专利名称：三维mems单片集成矢量水声传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及MEMS传感器领域中的水声传感器，特别是一种三维MEMS单片集成矢量水声传感器。
背景技术：
矢量水听器是一种能够时间同步、空间共点测得水下声场中某一质点运动的矢量信息的传感器。随着水声技术的不断 发展，为满足岸站建设的需要，服务海岸预警声呐系统，实现远程检测、识别，低频检测能力日益显得重要。目前，对矢量水声传感器来说面临几个问题I)高灵敏度问题；2)甚低频检测问题；3)矢量水声传感器的小型化问题；4)抗噪声干扰问题等。对于以上问题，可以以MEMS技术平台为依托通过研发新型水声传感器来解决。鉴于MEMS技术具有微型化(miniaturization),多样化(multiplicify),微电子化(micro electronics)等的3M特点及易实现水声传感器的小型化和一致性的优点,MEMS矢量水听器已成为当前国内外声换能器领域研究的热点之一。专利号为200610012991.0的中国发明专利公开了一种“共振隧穿仿生矢量水声传感器”，该传感器用固定于十字形悬臂梁中央、其密度与水相近的微型柱状体代替纤毛，以固定在十字形悬臂梁上微型柱状体周围的共振遂穿二极管代替纤毛周围的感觉细胞，模仿鱼类侧线听觉原理，通过测量微型柱状体的状态，基本实现了对水下声信号二维平面内方位、声压大小的探测。专利号为201010581544. 3的中国发明专利公开了一种“三维矢量水听器”，该水听器由一个MEMS 二维十字梁一柱状体结构和一个MEMS —维T型结构组合而成，该结构基本实现了三维水声信号的测量，但是该结构也存在一维T型结构尺寸不易控制，惠斯通电桥提取电路结构灵敏度低、体积大、强度低，T型结构与二维十字梁一柱状体结构轴间耦合度大等缺点。

发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，而提供一种操作工艺更为简单、更易于制作和批量化生产、灵敏度更高、轴间耦合度更低且安装更为方便的三维MEMS单片集成矢量水声传感器。本发明是通过以下技术方案实现的
一种三维MEMS单片集成矢量水声传感器,包括正方形的娃基座框架、架设于娃基座框架中央的十字形悬臂梁、设于十字形悬臂梁中央的圆形中间连接体以及垂直固定于圆形中间连接体中央且密度与水密度相同或相近的微型柱状体；十字形悬臂梁的四根梁上共设置有八个应变压敏电阻，每根梁的两端端部各设有一个应变压敏电阻；位于X方向的两根梁上的四个应变压敏电阻连接组成一个测量X向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于Y方向的两根梁上的四个应变压敏电阻组成一个测量Y向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；在硅基座框架的四个角上分别开设有一个一端与硅基座框架中空部分相通的安置槽，每个安置槽的端部各固定有一根密度与水密度相同或相近的单悬臂梁，单悬臂梁的另一端悬置于硅基座框架的中空部分，安置槽的轴线和单悬臂梁的轴线都位于硅基座框架的对角线上；每根单悬臂梁的根部设置有一个应变压敏电阻，其中有两个应变压敏电阻设于单悬臂梁的正面、另外两个应变压敏电阻设于单悬臂梁的背面，并且设置在单悬臂梁上的四个应变压敏电阻连接组成一个测量Z向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；十字形悬臂梁和单悬臂梁上的应变压敏电阻的阻值都相等。十字形悬臂梁及其上的应变压敏电阻、圆形中间连接体和微型柱状体共同组成了本发明水声传感器的二维敏感单元，用于检测X、Y方向的水下声信号，其中，微型柱状体为本发明水声传感器的二维拾振单元。单悬臂梁及其上的应变压敏电阻组成了本发明水声传感器的一维敏感单元，用于检测Z方向的水下声信号，其中，单悬臂梁为本发明水声传感器的一维拾振单元。中间连接体为圆形时，X方向与Y方向横向耦合效应最小，有助于提高二维敏感单元的定向精度。具体分析时，对于本发明结构中的十字形悬臂梁，在各梁的两端部(S卩梁的顶部和根部)分别设置有一个应变压敏电阻，位于X方向的两根梁上的四个应变压敏电阻和位于
