CN101354283B - 微纳仿生矢量水声传感器的封装结构 - Google Patents

微纳仿生矢量水声传感器的封装结构 Download PDF

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本发明涉及基于微纳MEMS/NEMS加工技术与仿生学原理的微纳仿生矢量水声传感器，具体是一种微纳仿生矢量水声传感器的封装结构。通过封装结构进一步提高和完善了矢量水声传感器的性能指标，该封装结构包括用于固定微纳仿生矢量水声传感器的支持体、罩于微纳仿生矢量水声传感器外并与支持体密封固定的封装壳体，封装壳体内注满有与水密度相同或相近的绝缘液体，所述封装壳体为采用高频低衰减低渗水的聚氨酯灌封材料以声学灌封工艺制成的透声橡胶帽。根据仿生学原理设计，结构合理，在保护水声传感器微结构的同时，不会影响和妨碍水声传感器微结构对声信号的检测，达到了进一步提高和完善矢量水声传感器性能指标的目的。

Description

微纳仿生矢量水声传感器的封装结构
技术领域
本发明涉及基于微纳MEMS/NEMS加工技术与仿生学原理的微纳仿生矢量水声传感器，具体是一种微纳仿生矢量水声传感器的封装结构。
背景技术
科学技术发展到现今，人类所创造的技术装置日益复杂和昂贵，体积庞大而不可靠，不能满足工业、农业、医学和军事技术越来越高的要求，这就迫使人们去寻找新的技术原理。另一方面，生物在亿万年的进化过程中，通过严峻的自然选择，并在生物界的竞争中求得生存和发展，它们练就了一身独特的本领，特别是在视觉和听觉器官上表现得极为发达，生物界由此形成的一套极为精确的导航、定位、识别和能量转化系统，使许多动物能在极其恶劣的条件下繁衍生存至今。所以模仿生物体的某些天然奇特本领，有可能创造出意想不到的新技术和新成果。
由生物学理论可知，如图1-4所示，鱼类的听觉器官除了内耳外还有种特殊的皮肤感觉器官，叫侧线1；埋在皮下的侧线管2上有呈节状的神经丘感觉器3。神经丘3浸润在粘液中，不论是水内、水外的声波9、振动波、水流速度的改变等外力作用于水，都可使水的压力产生变化，这种压力通过侧线孔4进入管2内，传递于粘液，引起粘液流动，再由粘液传递到神经丘3，引起感觉顶5发生偏斜，感觉顶5内的粘液10使可动纤毛6也发生偏斜，从而使感觉细胞7获得刺激，刺激通过感觉神经纤维，经侧线神经8传递到延脑。鱼类侧线器官可以感知水压大小、水流速度、水流方向、水中物体的位置和其它各种变化，它能感受声波9。鱼类侧线这一特殊听觉器官为设计具有定向性的仿生矢量水声传感器提供了原型。
例如：专利申请号为200610012991.0的中国发明专利申请公布了一种“共振隧穿仿生矢量水声传感器”，即是模仿鱼类侧线内的纤毛与感觉细胞实现的，如图5、6所示，该申请用固定于半导体衬底十字形悬臂梁11中央的与水的密度相近或相同的微型柱状体12模仿可动纤毛6，且以固定在半导体衬底十字形悬臂梁11上微型柱状体12周围的共振隧穿二极管13模仿可动纤毛6周围的感觉细胞7，模仿鱼类侧线听觉原理，实现对水下声波9的探测，同时由于采用微型柱状体12的密度与水的密度相近或相同，从而保证了微型柱状体12与水质点同振，最终通过共振隧穿二极管13测量微型柱状体12的振速，实现对水下声信号的方位、声压大小的测量。在该申请中公开了共振隧穿仿生矢量水声传感器的微结构，但其微结构并不能直接置于待测环境中进行测试，必须采用一定的封装结构才可以，即矢量水声传感器的性能指标除受其微结构影响外，还会受其微结构外封装结构的影响。
而且，随着微纳MEMS/NEMS加工技术的发展，尤其是NEMS加工工艺的成熟，由微纳MEMS/NEMS加工技术加工出的矢量水声传感器微结构突破了常规矢量水声传感器的极限，不但体积小，而且具有灵敏度高、分辨率高、功耗低、可进行甚低频检测等优点，倍受国内外重视。
发明内容
