[发明专利]高灵敏宽频带压电式MEMS矢量水听器

说明书

一种高灵敏宽频带压电式MEMS矢量水听器，涉及MEMS传感器领域，它由用于接收声波的立柱、支撑立柱的底座、敏感转换垫、支撑架组成，立柱与底座固定连接，底座放置在敏感转换垫上面；敏感转换垫设置在支撑架上面；所述底座由两个横梁和四个支腿组成，两个横梁十字交叉，每个横梁的下面均设两个支腿，支腿下面设置一个圆形敏感转换垫；所述敏感转换垫由上金属电极层、下金属电极层和中间压电材料薄膜层组成；中间压电材料薄膜层夹在上金属电极层、下金属电极层之间；所述支撑架由支柱和硅衬底薄膜组成，支柱上面设置硅衬底薄膜。本发明解决了现有二维矢量水听器灵敏度受限、频带窄、功耗大等问题。

技术领域

本发明涉及一种MEMS矢量传感器，具体是一种新型高灵敏宽频带压电式MEMS矢量水听器。

背景技术

水听器是一种用于接收水下声音信号的设备，用来接收声压信号并将其转换为便于处理的输出信号。矢量水听器既可测量标量（声压）信息，又可测声场的矢量信息（质点振速，加速度等），这些信息量的加大，对声纳信号处理大有益处。矢量水听器检测维数越多，信息量越大。目前，大多水听器主要用于低频探测，且当前的二维矢量水听器大都是由两个一维水听器组合而成，增大了体积，且一致性较差，频带受限。

基于电容原理的水听器温度系数低、敏感度高而且容易实现单片集成，但其对寄生电容特别敏感，容易在系统中引入直流失调和额外的噪声。基于压阻原理的水听器采用电桥法作为敏感单元，能测到零频，但其属于有源器件，工作时需要外接电压源，功耗大，工作频带窄（一般在几百赫兹），灵敏度较低，抗流噪声性能差，工程应用不方便。基于压电效应的水听器属于无源器件，可进一步缩小水听器体积，还具有动态测试范围广、噪声低、灵敏度高等优点。传统的压电式MEMS矢量水听器用压电陶瓷圆管作为环能元器件的圆柱形水声传感器，相对简单，沿着圆管的垂直面器件的指向性较为均匀，常用作标准水声传感器。但是，该水声传感器有以下缺点：抗冲击性能差，质量重，声阻抗与液态环境不匹配，制作工艺复杂，加工困难等。还有的压电水听器是将压电材料和电极放在柔性振膜上，该类压电式水听器灵敏度低，且单个水听器不能实现方位估计。

综上，二维矢量水听器在高灵敏、宽频带、低功耗、小体积等方面仍需进一步的研究改进。

发明内容

为了解决二维矢量水听器灵敏度受限、频带窄、功耗大的问题，本发明提出一种高灵敏宽频带压电式MEMS矢量水听器。

本发明的技术方案：一种高灵敏宽频带压电式MEMS矢量水听器，它由用于接收声波的立柱、支撑立柱的底座、敏感转换垫、支撑架组成，立柱与底座固定连接，底座放置在敏感转换垫上面；敏感转换垫设置在支撑架上面；所述底座由两个横梁和四个支腿组成，两个横梁十字交叉，每个横梁的下面均设两个支腿，支腿下面设置一个圆形敏感转换垫；所述敏感转换垫由上金属电极层、下金属电极层和中间压电材料薄膜层组成；中间压电材料薄膜层夹在上金属电极层、下金属电极层之间；所述支撑架由支柱和硅衬底薄膜组成，支柱上面设置硅衬底薄膜。

当有声波信号作用到立柱上时，立柱根据声音信号的方向产生弯曲变形，进而通过底座引起硅衬底薄膜变形，硅衬底薄膜上产生与声压成比例的应力应变，位于硅衬底薄膜上面的中间压电材料薄膜层产生压电效应，发生与应力成比例的压电材料极化，同时中间压电材料薄膜层两端产生极性相反的等量极化电荷，将应力应变转换为电信号，通过上、下端面的金属电极传输至输出端，实现声波信号的检测；通过四个压电材料的不同极化形式检测声音信号的方向，解决左右弦模糊问题，同时声波通过立柱的两个垂直面接收，实现二维方向声音信号的探测。

所述立柱为长×宽×高=320um×320um×3000um的四棱柱。

所述横梁的长×宽×厚=2520um×320um×100um。

压电材料薄膜层（5）为PZT压电薄膜层，压电材料薄膜层（5）为直径是490um，厚度是3um的圆形。

硅衬底薄膜（6）为直径是700um，厚度是10um的圆形薄膜。