專利名稱：共振隧穿仿生矢量水聲傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種水聲傳感器，具體是一種基于共振隧穿二極管(RTD)的具有高靈敏度、低功耗、微體積和高轉換效率的共振隧穿仿生矢量水聲傳感器。
背景技術：
水聲傳感器是聲納探測的重要組成部分，從水聲發(fā)展史來看，水聲應用的每一步發(fā)展都離不開水聲傳感器技術的發(fā)展。隨著科學技術的快速進步，水聲傳感器發(fā)展極為活躍、迅速，例如在軍事領域中，對采用隱身技術的艦艇、魚雷等目標進行探測；另外，在民用方面如海上目標定位，沉船打撈及海洋探測、漁業(yè)生產(chǎn)、航行保障等很多領域都應用水聲傳感器。
目前利用微機電(MEMS)工藝研制的微型水聲傳感器已經(jīng)成功地應用在軍用和民用的多種裝備系統(tǒng)中，在微型、低功耗與高可靠性等方面有很大的提高。但是，隨著水聲傳感器整體的微型化，其有效的敏感部件也隨之急劇減小，其靈敏度和分辨率等指標的提高已達到檢測的極限狀態(tài)，因而限制了檢測精度的進一步提高，難以適應現(xiàn)代技術發(fā)展的需要。這就有待于基于新原理，新效應的新型器件來突破常規(guī)微機電器件的極限。
NEMS(或稱納系統(tǒng))是繼MEMS之后在系統(tǒng)特征尺寸和效應上具有納米技術特點的一類超小型機電一體的系統(tǒng)，一般指特征尺寸在亞納米至數(shù)百納米，以納米級結構所產(chǎn)生的新效應(量子效應、界面效應和尺度效應)為工作特征的器件和系統(tǒng)。這類器件具有體積小，靈敏度高、功耗低等優(yōu)點。共振隧穿二極管是當前納米電子學中最有希望的器件之一，它是一種基于共振隧穿薄膜隧穿效應的負阻型器件，具有速度快、頻率高、低壓低功耗的特點，使得它在微波振蕩和高速數(shù)字電路等方面有著廣闊的應用前景。此外，介觀壓阻理論研究表明，共振隧穿二極管(即共振隧穿薄膜)在力學信號的作用下，隧穿電流發(fā)生變化，圖形上表現(xiàn)為I/V曲線發(fā)生變化漂移(如圖3所示)。而I/V曲線的漂移又會引起基于共振隧穿二極管的共振隧穿二極管振蕩器輸出頻率的變化。所以共振隧穿二極管振蕩器可以應用于力學信號檢測，且由于直接頻率輸出，容易實現(xiàn)數(shù)字化。
與此同時，仿生學是利用現(xiàn)有的科學技術把生物體或人的行為(如視覺、聽覺、感覺、嗅覺)和思維進行部分模擬的科學，以研制自動捕獲信息、處理信息、模仿生物體或人的行為裝置—仿生傳感器為目的。由生物學理論可知，魚類的聽覺器官除了內耳外還有種特殊的皮膚感覺器官，叫側線，側線是魚類及水生兩棲類所特有的皮膚感覺器官，呈溝狀或管狀，硬骨魚類則一般為管狀，一般稱之為側線管，側線管內充滿黏液，管壁上有纖毛組織，水聲信號通過黏液作用在纖毛上，引起纖毛偏斜，纖毛周圍的感覺細胞獲得刺激，刺激通過側線神經(jīng)傳遞到延腦，從而使魚類產(chǎn)生聽覺，側線不但可以感受聲波，而且具有定向性和連續(xù)性，特別是能感受到的低頻率振動，這就為設計具有矢量指向性水聲傳感器提供了原型。

發(fā)明內容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有水聲傳感器的靈敏度和分辨率等指標的提高已達到檢測的極限狀態(tài)，從而限制檢測精度進一步提高的問題，利用基于共振隧穿薄膜隧穿效應的共振隧穿二極管這一納米級器件，提供了一種共振隧穿仿生矢量水聲傳感器。
