復(fù)合式mems仿生水聽器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及MEMS仿生水聽器技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種復(fù)合式MEMS仿生水聽器。
【背景技術(shù)】
[0002] 矢量傳感器具有對水下聲源目標(biāo)進(jìn)行定位的作用，可以適用于各類民用船只避 障，漁業(yè)捕撈，海洋勘探的重要設(shè)備。隨著微機(jī)電MEMS產(chǎn)業(yè)的興起，矢量水聽器逐漸向微型 化、集成化方向發(fā)展，具有廣泛的軍事和民用前景。由于現(xiàn)有MEMS矢量水聽器只能測聲場矢 量信息且靈敏度和頻率響應(yīng)帶寬均不理想，存在左右舷模糊等缺陷。然而在同一個測試過 程中，往往會遇到很多所需測量的聲源信號的大小和頻率各不相同的情況，并且需要對聲 信號進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。在這些場合中用一個矢量水聽器很難滿足測試要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有MEMS矢量水聽器只能測聲場矢量信息、靈敏度和頻 率響應(yīng)帶寬均不理想以及左右舷模糊等問題，而提供一種復(fù)合式MEMS仿生水聽器。
[0004] 本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的： 一種復(fù)合式MEMS仿生水聽器，包括圓形的底層硅，在底層硅上氧化有氧化絕緣層，氧化 絕緣層上鍵合有圓形的頂層硅(頂層硅也稱薄膜）；頂層硅的中部按行列形式布置有四組四 梁纖毛式聲電換能結(jié)構(gòu)，四組四梁纖毛式聲電換能結(jié)構(gòu)以頂層硅的圓心對稱布置，四組四 梁纖毛式聲電換能結(jié)構(gòu)正下方的氧化絕緣層被刻蝕掉，其中，所述的四梁纖毛式聲電換能 結(jié)構(gòu)包括開設(shè)于頂層硅上的正方形窗口，正方形窗口的中心處設(shè)有正方形的中心連接體， 中心連接體的四邊通過四根懸臂梁與正方形窗口的四邊連接，中心連接體上設(shè)有纖毛，懸 臂梁的兩端分別設(shè)有一個壓敏電阻，其中四個壓敏電阻組成探測X方向信號的惠斯通電橋、 剩余四個壓敏電阻組成探測Y方向信號的惠斯通電橋(正方形窗口、中心連接體、懸臂梁、纖 毛及壓敏電阻是通過MEMS工藝及擴(kuò)散工藝制作而成的）；四組四梁纖毛式聲電換能結(jié)構(gòu)的 四根纖毛長短不等(纖毛的密度與水接近）;氧化絕緣層上在其周緣處均布有四個被氧化刻 蝕的空腔，頂層硅的頂面上正對每個空腔的位置分別濺射有上電極，底層硅的底面上正對 每個空腔的位置分別濺射有下電極上、下電極的直徑均小于空腔的直徑;頂層硅上圍繞每 個上電極的四周都均布有四個貫穿頂層硅且與空腔相通的注油孔。
[0005] 本發(fā)明設(shè)計的是一種單片集成的壓敏硅微電容和纖毛與十字梁換能微結(jié)構(gòu)的高 靈敏度寬量程水聽器，該單片集成復(fù)合量程矢量水聽器中的矢量水聽器采用四梁纖毛式聲 電換能結(jié)構(gòu)，并將四梁纖毛式聲電換能結(jié)構(gòu)設(shè)置成陣列形式，四個四梁纖毛式聲電換能結(jié) 構(gòu)對稱布置，且各個結(jié)構(gòu)的纖毛長短不一，在結(jié)構(gòu)上各路的惠斯通電橋之間都采用并聯(lián)形 式;聲壓水聽器采用電容式換能結(jié)構(gòu)，為提高其承壓性能在薄膜(薄膜即指頂層硅，下同）上 每個空腔處開四個注油孔，保持薄膜內(nèi)外動水壓的平衡。
