一种水听器离散梁膜融合声敏感芯片的过载或干扰信号释放及离散电容的增敏设计方法技术

本发明专利技术公开了一种水听器离散梁膜融合声敏感芯片的过载或干扰信号释放及离散电容的增敏设计方法。在C形硅杯基座上制作的平膜分为多个子梁膜，多个子梁膜组成圆形平膜，每个子梁膜之间存在微米级间隙；每个子梁膜上制作有压电敏感膜及检测电容电极，每个子梁膜上的检测电容通过串联的方式连接。本发明专利技术用以解决如何在MEMS敏感结构有限尺寸之内实现传感器敏感芯片原始灵敏度增强，同时提高传感器抗过载能力，增强环境适应性；水听器离散梁膜融合声敏感芯片用于敏感水下声压等信号，制作声压水听器，也可以利用此芯片设计制作位移、压差、流量、流速、质点振动传感器以及空气介质中的相应参数的传感器。相应参数的传感器。相应参数的传感器。

【技术实现步骤摘要】
一种水听器离散梁膜融合声敏感芯片的过载或干扰信号释放及离散电容的增敏设计方法


[0001]本专利技术属于传感器
，具体为MEMS声传感器，涉及一种基于水听器离散梁膜融合声敏感芯片结构的过载或干扰信号释放及离散电容的增敏设计方法。

技术介绍

[0002]氮化铝是
Ⅲ‑Ⅴ
族宽禁带半导体材料，氮化铝薄膜材料耐高温、化学性质稳定、绝缘性能好,导热性能好，是优良的压电材料。由于氮化铝薄膜材料具有电、机双向的可致动特性，且可用反应溅射法制得，因此受到广泛关注。相比于传统的压电陶瓷和氧化锌(ZnO)等压电材料，氮化铝薄膜在传感器微型化和稳定性方面优势明显；在压电特性方面，ALN压电材料虽然压电系数相对较低，但由于其介电常数也低，因此其FOM值较高；尤其是氮化铝薄膜还具有与MEMS的工艺兼容性，可以批量制造，因此备受关注。近几年国际、国内采用氮化铝薄膜开展了PMUT、射频痕量检测等各类传感器技术探索研究工作，尤其是美国在近零功耗的射频和声传感器技术方面取得了多项技术突破，国内也在PMUT方面和高精度生物检测方面都取得了很好的研究成果。
[0003]微机电系统(MEMS，Micro
‑
Electro
‑
Mechanical System)是将微电子技术与机械工程融合到一起的高科技电子机械器件，操作范围在微米范围内，具有体积小、重量轻的微型化特点以及可集成化和可批量生产的特点。Richard等人应用氮化铝与CMOS工艺兼容性特点提出了氮化铝压电微机械超声换能器，指出相比于压电陶瓷，应用氮化铝材料可以改善信噪比；徐景辉团队应用氮化铝压电材料提出的MEMS超低频水听器，工作频率为10
‑
100Hz，声压灵敏度为
‑
182dB，对于MEMS压电水听器来讲实现了较高的声压灵敏度；中科院李传宇团队提出的超薄硅衬底氮化铝兰姆波压电谐振器，设计的兰姆波谐振器可以实现痕量高精度检测，研究指出应用氮化铝的兰姆波传感器具有化学稳定性高、与CMOS兼容和耐高温的优点。由此可见氮化铝薄膜在多种类型的传感器技术方面都能发挥优势作用，随着各类无人平台技术的发展，可集成的更多元传感器技术可以支持无人平台获得智能自主能力，但对于传感器的环境适应性和稳定性也都提出了更高的要求，因此开展基于氮化铝薄膜材料的新型声压传感器技术的增敏方法研究以及环境耐受技术研究，对提高传感器原始灵敏度和环境适应性意义重大。
[0004]哈尔滨工程大学朴胜春技术团队与中电科49所技术团队联合将氮化铝新型MEMS敏感材料与声传感器技术相结合，开展声敏感结构、MEMS力学敏感结构、力敏特性与压电敏感特性耦合等相关研究并设计氮化铝MEMS声测试芯片取得了良好的验证效果。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出了一种水听器离散梁膜融合声敏感芯片的过载或干扰信号释放及离散电容的增敏设计方法，用以解决如何在有限MEMS敏感结构尺寸之内实现传感器敏感芯片原始灵敏度增强，还可以提高传感器环境适应性和抗过载能力的问题。
[0006]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0007]一种水听器离散梁膜融合声敏感芯片结构，所述声敏感芯片结构包括C形硅杯基座1与在C形硅杯基座上制作的平膜2，在所述C形硅杯基座上制作的平膜2分为多个子梁膜3，多个所述子梁膜3共同组成圆形平膜，每个所述子梁膜3之间存在微米级间隙4；
