CN101514919B - 微机电矢量水听器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水声传感器，具体是一种微机电矢量水听器。解决了现有矢量水听器的封装结构影响其整体性能提高的问题，包括敏感转化微结构、用于固定敏感转换微结构的支持体、罩于敏感转换微结构外并与支持体密封固定的封装壳体，敏感转化微结构含十字形悬臂梁结构、微型柱状体，微型柱状体垂直固定于十字形悬臂梁结构的中央，十字形悬臂梁结构的四梁端部上设置有转换元件，封装壳体为采用聚氨酯灌封材料制成的透声橡胶帽，透声橡胶帽顶部灌封有将微型柱状体顶端与透声橡胶帽固定的聚氨酯。通过对封装结构的改进和敏感转换结构转换元件的替换，提高了水听器的灵敏度、改善了水听器的频响，低频高信噪比，使得水听器能够表现出更加优异的性能。

Description

微机电矢量水听器
技术领域
本发明涉及一种水声传感器，具体是一种微机电矢量水听器。
背景技术
矢量水听器是声纳探测的重要组成部分，其性能好坏与敏感转换微结构、微弱信号提取电路、以及为适应水下工作对敏感转换微结构采用的封装结构有关；其中，灵敏度和频率响应是水听器的两个非常重要的指标，灵敏度的高低、频响的好坏直接影响到水听器的性能。例如：专利号为“200610012991.0”的中国发明专利公开了一种“共振隧穿仿生矢量水声传感器”，该矢量水声传感器的敏感转换微结构是基于纳米薄膜共振隧穿效应利用微纳加工技术制作而成，且其灵敏度及频响效果已位于现有矢量水听器的前列；而目前对于该“共振隧穿仿生矢量水声传感器”应用的封装结构已在专利申请号为“200810079372.2”、发明名称为“微纳仿生矢量水声传感器的封装结构”的中国发明专利申请中予以公开，该封装结构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敏感转换微结构进行封装，并在透声橡胶帽内注满与水密度接近而又绝缘的蓖麻油；利用透声橡胶帽与蓖麻油结合来实现水下声信号的传递，但是在传递过程中存在声波能量损失较大的缺陷，原因在于：水下声信号在传递给敏感转换微结构的过程中要经过水、透声橡胶帽、蓖麻油三层介质两次反射(即水与透声橡胶帽界面的反射，透声橡胶帽与蓖麻油界面的反射)，虽然在设计过程中已尽量保证透声橡胶帽和蓖麻油与水的特性阻抗匹配，但是声信号在经介质传递后必然导致声信号的能量衰减，且经过的介质层数越多，声信号的能量衰减越大，从而也就影响了水听器敏感转换微结构接收到声信号的灵敏度；而且，用于固定水听器敏感转换微结构的支持体一般采用金属外壳，在声信号作用下，易产生声波散射，会对敏感转换微结构微型柱状体附近的声场产生影响，从而影响到矢量水听器的频率响应。
另外，经实验论证、分析，尽管“共振隧穿仿生矢量水声传感器”所采用的转换元件-共振隧穿二极管RTD具有灵敏度高的优点，但共振隧穿二极管RTD受温度影响大，导致“共振隧穿仿生矢量水声传感器”的敏感转换结构存在工艺兼容性不好、成品率低、成本高等缺陷。
发明内容
本发明为了解决现有矢量水听器的封装结构影响其整体性能提高的问题，提供了一种应用新封装结构的微机电矢量水听器。
本发明是采用如下技术方案实现的：微机电矢量水听器，包括敏感转化微结构、用于固定敏感转换微结构的支持体、罩于敏感转换微结构外并与支持体密封固定的封装壳体，敏感转化微结构包含在半导体衬底中部采用半导体体刻蚀技术刻蚀成的十字形悬臂梁结构、密度与水的密度相近的微型柱状体，微型柱状体垂直固定于十字形悬臂梁结构的中央(即四梁交叉处)，十字形悬臂梁结构的四梁端部上设置有转换元件，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，透声橡胶帽顶部灌封有将微型柱状体顶端与透声橡胶帽固定的聚氨酯。