基于压电效应的MEMS三维同振型矢量水听器的制作方法

本发明涉及mems传感器领域中的矢量水听器，具体涉及一种基于压电效应的mems三维同振型矢量水听器。

背景技术：

当前，国内外研制的矢量水听器总体上分为同振式和压差式两大类。对于压差性矢量水听器，由于其″8″字型余弦指向性凹点深度太浅，指向精度不高，从而限制了其水声领域的应用。对于同振式矢量水听器，根据质点振速水听器声波接收理论的不同可将同振型矢量水听器分为同振型柱体振子矢量水听器和同振型球形振子矢量水听器。常规同振型矢量水听器必须使用弹性悬挂元件(如橡胶绳或金属弹簧等)固定在刚性架上，悬挂原件的机械特性直接影响水听器的电声性能。该类矢量水听器都是在拾振单元中心或者是内部均匀布置一个或多个加速度传感器，来测量拾振单元振动的速度及加速度，从而得到声场中质点振速的相关信息。同时，在mems矢量水声传感领域，较为成熟的为基于压电原理四梁仿生纤毛水听器。不过该水听器只能测量来自水平方向上的声信号，测量空间水声信号只能通过将两个水听器相互垂直安装；或者在水平面上阵列多个该类型水听器，以测量来自竖直方向上的信号。垂直安装型将带来安装困难以及阵列型将带来竖直方向声信号检测困难的问题。同时，由于常规的设计及加工工艺带来的低频特性差、灵敏度低、质量大、声阻抗与水不匹配、难以在小体积平台上使用等问题。

技术实现要素：

为解决现有采用常规设计及加工工艺等技术方案带来的矢量水声传感器抗流噪声性能差、灵敏度低、抗冲击性能差、质量大、声阻抗与水不匹配以及加工制作复杂等问题，同时也为解决现有三维mems矢量水听器安装困难以及竖直方向声信号不易检测的问题，提供了一种基于压电效应的mems三维同振型矢量水听器。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于压电效应的mems三维同振型矢量水听器，包括检测来自水平方向声信号的同振柱体振子模块以及检测来自竖直方向声信号的同振球形振子模块，同振柱体振子模块包括第一框型基座、横梁、柱形聚乙烯拾振单元、中心连接体、第一压电薄膜、上电极以及下电极；柱形聚乙烯拾振单元固定于中心连接体上，中心连接体通过横梁连接于第一框型基座的中心处，且横梁的内外两侧均生长有第一压电薄膜，同时在第一压电薄膜的上下两侧的对应位置均溅射有金属作为上电极和下电极；同振球形振子模块包括第二框型基座、横梁、环形连接体、球形聚乙烯拾振单元、第二压电薄膜以及上电极、下电极；球形聚乙烯拾振单元固定于环形连接体上，环形连接体通过横梁连接于第二框型基座的中心处，同时横梁的外侧生长第二压电薄膜，第二压电薄膜上下表面溅射有金属作为上电极和下电极，且每根横梁的上电极、下电极相互独立；所述第一框型基座和第二框型基座一体成型。

优选地，同振柱体振子模块所连接的四根横梁的内外侧分别生长有第一压电薄膜，同一方向上两根梁上的4个压电薄膜通过金属上电极、下电极串联的方式组成一路输出，用于检测该方向上声信号分量，同时可抑制其他方向声信号对该方向信号的影响。

优选地，球形振子模块所连接的四根横梁的外侧设有第二压电薄膜，用于检测竖直方向上的声信号分量，每根横梁上的输出信号完全相同，通过串联的方式将该方向的信号叠加，从而得到更大的输出，当球形振子模块受到来自水平方向上的声信号作用时，同一方向上的两根横梁分别受到大小相等的拉应力和压应力，每根横梁上对称分布的压电模块产生等量异号的电荷，由于同一方向上压电输出为串联，所以同一根横梁上产生的电荷可完全抵消。从而该模块可有效提高竖直方向上的声信号分量输出，抑制来自x或y方向上的声信号分量输出。

优选地，所述柱形聚乙烯拾振单元采用与水密度相近的柱形聚乙烯拾振单元。

优选地，所述第一框型基座外框宽度5500μm，厚500μm；第一框型基座和第二框型基座有公用的部分，外框总长9900μm。

优选地，所述横梁长900μm，宽120μm，厚30μm。

优选地，所述柱形聚乙烯拾振单元采用聚乙烯材质，直径350μm，高4000μm；所述中心连接体采用硅材质，长宽均为600μm，厚30μm。

优选地，所述压电薄膜采用pzt，外侧压电薄膜长350μm，宽120μm，内侧压电薄膜长250μm，宽120μm，厚度均为1μm；所述上电极为au/ti电极，所述下电极为pt/ti电极。

优选地，所述环形连接体外径1700μm，内径1500μm，厚30μm；所述球形聚乙烯拾振单元采用聚乙烯材质，直径1500μm；所述压电薄膜采用pzt，长度500μm，宽120μm，厚度1μm

