万方数据
836传感技术学报
www.chinatransducers.tom第24卷
1抗流传感器的设计与工作原理与水翠萋嫠芝篙竺嚣誓答?萼要嚣矗簇警抗流矢量水听器的芯片级减震敏感体如图l所m次方成反比,其中2<m<3,与弹簧匝数/2成反比。示,包含在半导体衬底中部采用半导体体刻蚀技术刻弹簧越长越细,劲度系数越小,越容易发生形蚀成的内外圈两对弹簧、内中外三框架、十字形悬臂梁变,减震效果越理想;但同时也意味着弹性限度越结构和四梁交叉处的质量块。其中内中框架通过内圈小,因正常冲击导致弹簧断裂的可能性越大。因为两个弹簧相连,外中框架通过外圈两个弹簧相连,两对弹簧的劲度系数与弹簧单侧长度的m次方成反比,弹簧方向垂直;微型柱状体垂直固定于十字形悬臂梁其中2<m<3,又不能超过四梁边框的边长f=6400结构的中央(即四梁交叉处的质量块上),该微型柱状斗m;因为弹簧的劲度系数与水平宽度的三次方成正体选用密度与水的密度相近的材料;十字形悬臂梁结比,而与其他的都只成一次方比,所以水平宽度是主构的四梁端部上设置有转换元件,该转换元件为硅微要决定因素。综合考虑以上因素,该弹簧尺寸设计应变压敏电阻”剖,经MEMS工艺"1加工出,4个应变为Z=3000txm,彬=30Ixm,n=2,d=150斗m,此时弹压敏电阻为P型等值电阻(无形变时),且按[1lO]晶向簧的劲度系数k一5N/m。
布置,连接构成惠斯通电桥。所述的弹簧、框架和十字2.2弹簧位置的设计:
形悬臂梁结构一次集成,保证了一致性和稳定性。为了使两组弹簧单独作用,互不耦合,即在施力
方向上只体现切向刚度无法起作用的、施力方向上
的弹簧的作用,起到抗冲击的作用。设计弹簧位置
如图2所示。y轴向上弹簧尺寸为Z=5000斗m,埘=
30Ixm,n=2,d=300Ixm,此时弹簧的劲度系数也为
k一5N/m。经测试:此分离弹簧结构在各种分析中
耦合度很小,在y轴向上外圈弹簧起减震作用(如
图2),在x轴向上内圈弹簧起减震作用(如图4),
整个结构一直趋于静止(如图3、图5)。
1一正方形外框架,2一外圈弹簧,3一长方形中框架,
4-内圈弹簧,5一正方形内框架,6一十字形悬臂梁结构,
7一微型柱状体,8一转换元件。
图1芯片级减振传感器的结构示意图
通过惠斯通电桥,将电阻的变化转换为电压的
变化,以此实现对水下声信号的方向、声压大小的测
量,这就是此种传感器的检测原理。其具体的结构
及工作原理,张文栋等人在相关文献中已详尽阐
述[8。0|。与现有无弹簧结构相比,所不同的是该减
震结构的十字梁四周连接有弹簧,当水流冲击时,会图2减震结构受l,轴向上冲击时,结构的位移图
引起弹簧发生形变,弹簧像减震器一样有效的缓解
了水流的压力,从而大大提高了抗冲击的能力。
2减震传感器有限元模拟
采用有限元分析软件Ansys对上述结构进行仿
真。首先建立有限元模型,其次分析设计弹簧的尺寸、
位置,再次对微结构进行静力分析,最后对比测试。
2.1弹簧尺寸的设计:
本文运用控制变量法,分别只改变弹簧¨1。121的
垂直厚度、水平宽度、单侧长度和匝数,测试弹簧的
劲度(倔强)系数,得到如下结论:图3减震结构受l,轴向上冲击时,结构的振动图
万方数据
第6期刘细宝,张国军等:矢量水听器的芯片级减震结构的设计837
图4减震结构受X轴向上冲击时,结构的位移图
图5减震结构受X轴向上冲击时,结构的振动图2.3静力分析
纤毛单侧受到同样大小的声压作用时(P=1Pa),由图6比较可知,梁上应力值基本相同,分别
(a)无弹簧结构的梁上应力图
(b)优化弹簧结构的粱上应力图
图6纤毛一侧受1Pa声压时,粱上应力对比图约为2191×102Pa和2205×102Pa,充分说明了减震结构几乎不影响对有用信号的采集,即不影响灵敏度。
3冲击响应仿真结果对比
在受到相同冲击时(P一200Pa),施加在刚性底座半侧面上,持续时间为0.0005s,由下图7对比看出,现有结构受力图呈现出随时间缓慢减小的三角波,最大受力为1.8×104Pa,而优化减震结构受力图则相对平滑,最大受力仅为0.5×104Pa。由此可见,此减震结构使外部冲击能量基本都由外阻尼作用损耗,抑制流噪声能力提高了3倍以上。
趔
穴
倒
时间/s
图7结构受相同冲击时,梁上应力对比图
4结论
以惠斯通电桥将电阻的变化转换为电压的变化为检测原理,结合MEMS工艺研制水声传感器。期望利用该新型减震结构提高水听器抗冲击能力,从而将外接软连接做到芯片级,一次集成一致性好,便于组阵。通过Ansys仿真,优化现有结构。在现有结构的基础上增加减震弹簧,设计该弹簧的几何尺寸、所在位置和劲度系数(k一5N/m),并将弹簧设置为内外圈相互垂直的两对。仿真结果表明该优化抗流结构具有可行性,能有效的提高水听器的抗冲击能力,同时几乎不影响其接收灵敏度,更能适应水下恶劣的环境。
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838传感技术学报
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月毕业于华北工学院自动控制系并留
校任教,同年9月份。被派往清华大学
微电子系进修微电子专业。2003年,
考取中北大学精密仪器与机械专业的
研究生,2004.7-2006.7在中国科学院
声学研究所做有关穿孔板结构非线性
声学方面的研究工作。万方数据
矢量水听器的芯片级减震结构的设计
作者:刘细宝, 张国军, 薛晨阳, 许姣, 王晓瑶, 于佳琪, 李辉, LIU Xibao, ZHANG Guojun, XUE Chenyang, XU Jiao, WANG Xiaoyao, YU Jiaqi, LI Hui
作者单位:刘细宝,LIU Xibao(中北大学电子测试技术重点实验室,太原0360051;仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051), 张国军,薛晨阳,ZHANG Guojun,XUE Chenyang(中北大学电子测试技术重点实验室
,太原,0360051), 许姣,王晓瑶,于佳琪,李辉,XU Jiao,WANG Xiaoyao,YU Jiaqi,LI Hui(仪器科学与动态
测试教育部重点实验室,太原,030051)
刊名:
传感技术学报
英文刊名:Chinese Journal of Sensors and Actuators
年,卷(期):2011,24(6)
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本文链接:https://www.wendangku.net/doc/cd15444027.html,/Periodical_cgjsxb201106011.aspx