使用时，将本发明所述水听器置于监测水域中，由声源发出的声波首先经水传递给所述水听器的透声橡胶帽，再由透声橡胶帽直接传递给敏感转化微结构的微型柱状体，微型柱状体与水听器所处位置的水质点同振，引起十字形悬臂梁结构的四梁发生形变，对四梁上的转换元件产生应力作用，从而引起悬臂梁上转换元件电学参数的变化。最后，通过微弱信号提取电路对转换元件的电学参数变化量进行提取，从而完成水听器对水下声信号的矢量探测；在声源向敏感转化微结构微型柱状体的声波传递过程中仅经过了水和透声橡胶帽两层介质，与现有技术相比减少了一次声波反射，提高了声波能量的传递效率；另外，透声橡胶帽仅顶部灌封将微型柱状体顶端与透声橡胶帽固定的聚氨酯，即未淹没十字形悬臂梁结构，十字形悬臂梁结构暴露在透声橡胶帽内的气体中，使得十字形悬臂梁结构在四梁形变的过程中所受到的阻尼较小。
所述支持体上固定有与支持体端面垂直的支撑杆，支撑杆的另一端固定有支撑托盘，敏感转换微结构固定于支撑托盘上，且敏感转换微结构与支撑托盘之间以聚氨酯柔性固定；支持体上增设的支撑杆与支撑托盘的配合结构，可以减小支持体的声波散射对微型柱状体附近声场的影响；敏感转换微结构与支撑托盘之间直接以聚氨酯柔性固定，可以减小支持体、支撑杆、支撑托盘的振动对敏感转换微结构的影响，减小水听器的监测误差。
所述设置于十字形悬臂梁结构四梁端部上的转换元件为硅微压敏电阻；由于硅微压敏电阻的加工技术成熟，与共振隧穿二极管RTD作为转换元件相比要成本低、工艺兼容性好、成品率高；而且，硅微压敏电阻所用硅材料半导体的温度系数小于共振隧穿二极管RTD所用GaAs基纳米薄膜材料半导体的温度系数，硅微压敏电阻与共振隧穿二极管RTD相比，受温度影响要小得多，进而解决了热噪声问题。因此，硅微压敏电阻更适合作为敏感转换结构的转换元件。
经由国防科技工业水声一级计量站715所对本发明所述水听器、以及采用专利申请号为“200810079372.2”技术方案公开的封装结构的“共振隧穿仿生矢量水声传感器”进行测试，灵敏度测试曲线如图3、4所示，信噪比结果如表1所示，表明了本发明所述矢量水听器相比“共振隧穿仿生矢量水声传感器”具有灵敏度适中(如图4所示，达-160dB)、低频高信噪比，频率响应好等特点。
表1
  频率(Hz)   共振隧穿仿生矢量水声传感器信噪比(dB)   本发明信噪比(dB)   差值(dB)
  60   9   13   4
  120   23   26   3
  700   2   23   21
  1200   -5   11   16
  7K   10   19   9
  10K   13   29   13
  频率(Hz)   共振隧穿仿生矢量水声传感器信噪比(dB)   本发明信噪比(dB)   差值(dB)
  20K   39   14   -25
  30K   27   17   -10
与现有技术相比，本发明仍然采用透声橡胶帽，但是不再向透声橡胶帽内灌注蓖麻油，而是在透声橡胶帽顶部灌封将微型柱状体顶端与透声橡胶帽固定的聚氨酯，这样，将声波的传递由三层介质(水、透声橡胶帽、蓖麻油)变为两层介质(水、透声橡胶帽)，减少了一次声信号反射，即减少了一次能量损失，同时，与灌注有蓖麻油时十字形悬臂梁结构四梁的形变幅度相比，本发明中的十字形悬臂梁结构四梁的形变幅度得到提高，进而相应地提高了微机电矢量水听器的灵敏度。本发明在用于固定敏感转换微结构的支持体上进行结构改进，以改善敏感转换微结构对某些频率的响应：1、增设的支撑杆与支撑托盘的配合结构，可以减小支持体的声波散射对微型柱状体附近声场的影响；2、在敏感转换微结构与支撑托盘之间采用聚氨酯隔振，起到保护敏感转换微结构的目的，同时可以减小支持体、支撑杆、支撑托盘的振动对敏感转换微结构的影响。另外，以硅微压敏电阻作为敏感转换结构的转换元件，硅微压敏电阻及相应十字形悬臂梁结构自身的热噪声小，产品成品率高。