本發(fā)明是采用如下技術方案實現(xiàn)的一種共振隧穿仿生矢量水聲傳感器，由半導體襯底及其上通過分子束外延(MBE)技術、微機電器件MEMS加工工藝加工出的共振隧穿二極管RTD、和其密度與水的密度相同或相近的微型柱狀體構成，半導體襯底中部采用半導體體刻蝕技術刻蝕成十字形懸臂梁結構，微型柱狀體固定于十字形懸臂梁的中央(即四梁交叉處)，共振隧穿二極管RTD分別設置于十字形懸臂梁四梁上的端部。使用時，將共振隧穿二極管RTD通過引線串聯(lián)穩(wěn)壓電源、電阻、電感，并聯(lián)電容，構成基于共振隧穿二極管的共振隧穿二極管振蕩器，穩(wěn)壓電源對共振隧穿二極管RTD施加偏置電壓使之工作于微分負阻區(qū)(當共振隧穿二極管RTD自身的寄生電阻、電感和電容足夠大時，無需再外加電阻、電容、電感)，共振隧穿二極管RTD振蕩器的振蕩頻率由電感值、RTD的I/V特性曲線和電容值共同決定。所以當電感和電容值一定時，振蕩頻率隨著共振隧穿二極管I/V曲線的漂移而改變；因此，微型柱狀體在聲波作用下作自由運動時，對十字形懸臂梁上的共振隧穿二極管產(chǎn)生應力作用，引起共振隧穿二極管的I/V曲線漂移，共振隧穿二極管的I/V曲線的漂移又影響著共振隧穿二極管振蕩器的振蕩頻率的變化，通過測量振蕩頻率的變化，就能得知聲壓的大小，并整合基于十字形懸臂梁四梁上共振隧穿二極管的四個共振隧穿二極管振蕩器的振蕩頻率變化信號，經(jīng)由后續(xù)信號處理電路處理，最終得出聲源的方位及聲壓大小。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明用固定于半導體襯底十字形懸臂梁中央的與水的密度相近或相同的微型柱狀體代替纖毛，且以固定在半導體襯底十字形懸臂梁上微型柱狀體周圍的共振隧穿二極管代替纖毛周圍的感覺細胞，模仿魚類側線聽覺原理，實現(xiàn)對水下聲信號的探測，同時由于采用微型柱狀體的密度與水的密度相近或相同，從而保證了微型柱狀體與水質點同振，最終通過測量微型柱狀體的振速，實現(xiàn)對水下聲信號的方位、聲壓大小的測量。就對微型柱狀體的實現(xiàn)來說一、可以通過查閱相關資料尋找與水密度相近或相同的材料制成微型柱狀體；二、通過在具有一定硬度材質制成的微型柱狀體上開設軸向通孔，使微型柱狀體整體密度與水的密度相近或相同。所述的共振隧穿二極管采用標準的集成電路(IC)表面工藝制作。
所述的分子束外延(MBE)技術、微機電器件MEMS加工工藝、半導體體刻蝕技術、集成電路(IC)表面工藝是現(xiàn)有公知技術。
本發(fā)明采用納米級器件制成，突破了常規(guī)微機電器件的極限，具有高靈敏度、低功耗、微體積和高轉換效率的優(yōu)點；并模擬魚類側線聽覺器官的工作原理，最終以單個傳感器實現(xiàn)了對水下聲源聲強(即聲壓和質點振速信息)的測量。


圖1為共振隧穿仿生矢量水聲傳感器的結構示意圖；圖2為十字形懸臂梁上應力分布曲線；圖3為共振隧穿二極管的I/V特性曲線；圖4為共振隧穿二極管振蕩器的電路原理圖；圖5為共振隧穿二極管振蕩器的應力-頻率輸出曲線；圖6為本發(fā)明的實物圖；圖7為本發(fā)明測試時的矢量指向性圖；圖8為本發(fā)明聲學探測的測試結果圖；圖9為本發(fā)明共振隧穿二極管設置的位置圖；
圖10為信號處理框圖；圖中1-半導體襯底；2-共振隧穿二極管RTD；3-十字形懸臂梁；4-微型柱狀體。
具體實施例方式
一種共振隧穿仿生矢量水聲傳感器，由半導體襯底1及其上通過分子束外延(MBE)技術、微機電器件MEMS加工工藝加工出的共振隧穿二極管RTD2、和其密度與水的密度相同或相近的微型柱狀體4構成，半導體襯底1中部采用半導體體刻蝕技術刻蝕成十字形懸臂梁結構，微型柱狀體4固定于十字形懸臂梁3的中央(即四梁交叉處)，共振隧穿二極管RTD2分別設置于十字形懸臂梁3四梁上的端部。所述半導體襯底1中部十字形懸臂梁3利用背面刻蝕工藝刻蝕成薄且具有彈性的懸臂梁。所述微型柱狀體4可采用兩端封閉的空芯光子晶體光纖柱體，另外，有很多塑料的密度與水的密度相同、相近，因此所述微型柱狀體4很容易制成。
為了在十字形懸臂梁3上正確布置共振隧穿二極管壓敏元件，利用Ansys軟件對半導體襯底十字形懸臂梁3的四梁上應力分布進行靜力仿真，得出了在聲壓作用下的梁上應力分布曲線(如圖2所示)，由圖2可知，十字形懸臂梁的四梁兩端處的應力最大，且等值反向，所以，所述共振隧穿二極管RTD2分別設置于十字形懸臂梁3的四梁的端部，另外從實現(xiàn)工藝角度考慮，共振隧穿二極管RTD2易設置于十字形懸臂梁3的四梁交叉?zhèn)鹊亩瞬?即微型柱狀體四周邊緣處)。