[0006] 作為優(yōu)選方案，上、下電極的直徑為空腔直徑的一半。經(jīng)過大量的理論分析和不斷 的試驗驗證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)上、下電極的直徑均為空腔直徑的一半時，其靈敏度和轉(zhuǎn)換率達(dá)到最佳 的平衡效果。
[0007] 作為優(yōu)選方案，頂層硅上圍繞每個上電極及其四個注油孔外刻蝕有環(huán)形隔離槽， 環(huán)形隔離槽的直徑大于其對應(yīng)的空腔的直徑。這樣設(shè)計的優(yōu)點為:頂層硅為半導(dǎo)體，通過環(huán) 形隔離槽劃開可以避免產(chǎn)生過大的寄生電容;頂層硅薄膜結(jié)構(gòu)相對獨立，振動特性不受周 圍影響。
[0008] 傳統(tǒng)的MEMS矢量水聽器僅能接收到矢量信息，且指向性具有對稱性（圖3)，存在左 右舷模糊的問題，當(dāng)其與聲壓信號聯(lián)合處理時（圖4)，左右舷模糊的問題就不存在了。
[0009]本發(fā)明水聽器中的矢量部分： 利用ANSYS有限元軟件詳細(xì)分析，確定了微結(jié)構(gòu)的尺寸：中心連接體的邊長為600μπι、厚 度為40μηι，懸臂梁的長度為ΙΟΟΟμηι、寬度為120μηι、厚度為40μηι。
[0010] 本發(fā)明水聽器中的電容部分： 當(dāng)外部聲波信號作用于薄膜表面，引起薄膜振動發(fā)生撓曲，上下電極間因撓曲帶動電 極間距的改變，從而產(chǎn)生交變電容。通過四臂阻抗電路，實現(xiàn)電容變化的檢測到輸出電壓的 變化的檢測，從而實現(xiàn)聲能到電能的轉(zhuǎn)化。低頻電容傳感器的諧振頻率是該電容傳感器設(shè) 計的出發(fā)點，因此確定其諧振頻率對該低頻電容傳感器十分重要。對于一個周邊固支的圓 形薄板來說，薄板最低的諧振頻率公式為：
通過ANASYS workbench 14.5對電容的薄膜結(jié)構(gòu)建立了有限元分析模型，通過仿真來 驗證理論分析及確定電容尺寸參數(shù):薄膜（即圓形的頂層硅)的直徑為2mm、厚度為0.002mm， 氧化絕緣層上的空腔高度為2μπι，注油孔的直徑為0.2_。對薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析、模態(tài)分 析以及路徑分析。得到其一階模態(tài)圖（圖5)和位移圖（圖6)，從而得出薄膜結(jié)構(gòu)的固有頻率 和形變量。該薄膜上的注油孔結(jié)構(gòu)與空腔構(gòu)成的赫姆霍茲共振腔的的頻率為2.38 ΜΗζ，遠(yuǎn) 遠(yuǎn)大于工作頻率為3Κ的低頻電容傳感器。由此可以看出，該赫姆霍茲共振吸聲結(jié)構(gòu)對該低 頻電容傳感器的工作不構(gòu)成影響。在無外界超聲聲壓信號作用時，該低頻電容的絕對電容 值為5.09pF，外加10V電壓，在IPa作用力下的電容值為5.24pF，則電容變化量為0.15pF，可 得到該低頻電容傳感器的靈敏度為-142.7dB。
[0011] 本發(fā)明是將電容水聽器與矢量水聽器集成到一起從而使得該復(fù)合水聽器既能測 矢量信息又能測標(biāo)量信息。本發(fā)明水聽器由于能同步同位測聲場聲壓及聲壓梯度信息，解 決了現(xiàn)有水聽器左右舷模糊的問題。本發(fā)明復(fù)合式MEMS仿生水聽器結(jié)構(gòu)簡單，極大的拓寬 了有效頻帶范圍，單片集成便于安裝和測試，提高了安裝精度，最終以單個傳感器實現(xiàn)了小 體積內(nèi)的傳感器組陣，克服了在傳統(tǒng)的組陣中的各個水聽器的不一致性。以其生產(chǎn)加工的 矢量傳感器應(yīng)用范圍廣闊，可以適用于各類民用船只避障，漁業(yè)捕撈，海洋勘探的重要設(shè) 備。
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