[發明專利]一種壓電式MEMS矢量振動傳感器敏感體

在審

• 申請號: 201910577929.3
• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN110388982A
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發明（設計）人: 劉林仙;高佳
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: G01H11/08
• 分類號: G01H11/08
• 代理公司: 太原智慧管家知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14114
• 代理人: 張洋

本發明公開了一種壓電式MEMS矢量振動傳感器敏感體，包括正方形硅襯底，以正方形硅襯底中心為圓心的圓周上間隔均勻刻蝕有八個結構尺寸完全相同的圓形凹槽，正方形硅襯底端面與各個圓形凹槽相對應的部分形成圓形薄膜層；圓形薄膜層上依次設置有壓電敏感單元、由復合彈性梁和立柱構成的力傳動單元，且構成復合彈性梁的懸臂梁與壓電敏感單元一一對應，壓電敏感單元將力傳動單元接收到的應力應變信號轉換為電信號，實現信號的檢測。本發明利用八個相互垂直方向上壓電薄膜的不同極化形式實現振源方位估計，消除了左右舷模糊，且在一個微敏感結構單元上構造兩個坐標原點嚴格重合的獨立坐標系，利用兩個坐標系進行方位估計，定向精度高，可靠性好。

技術領域

本發明涉及MEMS振動傳感器領域，尤其涉及一種壓電式MEMS矢量振動傳感器敏感體。

背景技術

振動傳感器在生物、化學和醫學分析中，在航天、航空、航海的慣性導航系統及運載武器的指導系統中，在振動試驗、地震監測、爆破工程、大型橋梁、地基測量、地礦勘測、飛機和汽車NVH等測量領域有著廣泛的應用。隨著半導體技術和MEMS技術的不斷發展，振動傳感器逐漸向微型化、智能化、集成化方向發展，基于MEMS技術的振動傳感器在軍用和民用領域具有廣泛的應用前景。利用MEMS技術研制的單個振動傳感器已經可以進行目標的定向功能，例如專利號為“201310362765.5”的發明專利公開的“一種用于管道內檢測器聲定位的單片集成敏感陣列”，通過在一個片子上構造兩個獨立坐標的敏感陣列結構，將兩個坐標系下各自輸出信號組合對比進行180°范圍內的振源定位，但該結構振動傳感器存在坐標原點不嚴格重合，直接將兩個坐標系的輸出進行組合對比實現定位，誤差較大，且單只系統的可靠性和定向精度低，運用壓阻原理，功耗大，常用于測試低頻信號。

發明內容

鑒于此，本發明的目的在于提供一種壓電式MEMS矢量振動傳感器敏感體，可實現360°范圍內的高精度定向，旨在克服現有單個矢量振動傳感器可靠性差、定向精度不高、不能實現360°范圍的準確定向等問題。

為了達到上述發明目的，進而采取的技術方案如下：

一種壓電式MEMS矢量振動傳感器敏感體，包括正方形硅襯底，以正方形硅襯底中心為圓心的圓周上間隔均勻刻蝕有八個結構尺寸完全相同的圓形凹槽，所述正方形硅襯底端面與各個圓形凹槽相對應的部分形成圓形薄膜層；

所述圓形薄膜層上設置有壓電敏感單元，所述壓電敏感單元包括下電極層、壓電薄膜層以及上電極層，所述壓電薄膜層設置在下電極層與上電極層之間；

所述壓電敏感單元上設置有力傳動單元，所述壓電敏感單元可將力傳動單元接收到的應力應變信號轉換為電信號并傳到輸出端，實現信號的檢測；

所述力傳動單元包括一復合彈性梁，所述復合彈性梁為“米”字結構，包括八根間隔均勻對稱設置的懸臂梁，所述八根懸臂梁末端均設有支腿，各支腿中心和其位置對應的壓電敏感單元中心重合，且與上電極層固定連接，所述八根懸臂梁交叉的中心處與所述正方形硅襯底中心重合，且設置有一長方體立柱。

較佳的，所述壓電敏感單元為圓形，且其軸心線與所述圓形薄膜層的軸心線重合。

更佳的，所述壓電敏感單元直徑小于所述圓形薄膜層的直徑，所述壓電敏感單元和圓形薄膜層的尺寸參數可根據實際應用的性能指標需求確定。

較佳的，所述八個下電極層結構尺寸完全一致，八個壓電薄膜層結構參數完全一致，八個上電極層結構參數完全一致。

較佳的，所述下電極層為Pt/Ti電極層，所述壓電薄膜層為PZT壓電薄膜，所述上電極層為Au/Ti電極層。

較佳的，任意相鄰的兩個懸臂梁之間的夾角為45°。

較佳的，所述圓形凹槽開口方向與力傳動單元在正方形硅襯底上的設置方向相反。