[发明专利]基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS矢量水声传感器，具体是一种基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器。

背景技术

MEMS矢量水声传感器因其具有体积小、灵敏度高、矢量性和一致性好、低成本、刚性安装、使用方便等一系列优点，而被广泛应用于各个领域。现有MEMS矢量水声传感器主要包括压阻式MEMS矢量水声传感器和压电陶瓷MEMS矢量水声传感器。其中，压阻式MEMS矢量水声传感器是一种基于压阻原理的MEMS矢量水声传感器，其具有体积小、测量范围广等优点，但其为有源器件，需要外接电源，因而其存在抗流噪声性能差、灵敏度低的问题。压电陶瓷MEMS矢量水声传感器是一种基于压电效应的MEMS矢量水声传感器，其具有低噪声、高动态测试范围、灵敏度高等优点，但其存在抗冲击性能差、质量重、声阻抗与水不匹配、加工制作困难的问题。基于此，有必要发明一种优化的MEMS矢量水声传感器，以解决现有MEMS矢量水声传感器抗流噪声性能差、灵敏度低、抗冲击性能差、质量重、声阻抗与水不匹配、以及加工制作困难的问题。

发明内容

本发明为了解决现有MEMS矢量水声传感器抗流噪声性能差、灵敏度低、抗冲击性能差、质量重、声阻抗与水不匹配、以及加工制作困难的问题，提供了一种基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器。

本发明是采用如下技术方案实现的：基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器，包括基底、框形基座、悬臂梁、质量块、空心玻璃柱体、内侧PZT压电薄膜、以及外侧PZT压电薄膜；其中，框形基座的下端面键合于基底的上表面；悬臂梁的外端面固定于框形基座的内表面；质量块固定于悬臂梁的内端面，且质量块的上表面中央垂直开设有圆孔；空心玻璃柱体的下端键合于圆孔内；内侧PZT压电薄膜旋涂于悬臂梁的内端上表面；外侧PZT压电薄膜旋涂于悬臂梁的外端上表面；内侧PZT压电薄膜的底电极与外侧PZT压电薄膜的底电极相互共用；内侧PZT压电薄膜的顶电极与外侧PZT压电薄膜的顶电极相互断开。

工作时，本发明所述的基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器以鱼类的侧线器官为原型，通过空心玻璃柱体模仿鱼类的可动纤毛，通过PZT压电薄膜模仿鱼类的感觉细胞，通过空心玻璃柱体与声学介质的质点同步振动来拾取声压信号。具体工作过程如下：当空心玻璃柱体与声学介质的质点同步振动时，空心玻璃柱体带动质量块进行运动，质量块带动悬臂梁发生弯曲形变，使得内侧PZT压电薄膜的内部和外侧PZT压电薄膜的内部均产生极化现象，内侧PZT压电薄膜的极化表面和外侧PZT压电薄膜的极化表面均出现电荷，由此将质点同步振动信号（即声压信号）转换成电信号。在此过程中，悬臂梁的内端受到的作用力与外端受到的作用力相反（分别为拉应力和压应力），内侧PZT压电薄膜的极化表面出现的电荷与外侧PZT压电薄膜的极化表面出现的电荷正负相反，如图4所示。通过共用底电极、断开顶电极的方式，能够实现内侧PZT压电薄膜与外侧PZT压电薄膜之间的串联，由此能够增大电信号。基于上述过程，与现有MEMS矢量水声传感器相比，本发明所述的基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器具有如下优点：其一，与压阻式MEMS矢量水声传感器相比，本发明所述的基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器为无源器件，不需要外接电源，因而其抗流噪声性能更好、灵敏度更高。其二，与传统压电陶瓷MEMS矢量水声传感器相比，本发明所述的基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器的抗冲击性能更好、质量更轻、声阻抗与水更匹配、加工制作更容易。综上所述，本发明所述的基于压电效应的MEMS仿生结构矢量水声传感器通过采用优化结构，有效解决了现有MEMS矢量水声传感器抗流噪声性能差、灵敏度低、抗冲击性能差、质量重、声阻抗与水不匹配、以及加工制作困难的问题，其具有三维矢量性，能够实现对x、y、z三个方向的三维空间声压信号进行精确感知和定向。

进一步地，框形基座上固定有外接引线键合焊盘；内侧PZT压电薄膜的极化表面与外接引线键合焊盘之间、外侧PZT压电薄膜的极化表面与外接引线键合焊盘之间均连接有引线。工作时，通过引线和外接引线键合焊盘，能够将电信号输出。

本发明有效解决了现有MEMS矢量水声传感器抗流噪声性能差、灵敏度低、抗冲击性能差、质量重、声阻抗与水不匹配、以及加工制作困难的问题，适用于水声传感。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的平面结构示意图。

图3是图2的A-A剖视图。