CN101650218B - 双层结构的硅微电容式三维矢量-相位接收器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种双层结构的硅微电容式三维矢量-相位接收器。它包括由透声材料制成的外壳，在外壳中设置有硅微电容式三维加速度传感器、连接体以及压电圆环，两片硅微电容式三维加速度传感器沿垂直方向刚性连接在连接体的两端，一个压电圆环罩在连接体外，压电圆环的外壁与外壳的内壁紧密接触，外壳内灌注低密度复合材料构成实心体，在低密度复合材料和外壳中布置有隐藏式悬挂机构，两片硅微电容式三维加速度传感器的输出线、压电圆环的输出线与输出电缆连接。本发明可以广泛应用于水声各领域，如构成拖曳阵、声纳浮标，用于低噪声运动目标的测量、目标定位等。

Description

双层结构的硅微电容式三维矢量-相位接收器

(一)技术领域

本发明涉及的是一种水听器，具体地说是一种基于双层结构的硅微电容式加速度传感器的三维矢量-相位接收器。

(二)背景技术

矢量-相位接收器内部一般包含用来测量标量(声压)的传感器和测量矢量(振动加速度、速度等)的传感器，两种传感器被包装为一体，且具有同一声中心，这样就可以同时共点地测量声场测点处的标量和矢量信息。当利用矢量-相位接收器研究声场的能量流特性时，不仅利用矢量-相位接收器提供的标量和矢量的幅度信息，还要利用它所提供的标量与矢量之间的相位差信息。矢量-相位接收器本身具有余弦指向性，这是它的优势所在，而且工作频率越低，这种优势越明显。因此，矢量-相位接收器在水声技术领域，在低声频和次声频段适用性更强。由于在海水介质中，声波频率越低，传播距离越远，这就使得低频矢量相位接收器在水声测量中占据了相当重要的地位。

在专利申请号为200510127318.7，名称为“电容式同振矢量水听器及其工艺”的专利文件中，虽然公开了一种一维柱状硅微电容式矢量水听器，但它只能测量声场中振动信号的一维信息，而且还不能测量声场的标量信息，同时体积也偏大。2007年中北大学硕士学位论文“MEMS仿生矢量水声传感器设计及其工艺研究”公开了一种基于MEMS加工工艺的矢量水声传感器，但它是基于压阻式工作原理，而且也不能测量声场的标量信息。1996年American Institute ofPhysics的文献“A Microfabricated Electron-Tunneling Accelerometrs as aDirectional Underwater Acoustic Sensor”中公开了一种球形的水下声传感器，它是以电子隧道效应为基础，况且只能测量质点振动信号的二维信息，也不能测量水下质点的声压信息，而它的内部不是实心结构。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能提高在5-1000Hz的工作频带内矢量通道的灵敏度，体积小的双层结构的硅微电容式三维矢量-相位接收器。

本发明的目的是这样实现的：

它包括由透声材料制成的外壳，在外壳中设置有硅微电容式三维加速度传感器、连接体以及压电圆环，所述硅微电容式三维加速度传感器有两片，两片硅微电容式三维加速度传感器沿垂直方向刚性连接在连接体的两端，一个压电圆环罩在连接体外，压电圆环的外壁与外壳的内壁紧密接触，外壳内灌注低密度复合材料构成实心体，在低密度复合材料和外壳中布置有隐藏式悬挂机构，两片硅微电容式三维加速度传感器的输出线、压电圆环的输出线与输出电缆连接。

本发明还可以包括：

1、所述两片硅微电容式三维加速度传感器沿垂直方向刚性连接在连接体的两端是指两片硅微电容式三维加速度传感器沿垂直方向分别放置连接体的上下两层，两片硅微电容式三维加速度传感器的三个轴向相互反向，即分别指向+X、+Z、+Y、-X、-Z、-Y六个坐标方向。

2、所述实心体是实心椭球体。

3、所述隐藏式悬挂机构有八个，均匀分布在椭球体两端的外表面内。

本发明提出了一种基于双层结构的硅微电容式加速度传感器的三维矢量-相位接收器，设计中采用了两片硅微电容式加速度传感器作为矢量-相位接收器的矢量接收通道，和一个压电圆环作为矢量-相位接收器的标量接收通道，可以满足矢量-相位接收器的设计要求。由于采用了两片三维加速度传感器输出反方向连接方式，可以保证矢量-相位接收器矢量通道的灵敏度提高6dB；还由于采用了压电圆环，矢量-相位接收器可同时接收声场的标量信息。同时采用了隐藏式悬挂机构，使矢量-相位接收器的工程使用更加方便、适用范围更加广泛。因此，本发明提出的矢量-相位接收器在水声工程应用中具有很好的应用前景。本发明的基于双层结构的硅微电容式加速度传感器的三维矢量-相位接收器是在同振球形和柱形矢量水听器的理论基础上，采用两片硅微电容式三维加速度传感器作为矢量-相位接收器的矢量接收通道，提高了矢量通道的灵敏度。

