[发明专利]一种四纤毛仿生MEMS矢量水声传感器微结构

说明书

技术领域

本发明属于矢量水听器领域，具体涉及一种具有多段梁的四纤毛仿生MEMS二维矢量水听器微结构。

背景技术

鉴于微电子机械系统(MEMS，Micro Electro Mechanical System)技术具有微型化、多样化、微电子化等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。专利申请号为200610012991.0的公开文件提出了一种共振隧穿仿生矢量水声传感器，利用单只传感器实现了对水下声信号二维平面内方位的探测，虽然突破了常规微机电器件的灵敏度和分辨率的极限状态。但是，该水听器的灵敏度和频响范围一直存在矛盾，即若要频响范围宽些，就要降低水听器的灵敏度，从而降低了矢量水听器的分辨率；若要提高灵敏度，就要缩小水听器的频响范围。然而，实际工程应用中，需要水听器有一定的频响范围，所以灵敏度和频响范围之间的矛盾直接影响了该MEMS水听器的进一步工程化应用。又如专利申请号为201210557743.X的公开文件提出了一种四元列阵MEMS矢量水听器微结构，可有效的消除了左右舷模糊问题，但是仍存在上述灵敏度和频响范围之间存在矛盾的缺点。

发明内容

本发明提出一种四纤毛仿生MEMS矢量水声传感器微结构，以解决目前水听器的灵敏度和频响范围一直存在矛盾，即若要频响范围宽些，就要降低水听器的灵敏度，从而降低了矢量水听器的分辨率，若要提高灵敏度，就要缩小水听器的频响范围的问题。

本发明的技术方案如下：一种四纤毛仿生MEMS矢量水声传感器微结构，包括采用MEMS微加工技术加工获得的正方形框架和架设于所述正方形框架中央的“井”字形悬梁臂；所述“井”字形悬梁臂的各段梁由宽段和对称设置于所述宽段两侧的窄段组成，所述各段梁通过位于所述“井”字形悬梁臂交叉点处的正方形连接体连接；所述窄段上分别设置有阻值相等的压敏电阻，所述压敏电阻共形成两组惠斯通全桥，所述两组惠斯通全桥分别测量两个相互垂直方向上的水生信号；所述位于“井”字形悬梁臂交叉点处的各个正方形连接体上均固定的设置有垂直纤毛。

进一步的，所述“井”字形悬梁臂以任意点为坐标原点建立坐标系，沿其任意悬臂梁方向作为X方向，与所述X方向的垂直方向作为Y方向，在所述X方向，每个所述垂直纤毛两侧梁上的四个所述压敏电阻构成一对惠斯通全桥差动电路，其中，每两个垂直纤毛间的梁上的所述压敏电阻为共用电阻，总共形成四对惠斯通全桥；在所述Y方向上，所述压敏电阻的连接方式与所述X方向的所述压敏电阻的连接方式相同，形成另外四对惠斯通全桥，在XOY平面上共形成两组惠斯通全桥，分别用于检测所述X方向和所述Y方向的水声信号。

再进一步的，所述垂直纤毛采用与水密度接近的材料制成。

其中，所述微结构的加工材料为SOI硅圆片。

优选的，所述压敏电阻利用离子注入技术注入硼离子形成。

下面利用ANSYS Workbench14.0有限元分析软件对本发明所述微结构进行仿真分析，综合灵敏度、频响、横向灵敏度三方面因素设定四纤毛仿生二维MEMS矢量水听器微结构的各部分尺寸，如表1所示。

表1