[发明专利]一种压电式MEMS矢量振动传感器敏感体

说明书

本发明公开了一种压电式MEMS矢量振动传感器敏感体，包括正方形硅衬底，以正方形硅衬底中心为圆心的圆周上间隔均匀刻蚀有八个结构尺寸完全相同的圆形凹槽，正方形硅衬底端面与各个圆形凹槽相对应的部分形成圆形薄膜层；圆形薄膜层上依次设置有压电敏感单元、由复合弹性梁和立柱构成的力传动单元，且构成复合弹性梁的悬臂梁与压电敏感单元一一对应，压电敏感单元将力传动单元接收到的应力应变信号转换为电信号，实现信号的检测。本发明利用八个相互垂直方向上压电薄膜的不同极化形式实现振源方位估计，消除了左右舷模糊，且在一个微敏感结构单元上构造两个坐标原点严格重合的独立坐标系，利用两个坐标系进行方位估计，定向精度高，可靠性好。

技术领域

本发明涉及MEMS振动传感器领域，尤其涉及一种压电式MEMS矢量振动传感器敏感体。

背景技术

振动传感器在生物、化学和医学分析中，在航天、航空、航海的惯性导航系统及运载武器的指导系统中，在振动试验、地震监测、爆破工程、大型桥梁、地基测量、地矿勘测、飞机和汽车NVH等测量领域有着广泛的应用。随着半导体技术和MEMS技术的不断发展，振动传感器逐渐向微型化、智能化、集成化方向发展，基于MEMS技术的振动传感器在军用和民用领域具有广泛的应用前景。利用MEMS技术研制的单个振动传感器已经可以进行目标的定向功能，例如专利号为“201310362765.5”的发明专利公开的“一种用于管道内检测器声定位的单片集成敏感阵列”，通过在一个片子上构造两个独立坐标的敏感阵列结构，将两个坐标系下各自输出信号组合对比进行180°范围内的振源定位，但该结构振动传感器存在坐标原点不严格重合，直接将两个坐标系的输出进行组合对比实现定位，误差较大，且单只系统的可靠性和定向精度低，运用压阻原理，功耗大，常用于测试低频信号。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种压电式MEMS矢量振动传感器敏感体，可实现360°范围内的高精度定向，旨在克服现有单个矢量振动传感器可靠性差、定向精度不高、不能实现360°范围的准确定向等问题。

为了达到上述发明目的，进而采取的技术方案如下：

一种压电式MEMS矢量振动传感器敏感体，包括正方形硅衬底，以正方形硅衬底中心为圆心的圆周上间隔均匀刻蚀有八个结构尺寸完全相同的圆形凹槽，所述正方形硅衬底端面与各个圆形凹槽相对应的部分形成圆形薄膜层；

所述圆形薄膜层上设置有压电敏感单元，所述压电敏感单元包括下电极层、压电薄膜层以及上电极层，所述压电薄膜层设置在下电极层与上电极层之间；

所述压电敏感单元上设置有力传动单元，所述压电敏感单元可将力传动单元接收到的应力应变信号转换为电信号并传到输出端，实现信号的检测；

所述力传动单元包括一复合弹性梁，所述复合弹性梁为“米”字结构，包括八根间隔均匀对称设置的悬臂梁，所述八根悬臂梁末端均设有支腿，各支腿中心和其位置对应的压电敏感单元中心重合，且与上电极层固定连接，所述八根悬臂梁交叉的中心处与所述正方形硅衬底中心重合，且设置有一长方体立柱。

较佳的，所述压电敏感单元为圆形，且其轴心线与所述圆形薄膜层的轴心线重合。

更佳的，所述压电敏感单元直径小于所述圆形薄膜层的直径，所述压电敏感单元和圆形薄膜层的尺寸参数可根据实际应用的性能指标需求确定。

较佳的，所述八个下电极层结构尺寸完全一致，八个压电薄膜层结构参数完全一致，八个上电极层结构参数完全一致。

较佳的，所述下电极层为Pt/Ti电极层，所述压电薄膜层为PZT压电薄膜，所述上电极层为Au/Ti电极层。

较佳的，任意相邻的两个悬臂梁之间的夹角为45°。

较佳的，所述圆形凹槽开口方向与力传动单元在正方形硅衬底上的设置方向相反。