本发明具有以下有益效果：

设计了共模输出、差模抑制的高灵敏度，宽工作频带的mems三维同振型矢量水听器。

附图说明

图1为基于压电效应的mems三维同振型矢量水听器的结构示意图。

图2为同振柱体振子模块x或y方向上的压电薄膜受到水平方向声信号作用时的电荷分布及电路连接示意图。

图3为球形振子模块在x或y方向上的压电薄膜受到竖直方向声信号作用时的电荷分布及电路连接示意图。

图4为该矢量水听器仿真模型沿(1，1，1)方向施加加速度载荷得到结构的应力云图。

图5为该矢量水听器仿真模型沿(1，1，1)方向施加加速度载荷得到的压电响应。

图中：1-第一框型基座、2-横梁、3-柱形聚乙烯拾振单元、4-中心连接体、5-第一压电薄膜、6-环形连接体、7-球形聚乙烯拾振单元、8-下电极、9-上电极，10-第二框型基座、11-第二压电薄膜。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了基于压电效应的mems三维同振型矢量水听器，包括检测来自水平方向声信号的同振柱体振子模块以及检测来自竖直方向声信号的同振球形振子模块，同振柱体振子模块包括第一框型基座1、横梁2、柱形聚乙烯拾振单元3、中心连接体4、第一压电薄膜5、上电极以及下电极；柱形聚乙烯拾振单元3固定于中心连接体4上，中心连接体4通过横梁2连接在第一框型基座1的中心处，且横梁2的内外两侧均生长有第一压电薄膜，同时在第一压电薄膜的上下两侧的对应位置均溅射有金属作为上电极8和下电极9；同振球形振子模块包括第二框型基座10、横梁2、环形连接体6、球形聚乙烯拾振单元7、第二压电薄膜11以及上电极8、下电极9；球形聚乙烯拾振单元7固定于环形连接体6上，环形连接体6通过横梁2连接在第二框型基座10的中心处，同时横梁2的外侧生长第二压电薄膜，第二压电薄膜上下表面溅射有金属作为上电极8和下电极9，且每根横梁的上电极8、下电极9相互独立；所述第一框型基座1和第二框型基座11一体成型。

同振柱体振子模块所连接的四根横梁的内外侧分别生长有第一压电薄膜，根据横梁上的应力分布，分别在横梁的内外两侧制作合适大小的第一压电薄膜，同一方向上两根梁上的4个第一压电薄膜通过金属上电极、下电极串联的方式组成一路输出，用于检测该方向上声信号分量，同时可抑制其他方向声信号对该方向信号的影响。

球形振子模块所连接的四根横梁在外侧根据应力分布制作适当大小的第二压电薄膜，用于检测竖直方向上的声信号分量，每根横梁上的输出信号完全相同，通过串联的方式将该方向的信号叠加，从而得到更大的输出。

本具体实施加工时，将溅射有下电极pt/ti的<100>晶向单晶硅通过溶胶-凝胶法生长1um厚的pzt压电薄膜5，通过光刻显影后湿法刻蚀压电薄膜5，再通过ibe刻蚀pt/ti作为下电极8，使用剥离的方法制作au/ti上电极9，接下来使用icp正面刻蚀以及drie背面刻蚀释放横梁2、中心连接体4以及环形连接体6，最后通过二次集成的方式将柱形聚乙烯拾振单元3粘合至中心连接体4以及将球形聚乙烯拾振单元7粘合至环形连接体6处。

根据质点振速水听器声波接收理论，当ka＜＜1时(k为声波的波数，a为拾振单元几何线宽)，拾振单元附近声场不发生明显畸变。本发明水平方向声信号探测基于刚性柱体声波接收理论，竖直方向上声信号基于刚性球体声波接收理论。由于水声探测目标的工作频率多为2000hz以下，所以探测目标声波波数k＜8.4(k＝2πf/v，其中v为水中声速，取1500m/s)。同时，本发明柱形振子特征线宽350μm、球形振子特征线宽1500μm，拾振单元满足ka＜＜1(ka＜0.0125)的条件；根据质点振速水听器声波接收理论，拾振单元附近声场不发生明显畸变，满足拾振条件，故该水听器结构是合理的。

利用comsol对该矢量水听器进行模态分析，得到该矢量水听器同振柱体振子模块沿x、y方向上的谐振频率为2.7khz，球形振子模块沿z方向上的谐振频率为3.3khz。沿x、y、z方向分别施加1g的加速度载荷(等效于沿(1,1,1)方向施加加速度载荷)，仿真得到同振柱体振子模块横梁上最大正应力为0.14mpa，沿x或y方向声信号分量总输出为1.8mv，水平方向上该水听器灵敏度为1.8mv/g；球形振子模块横梁上最大应力约为0.4mpa；该模块的四个压电单元总输出为3.2mv，该模块灵敏度为3.2mv/g。同时，仿真结果也表明该水听器各方向可有效检测该方向上声信号分量，同时抑制其他方向声信号对该方向的影响，实现了共模放大，差模抑制的工作性质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。