本发明的理论基础是同振球形和柱形矢量水听器设计的理论，即矢量-相位接收器是将惯性式敏感元件(如振动传感器等)封装于球形或柱形体内而成。其工作原理是基于刚硬球或圆柱体在声场作用下做振荡运动的特性，声学理论早已证明，当刚性球或柱体的波尺寸d/λ(d为球或圆柱的线度尺寸，λ为声波波长)很小时，它们在声场中的振动运动速度分别可以写成如下表达式：

式中V_s和V_c分别为刚性球体和柱体的振荡速度幅值，V₀为水介质质点振动速度，ρ为球体或柱体的平均密度，ρ为水介质的密度。

由公式可知，当刚硬球体或柱体的平均密度ρ等于水介质密度ρ时，其振动速度幅值V_s和V_c与声场中球体几何中心处水质点的振动速度幅值V₀相同，这样只要刚硬球体或柱体内有可以拾取该振动的拾振单元，就可以获得声场中球体几何中心处水质点的振动速度。

实际使用时，将矢量-相位接收器通过柔性元件连接于大的框架上，并将其置于水介质中。当水中被测信号引起矢量水听器中心处水质点振动时，矢量水听器便与水质点一起运动，它们运动的幅值与相位基本相同，这样矢量水听器内部的矢量通道就可以获得水质点的振动信号，并将振动速度信号转换为电信号输出。同时矢量-相位接收器的标量通道可以获取该水质点处的声压信号。

所以本发明的优点是：矢量-相位接收器可以同时、共点获得声场的三维适量信息和标量信息；在1000赫兹以下的工作频带内通道灵敏度提高6dB；矢量水听器具有良好的余弦指向性；体积小，悬挂简单、方便，实际使用时可与任意工作平台连接。本发明可以广泛应用于水声各领域，如构成拖曳阵、声纳浮标，用于低噪声运动目标的测量、目标定位等。

(四)附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的剖面图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1和图2。双层结构的硅微电容式三维矢量-相位接收器是一个带有一根多芯输出电缆7、八个隐藏式悬挂机构4、两片硅微电容式三维加速度传感器1、一个压电圆环3构成的实心椭球体，所述的两片三维加速度传感器1的输出采用反方向连接的方式。所述的八个隐藏式悬挂机构4均匀分布在椭球体两端的外表面内；所述的两片硅微电容式三维加速度传感器1沿垂直方向分别放置于连接体2上下两层，它们的三个轴向相互反向，即分别指向+X、+Z、+Y、-X、-Z、-Y六个坐标方向；所述的压电圆环位于上下双层加速度传感器的中部。

本发明的双层结构的硅微电容式三维矢量-相位接收器是采用如下方法来制作的。

首先，将两片硅微电容式三维加速度传感器1借助连接体2沿垂直方向刚性连接，然后将两片硅微电容式三维加速度传感器1和连接体2利用低密度复合材料5灌注于一个压电圆环3中，同时将八个隐藏式悬挂机构4附着在两片硅微电容式三维加速度传感器1上下两端所形成的球状体表面，将两片加速度传感器1的输出线、压电圆环3的输出线与输出电缆7连接，最后用透声材料6灌封成椭球体。

得到矢量-相位接收器整外径28mm，高56mm，平均密度为1g/cm³左右，工作频带为5-1000Hz，矢量通道自由场电压灵敏度级为-190dB(1kHz处，OdB re 1V/μPa)，声压通道自由场电压灵敏度级为-190dB。

两片硅微电容式加速度传感器的轴向互为相反方向，其输出信号通过差分的方式连接。压电圆环灌封于两片硅微电容式加速度传感器连接体的外部。八个隐藏式悬挂机构均匀悬浮于矢量-相位接收器椭球体的两端。

Claims (3)

1.一种双层结构的硅微电容式三维矢量-相位接收器，其特征是：它包括由透声材料制成的外壳，在外壳中设置有硅微电容式三维加速度传感器、连接体以及压电圆环，所述硅微电容式三维加速度传感器有两片，两片硅微电容式三维加速度传感器沿垂直方向刚性连接在连接体的两端，一个压电圆环罩在连接体外，压电圆环的外壁与外壳的内壁紧密接触，外壳内灌注低密度复合材料构成实心体，在低密度复合材料和外壳中布置有隐藏式悬挂机构，两片硅微电容式三维加速度传感器的输出线、压电圆环的输出线与输出电缆连接；所述两片硅微电容式三维加速度传感器沿垂直方向刚性连接在连接体的两端是指两片硅微电容式三维加速度传感器沿垂直方向分别放置在连接体的上下两层，两片硅微电容式三维加速度传感器的三个轴向相互反向，即分别指向+X、+Z、+Y、-X、-Z、-Y六个坐标方向。

2.根据权利要求1所述的双层结构的硅微电容式三维矢量-相位接收器，其特征是：所述实心体是实心椭球体。

3.根据权利要求2所述的双层结构的硅微电容式三维矢量-相位接收器，其特征是：所述隐藏式悬挂机构有八个，均匀分布在椭球体两端的外表面内。

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