频率为2.38 MHz，远远大于工作频率为3K的低频电容传感器。由此可以看出，该赫姆霍兹共振吸声结构对该低频电容传感器的工作不构成影响。在无外界超声声压信号作用时，该低频电容的绝对电容值为5.09pF，在1Pa作用力下的电容值为5.24pF，则电容变化量为0.15pF，可得到该低频电容传感器的灵敏度为-142.7dB。
本发明是将电容水听器与矢量水听器集成到一起从而使得该复合水听器既能测矢量信息又能测标量信息。本发明水听器由于能同步同位测声场声压及声压梯度信息，解决了现有水听器左右舷模糊的问题。并且在十字梁上提出多重应力集中方法，实现单个结构共振频率和灵敏度双增长。矢量部分包括了四个纤毛长短不一的敏感单元，实现复合量程。
本发明多重应力集中式MEMS仿生水听器结构简单，极大的拓宽了有效频带范围，单片集成便于安装和测试，提高了安装精度，最终以单个传感器实现了小体积内的传感器组阵，克服了在传统的组阵中的各个水听器的不一致性。以其生产加工的矢量传感器应用范围广阔，可以适用于各类民用船只避障，渔业捕捞，海洋勘探的重要设备。
附图说明
图1为本发明水听器的结构示意图。
图2为图1中的A-A剖视图。
图3为本发明水听器中悬臂梁的结构示意图。
图4为图3的仰视图。
图5为传统MEMS矢量水听器指向性图。
图6为振速信号与声压信号联合处理指向性图。
图7为本发明具有应力集中结构的应力云图。
图8为本发明具有应力集中结构单梁上的应力分布曲线。
图9为传统水听器的普通结构的应力云图。
图10为传统水听器的普通结构单梁上的应力分布曲线。
图11为本发明具有应力集中结构的幅频曲线。
图12为传统水听器普通结构的幅频曲线。
图13为电容水听器模型的一阶模态图。
图14为电容水听器模型的位移图。
图中：1-底层硅、2-氧化层、3-顶层硅、4-四梁纤毛式声电换能结构、4-1-悬臂梁、4-1-1-沉降槽、4-1-2-内缩的豁口、4-2-纤毛、4-3-中心连接体、4-4-正方形窗口、5-空腔、6-上电极、7-下电极、8-注油孔、9-环形隔离槽。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的说明：
如图1至图4所示，一种多重应力集中式MEMS仿生水听器，包括圆形的底层硅1，在底层硅1上氧化有氧化层2，氧化层2上键合有圆形的顶层硅3；顶层硅3的中部按行列形式布置有四组四梁纤毛式声电换能结构4，四组四梁纤毛式声电换能结构4以顶层硅3的圆心对称布置，其中，所述的四梁纤毛式声电换能结构4包括开设于顶层硅3上的正方形窗口4-4，正方形窗口4-4的中心处设有正方形的中心连接体4-3，中心连接体4-3的四边通过四根悬臂梁4-1与正方形窗口4-4的四边连接，中心连接体4-3上设有纤毛4-2，悬臂梁4-1的两端分别设有一个压敏电阻，其中四个压敏电阻组成探测X方向信号的惠斯通电桥、剩余四个压敏电阻组成探测Y方向信号的惠斯通电桥；四组四梁纤毛式声电换能结构4正下方的氧化层2被刻蚀掉；四梁纤毛式声电换能结构4中的悬臂梁4-1的两端从顶部向下开设有沉降槽4-1-1，沉降槽4-1-1槽底的两边为内缩的豁口4-1-2设计；四梁纤毛式声电换能结构4中悬臂梁4-1上的压敏电阻设于其两端的沉降槽4-1-1槽底上；四组四梁纤毛式声电换能结构4的四根纤毛4-2长短不等；氧化层2上在其周缘处均布有四个被氧化刻蚀的空腔5，顶层硅3的顶面上正对每个空腔5的位置分别溅射有上电极6，底层硅1的底面上正对每个空腔5的位置分别溅射有下电极7，上、下电极6、7的直径均小于空腔5的直径；顶层硅3上围绕每个上电极6的四周都均布有四个贯穿顶层硅3且与空腔5相通的注油孔8。
具体实施时，上、下电极6、7的直径均为空腔5直径的一半，顶层硅3上围绕每个上电极6及其四个注油孔8外刻蚀有环形隔离槽9，环形隔离槽9的直径大于其对应的空腔5的直径。四梁纤毛式声电换能结构4中，中心连接体4-3的边长为600μm、厚度为40μm，悬臂梁4-1的长度为1000μm、宽度为120μm、厚度为40μm，沉降槽4-1-1的长度x为80μm、深度为20μm，沉降槽4-1-1离端面的距离y为10μm；圆形的顶层硅3的直径为2mm、厚度为0.002mm，氧化层2上的空腔5高度为2μm，注油孔8的直径为0.2mm。