差動隔振式mems矢量水聽器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種具有差動效應(yīng)的MEMS矢量水聽器敏感結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)有的彈性隔振結(jié)構(gòu)的聲散射問題、只能針對特定頻帶的噪聲進(jìn)行降幅處理以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可靠性不足等問題。該敏感結(jié)構(gòu)包括硅基座框架、懸臂梁、中心連接體、上下對稱粘結(jié)的微型柱狀體，十字形懸臂梁上設(shè)置有八個應(yīng)變壓敏電阻。工作時，平臺的振動以慣性力的形式作用于微型柱狀體，上下對稱的微型柱狀體產(chǎn)生等值、反向的力矩，聲信號通過封裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差模信號并作用于上下微型柱狀體，上下對稱的微型柱狀體產(chǎn)生差模力矩。通過該結(jié)構(gòu)的共模抑制，差模輸出的特性來達(dá)到減振的效果。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、可靠，減振效果明顯，不受振動來源、振動頻帶的影響。
【專利說明】差動隔振式MEMS矢量水聽器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及MEMS矢量水聽器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種具有差動效應(yīng)的MEMS矢量水 聽器敏感結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002] 矢量水聽器作為一種能夠時間同步、空間共點(diǎn)測得水下聲場矢量信息的傳感器， 在海洋工程和海洋開發(fā)中有著廣泛的應(yīng)用前景。MEMS矢量水聽器的應(yīng)用使得水中聲音信息 的獲取技術(shù)有了巨大的提高，但由于其工作環(huán)境復(fù)雜，安裝平臺多樣，振動噪聲會沿著支撐 結(jié)構(gòu)傳至敏感單元，嚴(yán)重影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性、靈敏度等?，F(xiàn)有的MEMS矢量水聽器主要 采用彈性元件隔離的方式進(jìn)行減振，例如專利號為CN201010582248. 5的中國發(fā)明專利公 開的一種"矢量水聽器用抗流噪聲型敏感體"，實(shí)現(xiàn)了芯片級減振。但該會增加MEMS工藝難 度，影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，并且減振效果受激勵的頻率影響較大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有矢量水聽器減振結(jié)構(gòu)的MEMS加工工藝復(fù)雜、結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定性、可靠性低、特定彈性元件只能應(yīng)用于特定頻帶等問題，而提供一種差動隔振式MEMS 矢量水聽器。
[0004] 本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的： 一種差動隔振式MEMS矢量水聽器，包括娃基座框架、息臂梁W及通過息臂梁支息于娃 基座框架中也位置的中也連接體，中也連接體的四個邊分別通過一根息臂梁與娃基座框架 的四個邊框固定；每根息臂梁的根部和端部分別集成有一個壓敏電阻，四根息臂梁上的八 個壓敏電阻阻值都相等；其中，位于X方向的兩根息臂梁上的四個壓敏電阻組成一個惠斯 通電橋，位于Y方向的兩根息臂梁上的四個壓敏電阻組成一個惠斯通電橋；中也連接體的 上表面垂直粘結(jié)有上微型柱狀體，中也連接體的下表面垂直粘結(jié)有下微型柱狀體，上、下微 型柱狀體的材料屬性W及尺寸完全相同且W中也連接體對稱布置，上、下微型柱狀體的密 度與水的密度相同或接近。
[0005] 進(jìn)一步的，所述的息臂梁和中也連接體采用SOI材料經(jīng)過現(xiàn)有的MEMS微機(jī)械工藝 加工而成；所述的壓敏電阻采用P型娃電阻條，電阻條按[110]晶向布置，且壓敏電阻通過 現(xiàn)有的擴(kuò)散工藝加工而成。