[0008]每个所述子梁膜3上制作有压电敏感层3
‑
11及分布于压电敏感层3
‑
11两侧的检测电极，即上电极3
‑
10和下电极3
‑
12形成检测电容，每个所述子梁膜3上的检测电容通过上电极3
‑
10和相邻子梁膜下电极3
‑
12连接以实现检测电容串联。
[0009]一种水听器离散梁膜融合声敏感芯片结构，所述压电敏感材料层为任意压电敏感材料。
[0010]一种水听器离散梁膜融合声敏感芯片结构的自动过载信号或干扰的释放方法，所述释放方法具体为，通过离散梁膜融合声敏感芯片结构设计自动实现过载信号或干扰的释放并可自动恢复正常敏感结构及敏感特性：当水介质中声压信号在敏感芯片设计的检测声压量程范围P之内时，离散梁膜融合声敏感芯片由于间隙阻尼的存在整体呈现为平膜结构，敏感模式为平膜敏感模式；
[0011]当水介质中存在超过两倍于设计的声压量程范围P的信号或干扰时，大的过载信号或干扰为动态信号，作用于平膜片上，使平膜片受压产生应力及应变分布，膜片中心的应力最大，挠度也最大，随着过载或干扰声压信号幅度的增加，膜片中心挠度的增大会使膜片沿间隙分瓣，使子梁膜之间距离增大，越接近中心位置，间隙越大，这时原有的平膜结构就分散成N个子梁膜3，此时水听器声敏感结构可等效为多个悬臂梁敏感结构，此时水听器声敏感芯片呈现为悬臂梁敏感模式，在各个子梁膜相应的应力变化敏感区设计检测电容电极将梁上的应力变化检测出来，转变为电信号输出；当外部的过载信号或干扰消失后，各个子梁膜会回到初始位置，由于子梁膜之间的间隙很小，在阻尼力的作用下，敏感结构又恢复为平膜结构，能继续对不大于两倍于所设计声压量程范围P的信号进行敏感检测。
[0012]一种水听器离散梁膜融合声敏感芯片结构的自动过载信号或干扰的释放方法，由子梁膜融合而成的周边固支的圆形平膜片及其敏感模式，设圆形平膜片厚度设为h，薄膜区域的半径设为R，做应力应变分析，为避免非线性，在以下公式计算中存在以下两个假设：
[0013](1)假设压力p是均匀作用于平膜片表面的；
[0014](2)应用小挠度理论，即平膜片的最大挠度不大于1/3膜厚；
[0015]在以上假设条件下，径向应力
[0016][0017]切向应力
[0018][0019]径向应变
[0020][0021]切向应变
[0022][0023]通过径向应变的计算式，当时径向应变等于0；
[0024]平膜片的挠度为：
[0025][0026]根据公式(1
‑
5)看出最大挠度在圆形膜片中心r＝0处，且最大挠度为：
[0027][0028]平膜片的固有频率近似公式为：
[0029][0030]式中：k
‑‑‑‑
弹性敏感元件的刚度；
[0031]m
‑‑‑‑
圆形平膜片的等效振动质量；
[0032]将圆形平膜片质量m和膜片结构的刚度带入式(1
‑
7)中，化简后可得平膜片的固有频率为：
[0033][0034]以上各式中：E
‑‑‑
薄圆形平膜片的弹性模量；μ
‑‑‑‑
薄圆形平膜片的泊松比；h
‑‑‑‑
膜片厚度；R
‑‑‑‑
膜片半径；r
‑‑‑‑
膜片任意部位的半径；ρ
‑‑‑‑
膜片材料的密度。
[0035]一种水听器离散梁膜融合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水听器离散梁膜融合声敏感芯片结构，其特征在于，所述声敏感芯片结构包括C形硅杯基座(1)与在C形硅杯基座上制作的平膜(2)，在所述C形硅杯基座上制作的平膜(2)分为多个子梁膜(3)，多个所述子梁膜(3)共同组成圆形平膜，每个所述子梁膜(3)之间存在微米级间隙(4)；每个所述子梁膜(3)上制作有压电敏感层(3
‑
11)及分布于压电敏感层(3
‑
11)两侧的检测电极，即上电极(3
‑
10)和下电极(3
‑
12)形成检测电容，每个所述子梁膜(3)上的检测电容通过上电极(3
‑
10)和相邻子梁膜的下电极(3
‑