本发明为了通过封装结构进一步提高和完善矢量水声传感器的性能指标，基于专利申请号为200610012991.0的中国发明专利申请“共振隧穿仿生矢量水声传感器”，提供了模仿鱼类侧线感觉器官的一种微纳仿生矢量水声传感器的封装结构。
本发明是采用如下技术方案实现的：微纳仿生矢量水声传感器的封装结构，包括用于固定微纳仿生矢量水声传感器的支持体、罩于微纳仿生矢量水声传感器外并与支持体密封固定的封装壳体，封装壳体内注满有与水密度相同或相近的绝缘液体，所述封装壳体为采用高频低衰减低渗水的聚氨酯灌封材料以声学灌封工艺制成的透声橡胶帽。所述声学灌封工艺是现有公知技术。
所述绝缘液体采用蓖麻油，通过查阅相关资料可以确定：蓖麻油绝缘，且与水的密度、波速以及特性阻抗都很接近。
所述支持体分为外部支持体、由绝缘材料制成的用于直接固定微纳仿生矢量水声传感器的内部支持体，外部支持体分为固定支持体、通过防水接头与固定支持体连接固定的引线支持体，引线支持体内置与水声传感器相连的导线，内部支持体固定于固定支持体上，引线支持体尾端设有与上述导线连接的引出电缆。本发明通过内部支持体将水声传感器微结构固定在外部支持体上；将外部支持体以固定支持体和引线支持体两部分设置，是为了方便水声传感器微结构的封装；使用时，与水声传感器相连的导线穿过引线支持体，最后经由引线支持体尾端的引出电缆引出，与相应的信号处理装置连接即可。甚至可以将水声传感器的相应信号处理单元封装在引线支持体内。
所述微纳仿生矢量水声传感器指采用现有公知技术-标准微纳加工工艺加工制成的专利申请号为200610012991.0的中国发明专利申请“共振隧穿仿生矢量水声传感器”，或其它同类型仿生矢量水声传感器。
以共振隧穿仿生矢量水声传感器为例，在应用本发明所述封装结构封装后，封装结构中的透声橡胶帽、蓖麻油、以及水声传感器微结构中的微型柱状体、压阻敏感单元-共振隧穿二极管分别模仿了成鱼类侧线神经丘感觉器的感觉顶、感觉顶内部的黏液、可动纤毛以及感觉细胞。因此，当有水下声信号作用于水声传感器封装结构的“感觉顶”-透声橡胶帽时，透声橡胶帽将会通过“黏液”-蓖麻油把相应的声音信号传递给水声传感器的“可动纤毛”-微型柱状体，微型柱状体与其所处位置的介质质点同振，使十字形悬臂梁的四梁产生应力变化，从而将感受到的声信号传递给“感觉细胞”-共振隧穿二极管，四梁端部的共振隧穿二极管参数值会发生变化，然后通过相应的信号检测单元对共振隧穿二极管参数值的变化量进行检测，即可实现水下、水平面内声信号的矢量探测。
与现有技术相比，本发明采用高频低衰减低渗水的聚氨脂灌封材料制作成透声橡胶帽对水声传感器微结构进行封装，并在透声橡胶帽内注满与水密度接近而又绝缘的蓖麻油；透声橡胶帽可以很好的解决耐水、耐压等问题，实现对水声传感器微结构的水下保护，同时又不会影响声波的传输，进而声波在蓖麻油的传导下，使水声传感器微结构的感知元件与其周围介质质点同振，最终通过测量水声传感器微结构感知元件的振动信息，对水下声信号的方位、声压大小的测量，实现了进一步提高和完善矢量水声传感器性能指标的目的。本发明将仿生结构应用到了声学探测传感器的封装结构上，将仿生学和微纳加工技术相结合，突破了现有矢量水声传感器性能极限，将声纳研究向仿生器件渗透，无疑为声纳研究开创新的一页。
本发明所述封装结构根据仿生学原理设计，结构合理，在保护水声传感器微结构的同时，不会影响和妨碍水声传感器微结构对声信号的检测，达到了进一步提高和完善矢量水声传感器性能指标的目的。
附图说明
图1为鱼类的侧线位置图；
图2为鱼类侧线的结构图；
图3为鱼类侧线中神经丘感觉器的结构图；
图4为鱼类侧线器官的感觉传导途径图；
图5为微纳仿生矢量水声传感器微结构的三维示意图；
图6为微纳仿生矢量水声传感器微结构的实物图；
图7为微纳仿生矢量水声传感器的封装结构与鱼类侧线中神经丘感觉器生物结构的对比图；
图8为本发明所述封装结构的结构图；