[0006] 所述的娃基座框架的外邊長為3200ym、內(nèi)邊長為2600ym、厚度為40ym;所述的 息臂梁的梁長為1000ym、梁寬為200ym、梁厚為40ym;所述的中也連接體為正方形結(jié)構(gòu)， 其邊長為600ym、厚度為40ym;所述的上、下微型柱狀體的長度均為5000ym，半徑均為 150Um。
[0007] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在中也連接體的頂端、底端對稱位置粘結(jié)兩根完全相同 的微型柱狀體，使得敏感結(jié)構(gòu)從平面對稱轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g對稱，增加靜態(tài)、動態(tài)穩(wěn)定性的同時還 可W達(dá)到差動檢測的目的。水聽器工作平臺受到外界擾動時，上下對稱的微型柱狀體受到 大小、方向相同的慣性力作用，進(jìn)而產(chǎn)生作用效果相反的扭矩并互相抵消，實(shí)現(xiàn)四端息臂梁 零扭矩輸入，從而大大減小矢量水聽器對安裝平臺振動的輸出響應(yīng)。目P;工作時，平臺的振 動W慣性力的形式作用于微型柱狀體，上下對稱的微型柱狀體產(chǎn)生等值、反向的力矩，即共 模力矩。聲信號通過封裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差模信號并作用于上、下微型柱狀體，上下對稱的微型柱 狀體產(chǎn)生差模力矩。通過該結(jié)構(gòu)的共模抑制，差模輸出的特性來達(dá)到減振的效果。
[0008] 對該敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析可知，單根微型柱狀體受到慣性加速度a作用時，對 中也連接體產(chǎn)生的等效作用為等效力Fhi=-F慣、彎矩Mi=-F.慣XL、M2=F.慣XL。對于對稱式微 型柱狀體，對中也連接體產(chǎn)生的等效水平作用力EF尸-2XF,g、彎矩EM=Od
[0009] 單根息臂梁在彎矩M和水平力Fh的作用下任意一點(diǎn)的應(yīng)力OW為：

【權(quán)利要求】
1. 一種差動隔振式MEMS矢量水聽器，其特征在于：包括硅基座框架（1)、懸臂梁（2)以 及通過懸臂梁（2)支懸于硅基座框架（1)中心位置的中心連接體（3)，中心連接體（3)的四 個邊分別通過一根懸臂梁（2 )與硅基座框架（1)的四個邊框固定；每根懸臂梁（2 )的根部和 端部分別集成有一個壓敏電阻（6)，四根懸臂梁（2)上的八個壓敏電阻（6)阻值都相等；其 中，位于X方向的兩根懸臂梁（2)上的四個壓敏電阻（6)組成一個惠斯通電橋，位于Y方向 的兩根懸臂梁（2)上的四個壓敏電阻（6)組成一個惠斯通電橋；中心連接體（3)的上表面垂 直粘結(jié)有上微型柱狀體（4)，中心連接體（3)的下表面垂直粘結(jié)有下微型柱狀體（5)，上、下 微型柱狀體（4、5)的材料屬性以及尺寸完全相同且以中心連接體（3)對稱布置，上、下微型 柱狀體（4、5)的密度與水的密度相同或接近。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動隔振式MEMS矢量水聽器，其特征在于：所述的懸臂梁 (2)和中心連接體（3)采用SOI材料經(jīng)過現(xiàn)有的MEMS微機(jī)械工藝加工而成；所述的壓敏電 阻（6)采用P型硅電阻條，電阻條按[110]晶向布置，且壓敏電阻（6)通過現(xiàn)有的擴(kuò)散工藝 加工而成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的差動隔振式MEMS矢量水聽器，其特征在于：所述的硅基 座框架（1)的外邊長為3200ii m、內(nèi)邊長為2600ii m、厚度為40 iim;所述的懸臂梁（2)的梁 長為lOOOiim、梁寬為200iim、梁厚為40iim ;所述的中心連接體（3)的邊長為600iim、厚度 為40 y m ;所述的上、下微型柱狀體（4、5)的長度均為5000 y m，半徑均為150 y m。
【文檔編號】G01H11/06GK104359547SQ201410626399
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月10日
【發(fā)明者】張國軍, 王續(xù)博, 郭靜, 簡澤明, 劉源, 郭楠, 劉夢然, 張文棟 申請人:中北大學(xué)