12)连接以实现检测电容串联。2.根据权利要求1所述一种水听器离散梁膜融合声敏感芯片结构，其特征在于，所述压电敏感材料层为由任意具有MEMS工艺兼容性的压电敏感材料制作。3.根据权利要求1所述一种水听器离散梁膜融合声敏感芯片结构的自动过载信号或干扰的释放方法，其特征在于，所述释放方法具体为，通过离散梁膜融合声敏感芯片结构设计自动实现过载信号或干扰的释放并可自动恢复正常敏感结构及敏感特性：当水介质中声压信号在敏感芯片设计的检测声压量程范围P之内时，离散梁膜融合声敏感芯片由于间隙阻尼的存在整体呈现为平膜结构，敏感模式为平膜敏感模式；当水介质中存在超过两倍于设计的声压量程范围P的信号或干扰时，大的过载信号或干扰为动态信号，作用于平膜片上，使平膜片受压产生应力及应变分布，膜片中心的应力最大，挠度也最大，随着过载或干扰声压信号幅度的增加，膜片中心挠度的增大会使膜片沿间隙分瓣，使子梁膜之间距离增大，越接近中心位置，间隙越大，这时原有的平膜结构就分散成N个子梁膜(3)，此时水听器声敏感结构可等效为多个悬臂梁敏感结构，此时水听器声敏感芯片呈现为悬臂梁敏感模式，在各个子梁膜相应的应力变化敏感区设计检测电容电极将梁上的应力变化检测出来，转变为电信号输出；当外部的过载信号或干扰消失后，各个子梁膜会回到初始位置，由于子梁膜之间的间隙很小，在阻尼力的作用下，敏感结构又恢复为平膜结构，能继续对不大于两倍于所设计声压量程范围P的信号进行敏感检测。4.根据权利要求3所述一种水听器离散梁膜融合声敏感芯片结构的自动过载信号或干扰的释放方法，其特征在于，由子梁膜融合而成的周边固支的圆形平膜片及其敏感模式，设圆形平膜片厚度设为h，薄膜区域的半径设为R，做应力应变分析，为避免非线性，在以下公式计算中存在以下两个假设：(1)假设压力p是均匀作用于平膜片表面的；(2)应用小挠度理论，即平膜片的最大挠度不大于1/3膜厚；在以上假设条件下，径向应力切向应力径向应变切向应变
通过径向应变的计算式，当时径向应变等于0；平膜片的挠度为：根据公式(1
‑
5)看出最大挠度在圆形膜片中心r＝0处，且最大挠度为：平膜片的固有频率近似公式为：式中：k
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弹性敏感元件的刚度；m
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圆形平膜片的等效振动质量；将圆形平膜片质量m和膜片结构的刚度带入式(1
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7)中，化简后可得平膜片的固有频率为：以上各式中：E
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薄圆形平膜片的弹性模量；μ
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薄圆形平膜片的泊松比；h
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膜片厚度；R
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膜片半径；r
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膜片任意部位的半径；ρ
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膜片材料的密度。5.根据权利要求3所述一种水听器离散梁膜融合声敏感芯片结构的自动过载信号或干扰的释放方法，其特征在于，在过载信号或干扰作用下所述子梁膜近似为等强度梁，呈现为等强度梁敏感模式，设梁的固定端宽度为b，梁长为l，梁厚为h，沿梁长度方向上某一截面到力的作用点的距离为x，则截面最大应力使得则可求出式中...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈丽洁，朴胜春，龚李佳，雷亚辉，张强，曲彦达，葛宣佐，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：