Y方向的两根梁上的四个应变压敏电阻分别构成了一个惠斯通全桥差动电路(如图3、4)，这样在XOY平面内就形成了两路惠斯通全桥差动电路分别用于检测X方向和Y方向的声信号；当作为二维拾振单元的微型柱状体拾取到声信号后，微型柱状体带动四个梁臂发生形变，梁内部的应力随梁的变形而变化，从而使梁臂上的应变压敏电阻的阻值发生变化，通过惠斯通全桥差动电路将阻值的变化转化为电压的变化，从而实现对X方向和Y方向声信号的测量。对于本发明结构中的单悬臂梁，在各梁臂的根部分别设置有一个应变压敏电阻，并且其中两个应变压敏电阻设于梁臂的正面、另外两个应变压敏电阻设于梁臂的背面(这样安排电阻使一维拾振单元一单悬臂梁变形时其上正面布置应变压敏电阻与背面布置的压敏电阻阻值变化相反)，单悬臂梁上的四个应变压敏电阻构成了一个检测Z方向声信号的惠斯通全桥差动电路(如图5)，这样当作为一维拾振单元的四根单悬臂梁拾取到Z向声信号时，梁的根部应力随梁的变形而变化，从而使单悬臂梁上的应变压敏电阻的阻值发生变化，通过惠斯通全桥差动电路将应变压敏电阻阻值的变化转化为电压的变化，从而实现对Z向声信号的测量。本发明与专利号为201010581544. 3的中国发明专利公开的“三维矢量水听器”相比，本发明结构充分利用半导体硅基座框架的内部空间，极大地缩减了结构的尺寸，并且本发明结构单悬臂梁上的应变压敏电阻采用了惠斯通全桥结构，极大地提高了结构的灵敏度。本发明矢量水声传感器依据的理论基础为同振形矢量水听器设计的理论。由声学基础理论可知，在声波作用下矢量水听器拾振单元(二维拾振单元为微型柱状体、一维拾振单元为单悬臂梁)的振速与拾振单元的表面作用力(如图6所示)之间存在以下关系
V=................................^..............................................................(I)
式中=Zni为拾振单元对接收声波的机械阻抗，Zs为拾振单元的声阻抗。同振式矢量水听器的拾振单元结构一般是柱形或球形，本发明中的拾振单元为二维拾振单元微型柱状体和一维拾振单元单悬臂梁，矢量水听器的拾振单元按上述关系推导出下列关系当满足波数k与拾振单元半径a乘积远远小于1，即ka < < I的条件时，有
权利要求
1.一种三维MEMS单片集成矢量水声传感器,包括正方形的娃基座框架(I)、架设于娃基座框架(I)中央的十字形悬臂梁(2)、设于十字形悬臂梁(2)中央的圆形中间连接体(3)以及垂直固定于圆形中间连接体(3)中央且密度与水密度相同或相近的微型柱状体(4);十字形悬臂梁(2)的四根梁上共设置有八个应变压敏电阻(5)，每根梁的两端端部各设有ー个应变压敏电阻(5);位于X方向的两根梁上的四个应变压敏电阻(5)连接组成一个测量X向水下声信号的惠斯通全桥差动电路，位于Y方向的两根梁上的四个应变压敏电阻(5)组成一个测量Y向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；其特征在于在硅基座框架(I)的四个角上分别开设有ー个一端与硅基座框架(I)中空部分相通的安置槽(6)，每个安置槽(6)的端部各固定有一根密度与水密度相同或相近的单悬臂梁(7)，单悬臂梁(7)的另一端悬置于硅基座框架(I)的中空部分，安置槽(6 )的轴线和单悬臂梁(7 )的轴线都位于硅基座框架(O的对角线上；每根单悬臂梁(7)的根部设置有一个应变压敏电阻(5)，其中有两个应变压敏电阻(5)设于单悬臂梁(7)的正面、另外两个应变压敏电阻(5)设于单悬臂梁(7)的背面，并且设置在单悬臂梁(7)上的四个应变压敏电阻(5)连接组成一个测量Z向水下声信号的惠斯通全桥差动电路；十字形悬臂梁(2)和单悬臂梁(7)上的应变压敏电阻(5)的阻值都相等。
2.根据权利要求I所述的三维MEMS单片集成矢量水声传感器，其特征在于所述的十字形悬臂梁(2)、圆形中间连接体(3)及单悬臂梁(7)都是采用SOI材料经过现有的MEMS微机械エ艺加工而成的；所述的应变压敏电阻(5)是通过现有的半导体扩散エ艺加工而成的。
3.根据权利要求I或2所述的三维MEMS单片集成矢量水声传感器，其特征在于所述的十字形悬臂梁(2)的每根梁的梁长lOOOum、梁宽130um、梁厚20um ;所述的圆形中间连接体(3)的直径为600um、厚为20um ;所述的微型柱状体(4)高5000um、外径200um、内径130um ;所述的单悬臂梁(7)的梁长2500um、梁宽130um、梁厚20um。
全文摘要
本发明提供了一种性能更加优化的三维MEMS单片集成矢量水声传感器。本发明矢量水声传感器包括硅基座框架、十字形悬臂梁、圆形中间连接体、微型柱状体，十字形悬臂梁上设置有八个应变压敏电阻，八个应变压敏电阻分别组成检测X向和Y向的两个惠斯通全桥差动电路；硅基座框架的四个角上开设有安置槽，安置槽端部固定有单悬臂梁，每根单悬臂梁的根部设有一个应变压敏电阻，其中两个应变压敏电阻设于梁正面、另外两个应变压敏电阻设于梁背面，且四个应变压敏电阻组成一个检测Z向的惠斯通全桥差动电路。本发明体积小、灵敏度高、轴间耦合度低、指向性好、工艺简单、易于制作和批量化生产。
文档编号G01H11/06GK102853898SQ201210284038
公开日2013年1月2日 申请日期2012年8月11日 优先权日2012年8月11日
发明者张国军, 宋小鹏, 李振, 薛晨阳, 熊继军, 张文栋 申请人:中北大学