图9为应用本发明所述封装结构的微纳仿生矢量水声传感器的信号传导途径图；
图10为应用本发明所述封装结构的微纳仿生矢量水声传感器的模型样机实物图；
图11为应用本发明所述封装结构的微纳仿生矢量水声传感器的频响曲线图；
图12为应用本发明所述封装结构的微纳仿生矢量水声传感器的指向性图；
图中：1-侧线；2-侧线管；3-神经丘感觉器；4-侧线孔；5-感觉顶；6-可动纤毛；7-感觉细胞；8-侧线神经；9-声波；10-粘液；11-十字形悬臂梁；12-微型柱状体；13-共振隧穿二极管；14-透声橡胶帽；15-蓖麻油；16-内部支持体；17-固定支持体；18-防水接头；19-引线支持体；20-引出电缆。
具体实施方式
如图8、10所示，微纳仿生矢量水声传感器的封装结构，包括用于固定微纳仿生矢量水声传感器的支持体、罩于微纳仿生矢量水声传感器外并与支持体密封固定的封装壳体，封装壳体内注满有与水密度接近的绝缘液体，所述封装壳体为采用高频低衰减低渗水的聚氨酯灌封材料以声学灌封工艺制成的透声橡胶帽14。所述绝缘液体采用蓖麻油15；所述支持体分为外部支持体、由绝缘材料制成的用于直接固定微纳仿生矢量水声传感器的内部支持体16，外部支持体分为固定支持体17、通过防水接头18与固定支持体17连接固定的引线支持体19，引线支持体19内置与水声传感器相连的导线，内部支持体16固定于固定支持体17上，引线支持体19尾端设有与上述导线连接的引出电缆20。
以共振隧穿仿生矢量水声传感器为例，如图7所示，在应用本发明所述封装结构封装后，封装结构中的透声橡胶帽14、蓖麻油15、以及水声传感器微结构中的微型柱状体12、压阻敏感单元-共振隧穿二极管13分别模仿了成鱼类侧线神经丘感觉器3的感觉顶5、感觉顶5内部的黏液10、可动纤毛6以及感觉细胞7。因此，如图9所示，当有水下声波9作用于水声传感器封装结构的“感觉顶”-透声橡胶帽14时，透声橡胶帽14将会通过“黏液”-蓖麻油15把相应的声音信号传递给水声传感器的“可动纤毛”-微型柱状体12，微型柱状体12与其所处位置的介质质点同振，使十字形悬臂梁11的四梁产生应力变化，从而将感受到的声信号传递给“感觉细胞”-共振隧穿二极管13，四梁端部的共振隧穿二极管13参数值会发生变化，然后通过相应的信号检测单元对共振隧穿二极管13参数值的变化量进行检测，即可实现水下、水平面内声信号的矢量探测。
具体实施时，内部支持体16采用具有良好绝缘特性的合成橡胶制成；外部支持体采用铝合金材料制成，该材料不但具有良好的耐腐蚀特性，而且不易沾染污垢，适合水底下的长期测试。
利用国防水声一级计量站的测量装置对采用本发明所述封装结构的微纳仿生矢量水声传感器进行了校准实验，通过实验验证了利用本发明所述封装结构封装的微纳仿生矢量水声传感器极具可行性，验证的具体结果见图11、图12。

Claims (2)

1.一种微纳仿生矢量水声传感器的封装体，其特征在于：包括用于固定微纳仿生矢量水声传感器的支持体、罩于微纳仿生矢量水声传感器外并与支持体密封固定的封装壳体，封装壳体内注满有与水密度接近的绝缘液体，所述封装壳体为采用高频低衰减低渗水的聚氨酯灌封材料以声学灌封工艺制成的透声橡胶帽(14)；所述支持体分为外部支持体、由绝缘材料制成的用于直接固定微纳仿生矢量水声传感器的内部支持体(16)，外部支持体分为固定支持体(17)、通过防水接头(18)与固定支持体(17)连接固定的引线支持体(19)，引线支持体(19)内置与水声传感器相连的导线，内部支持体(16)固定于固定支持体(17)上，引线支持体(19)尾端设有与上述导线连接的引出电缆(20)。
2.根据权利要求1所述的微纳仿生矢量水声传感器的封装体，其特征在于：所述绝缘液体采用蓖麻油(15)。
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