[发明专利]多重应力集中式MEMS仿生水听器

说明书

本发明为一种多重应力集中式MEMS仿生水听器，解决现有MEMS矢量水听器只能测声场矢量信息、灵敏度和频率响应带宽均不理想以及左右舷模糊等问题。本发明水听器包括由底层硅、氧化层和顶层硅，在顶层硅上均布四组四梁纤毛式声电换能结构，四组四梁纤毛式声电换能结构底部为空腔，其中悬臂梁的两端设有沉降槽及内缩的豁口；氧化层上均布有四个空腔，顶层硅及底层硅上正对每个空腔的位置溅射有上、下电极，顶层硅上围绕每个上电极均布四个注油孔。本发明水听器结构简单，极大的拓宽了有效频带范围，单片集成便于安装和测试，提高了安装精度，最终以单个传感器实现了小体积内的传感器组阵，克服了在传统的组阵中的各个水听器的不一致性。

技术领域

本发明涉及MEMS仿生水听器技术领域，具体是一种多重应力集中式MEMS仿生水听器。

背景技术

矢量传感器具有对水下声源目标进行定位的作用，可以适用于各类民用船只避障，渔业捕捞，海洋勘探的重要设备。随着微机电MEMS产业的兴起，矢量水听器逐渐向微型化、集成化方向发展，具有广泛的军事和民用前景。由于现有MEMS矢量水听器只能测声场矢量信息且灵敏度和频率响应带宽均不理想，存在左右舷模糊等缺陷。但是在同一个测试过程中，往往会遇到很多所需测量的声音信号的大小和频率各不相同的情况，并且需要对声信号进行准确的定位。在这些场合中用一个矢量水听器很难满足测试要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有MEMS矢量水听器只能测声场矢量信息、灵敏度和频率响应带宽均不理想以及左右舷模糊等问题，而提供一种多重应力集中式MEMS仿生水听器。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种多重应力集中式MEMS仿生水听器，包括圆形的底层硅，在底层硅上氧化有氧化层，氧化层上键合有圆形的顶层硅（顶层硅也称薄膜）；顶层硅的中部按行列形式布置有四组四梁纤毛式声电换能结构，四组四梁纤毛式声电换能结构以顶层硅的圆心对称布置，四组四梁纤毛式声电换能结构正下方的氧化层被刻蚀掉，其中，所述的四梁纤毛式声电换能结构包括开设于顶层硅上的正方形窗口，正方形窗口的中心处设有正方形的中心连接体，中心连接体的四边通过四根悬臂梁与正方形窗口的四边连接，中心连接体上设有纤毛，悬臂梁的两端分别设有一个压敏电阻，其中四个压敏电阻组成探测X方向信号的惠斯通电桥、剩余四个压敏电阻组成探测Y方向信号的惠斯通电桥（正方形窗口、中心连接体、悬臂梁、纤毛及压敏电阻是通过MEMS工艺及扩散工艺制作而成的）；四梁纤毛式声电换能结构中的悬臂梁的两端从顶部向下开设有沉降槽（沉降槽是通过湿法腐蚀刻蚀而成的，以此达到使悬臂梁端部变薄的目的），沉降槽槽底的两边为内缩的豁口设计（内缩的豁口是通过干法刻蚀而成的，也称SCR形状，以此达到使悬臂梁端部变窄的目的）；四梁纤毛式声电换能结构中悬臂梁上的压敏电阻设于其两端的沉降槽槽底上；四组四梁纤毛式声电换能结构的四根纤毛长短不等（纤毛的密度与水接近）；氧化层上在其周缘处均布有四个被氧化刻蚀的空腔，顶层硅的顶面上正对每个空腔的位置分别溅射有上电极，底层硅的底面上正对每个空腔的位置分别溅射有下电极，上、下电极的直径均小于空腔的直径；顶层硅上围绕每个上电极的四周都均布有四个贯穿顶层硅且与空腔相通的注油孔。

作为优选方案，上、下电极的直径为空腔直径的一半。经过大量的理论分析和不断的试验验证，发现当上、下电极的直径均为空腔直径的一半时，其灵敏度和转换率达到最佳的平衡效果。

作为优选方案，顶层硅上围绕每个上电极及其四个注油孔外刻蚀有环形隔离槽，环形隔离槽的直径大于其对应的空腔的直径。这样设计的优点为：顶层硅为半导体，通过环形隔离槽划开可以避免产生过大的寄生电容；顶层硅薄膜结构相对独立，振动特性不受周围影响。