本发明通过对封装结构的改进和敏感转换结构转换元件的替换，提高了水听器的灵敏度、改善了水听器的频响，低频高信噪比，使得水听器能够表现出更加优异的性能，更适应于水下环境。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明敏感转换微结构的结构示意图；
图3为共振隧穿仿生矢量水声传感器水下灵敏度测试曲线；
图4为本发明水下灵敏度测试曲线；
图中：1-支持体；2-十字形悬臂梁结构；3-微型柱状体；4-转换元件；5-透声橡胶帽；6-聚氨酯；7-支撑杆；8-支撑托盘；9-聚氨酯；10-固定件。
具体实施方式
微机电矢量水听器，包括敏感转化微结构、用于固定敏感转换微结构的支持体1、罩于敏感转换微结构外并与支持体1密封固定的封装壳体，敏感转化微结构包含在半导体衬底中部采用半导体体刻蚀技术刻蚀成的十字形悬臂梁结构2、密度与水的密度相近的微型柱状体3，微型柱状体3垂直固定于十字形悬臂梁结构2的中央，十字形悬臂梁结构2的四梁端部上设置有转换元件4，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5，透声橡胶帽5顶部灌封有将微型柱状体3顶端与透声橡胶帽5固定的聚氨酯6。所述支持体1上固定有与支持体1端面垂直的支撑杆7，支撑杆7的另一端固定有支撑托盘8，敏感转换微结构固定于支撑托盘8上，且敏感转换微结构与支撑托盘8之间以聚氨酯9柔性固定；所述设置于十字形悬臂梁结构2四梁端部上的转换元件4为硅微压敏电阻。
在制作好敏感转换结构、透声橡胶帽的基础上，组装本发明所述微机电矢量水听器的具体操作步骤为：
1、将敏感转换结构的十字形悬臂梁结构2底面通过聚氨酯9粘合在支撑托盘8上；聚氨酯是一种柔性胶，可以有效的解决金属质支持体1、支撑杆7、支撑托盘8的轻微振动对敏感转换结构的影响。
2、通过聚氨酯把用于将透声橡胶帽5和支持体1固定的固定件10、同透声橡胶帽5粘合为一体；
3、倒置透声橡胶帽5，并向透声橡胶帽5灌注大约可淹没1/3-2/3微型柱状体3高度、而不淹没十字形悬臂梁结构2的聚氨酯9；透声橡胶帽5灌装的聚氨酯与制作透声橡胶帽所用材料完全相同，灌注时聚氨酯为液体，约12小时凝固为固体；
4、将固定有敏感转换结构的支撑托盘8伸入透声橡胶帽5内，使1/3-2/3微型柱状体3插入液态聚氨酯9中，同时将支持体1与透声橡胶帽的固定件10封闭固定，将整个水听器倒置12-24小时，直至聚氨酯9凝固，即完成本发明所述微机电矢量水听器的组装。

Claims (3)

1.一种微机电矢量水听器，包括敏感转换微结构、用于固定敏感转换微结构的支持体(1)、罩于敏感转换微结构外并与支持体(1)密封固定的封装壳体，敏感转换微结构包含在半导体衬底中部采用半导体体刻蚀技术刻蚀成的十字形悬臂梁结构(2)、密度与水的密度相近的微型柱状体(3)，微型柱状体(3)垂直固定于十字形悬臂梁结构(2)的中央，十字形悬臂梁结构(2)的四梁端部上设置有转换元件(4)，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(5)，其特征在于：透声橡胶帽(5)顶部灌封有将微型柱状体(3)顶端与透声橡胶帽(5)固定的聚氨酯(6)。
2.根据权利要求1所述的微机电矢量水听器，其特征在于：所述支持体(1)上固定有与支持体(1)端面垂直的支撑杆(7)，支撑杆(7)的另一端固定有支撑托盘(8)，敏感转换微结构固定于支撑托盘(8)上，且敏感转换微结构与支撑托盘(8)之间以聚氨酯(9)柔性固定。
3.根据权利要求1所述的微机电矢量水听器，其特征在于：所述设置于十字形悬臂梁结构(2)四梁端部上的转换元件(4)为硅微压敏电阻。
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