為了了解本發(fā)明的后續(xù)信號處理，如圖9和圖10所示，假定布置x軸正方向的共振隧穿二極管為RTDx+，x軸負方向的共振隧穿二極管為RTDx-，y軸正方向的共振隧穿二極管為RTDy+，y軸負方向的共振隧穿二極管為RTDy-。由上述應力分布分析可知，當有聲壓作用時，半導體襯底十字形懸臂梁的四梁上的RTDx+與RTDx-，RTDy+與RTDy-處的應力分布等值反向，由于壓敏效應，RTDx+與RTDx-，RTDy+與RTDy-構成的振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化，且兩處振蕩器的輸出頻率的變化量也將是等值反向。因此將四路頻率輸出信號濾波放大后，用頻率轉換電路把兩處振蕩器的輸出頻率信號轉化成電壓信號，再將RTDx+與RTDx-，RTDy+與RTDy-各通道輸出的電壓信號輸入到差分放大電路，實現(xiàn)RTDx+與RTDx-，RTDy+與RTDy-各通道的差值輸出，輸入到A/D數(shù)據(jù)采集電路，將模擬電壓信號轉換成數(shù)字信號，再輸入微處理器，在相關軟件支持下通過微處理器計算出聲源平面角度和聲壓，所述功能的后續(xù)信號處理電路為本技術領域的技術人員很容易實現(xiàn)的，因此在說明書中只提供了信號處理框圖用以理解。
對本傳感器進行了聲學探測機理驗證，通過實驗驗證了該基于共振隧穿二極管RTD的共振隧穿仿生矢量水聲傳感器具有聲學探測和矢量指向性能，具體測試樣品以及相應的結果見圖6、圖7和圖8。該水聲傳感器結構是模仿水聲魚類的特殊聽覺原理，即具有新型性，也具有合理性；同時其制造有納米薄膜技術和MEMS工藝技術的技術保障。
權利要求
1.一種共振隧穿仿生矢量水聲傳感器，其特征在于由半導體襯底(1)及其上通過分子束外延MBE技術、微機電器件MEMS加工工藝加工出的共振隧穿二極管(2)、和其密度與水的密度相同或相近的微型柱狀體(4)構成，半導體襯底(1)中部采用半導體體刻蝕技術刻蝕成十字形懸臂梁結構，微型柱狀體4固定于十字形懸臂梁(3)的中央，共振隧穿二極管(2)分別設置于十字形懸臂梁(3)四梁上的端部。
2.根據(jù)權利要求1所述的共振隧穿仿生矢量水聲傳感器，其特征在于所述共振隧穿二極管RTD(2)分別設置于十字形懸臂梁(3)的四梁交叉?zhèn)鹊亩瞬俊?br> 3.根據(jù)權利要求1或2所述的共振隧穿仿生矢量水聲傳感器，其特征在于所述半導體襯底(1)中部十字形懸臂梁(3)利用背面刻蝕工藝刻蝕成薄且具有彈性的懸臂梁。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水聲傳感器，具體是共振隧穿仿生矢量水聲傳感器。解決了現(xiàn)有水聲傳感器的靈敏度和分辨率等指標的提高已達到檢測的極限狀態(tài)，從而限制檢測精度提高的問題，該共振隧穿仿生矢量水聲傳感器，由半導體襯底及其上通過分子束外延技術、微機電器件MEMS加工工藝加工出的共振隧穿二極管、和其密度與水的密度相同或相近的微型柱狀體構成，半導體襯底中部采用半導體體刻蝕技術刻蝕成十字形懸臂梁結構，微型柱狀體固定于十字形懸臂梁的中央，共振隧穿二極管分別設置于十字形懸臂梁四梁上的端部。本發(fā)明采用納米級器件制成，突破了常規(guī)微機電器件的極限，模擬魚類側線聽覺器官的工作原理，最終以單個傳感器實現(xiàn)了對水下聲源聲強的測量。
文檔編號G01S7/521GK1912554SQ20061001299
公開日2007年2月14日 申請日期2006年7月26日 優(yōu)先權日2006年7月26日
發(fā)明者張文棟, 劉俊, 熊繼軍, 薛晨陽, 張斌珍, 謝斌, 陳尚 申請人:中北大學