CN102176006A - 一种硅基单片集成声纳基阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅基单片集成声纳基阵，包括悬臂梁式敏感阵列结构、透声护套、支撑结构；悬臂梁式敏感结构阵列结构固定在支撑结构上；悬臂梁式敏感结构阵列结构设置在透声护套内，并固定，透声护套内注入绝缘介质油，悬臂梁式敏感阵列结构浸润在绝缘介质油；密封并且透声护套整体做水密处理。该基阵可以用于水下超声成像或者超声测距、鱼雷的声自导等装置上，该探测基阵通过MEMS技术在单个硅片上集成多个水听器组阵，既可以解决一致性问题还能很大程度的缩小基阵尺寸，采用刚性连接，易于在船上装配，而且批量化制造的成本低。

Description

一种硅基单片集成声纳基阵

技术领域

本发明涉及声纳技术领域，尤其是一种硅基单片集成声纳基阵。

背景技术

现代声纳普遍采用水听器基阵来提高对目标的检测和定位能力，阵列技术已经成为当今声纳系统的核心关键技术。比如鱼雷的自导头、合成孔径声纳的成像基阵、舰尾的拖曳线列阵等都采用水听器组阵来实现相应的功能。然而传统的声纳阵列的阵元组成都采用标量水听器，完全没有利用到声波振速所具有的矢量特性。利用矢量水听器组阵，可以在极大地减小阵列尺寸、提高接收信号的信噪比。目前矢量水听器阵列技术属于研究热点。

水声主动成像系统利用水下目标对发射的水声信号的反向散射信号，估计目标的方位和距离信息，并据此进行成像，从而对目标进行进一步的跟踪和识别，水声成像技术在海洋探测特别是军事上许多水中兵器方面都有着广泛的应用。而水中成像的关键是设计合理的声纳阵列，既要保证必需的分辨力，又要尽可能的减小基阵尺寸。利用矢量水听器组阵，可以消除各向同性的噪声干扰，而目标辐射噪声则不会抵消，可以提供更多的声场信息，为形成更尖锐的波束提高成像分辨力提供了有力条件。

微机电(Micro Electro Mechanical Systems)技术是在微电子技术的基础上发展起来的一种新技术，融合了硅微加工和精密机械加工等多种微加工技术，可以实现单芯片多种结构的一次集成，适合大批量生产。利用MEMS技术制作出声纳基阵可以实现小体积、高灵敏、低功耗。

目前工程应用中的声纳都是采用多个标量水听器组成测量基阵，标量水听器是利用压电陶瓷制成，能够测量声场中的声压大小，然后在利用多个同样的水听器组阵来实现声目标方位测量。该技术的优点是技术成熟，早已实现工程应用。存在缺点是此类声纳的探测精度、探测距离与阵列孔径相关，因此随着水下目标声隐身技术的发展和辐射噪声频率不断的降低，使得此类声纳只有在增大阵列孔径的情况下，才能够有效地对目标进行方位估计，从而限制了在体积有限的鱼雷、深水炸弹、智能水雷等要求有自导能力的水下武器上的应用。而且传统声纳基阵阵元从大批量器件中挑选出来的一致性很好的水听器组成，无疑加大了制作成本，所以该类声纳只能装备于军用的大型舰船，对于民用船只的避障测距，需要有成本较低的水听器来实现。

在矢量水听器组阵的研究中，同振矢量水听器起步较早。这类的矢量水听器一般采用多个单轴的加速度计作为基本单元来构成测试阵列，主要研究的难点在于一方面封装后的矢量水听器的探测灵敏度受制于加速度计所采用的敏感原理和结构设计，另一方面各个单轴加速度计的灵敏度、稳定性以及温度系数等指标很难一致。此外同振矢量水听器阵列的安装需要柔性悬挂，在工程应用中极为不便。

发明内容

本发明的目的是提供一种硅基单片集成声纳基阵，该基阵可以用于水下超声成像或者超声测距、鱼雷的声自导等装置上，该探测基阵通过MEMS技术在单个硅片上集成多个水听器组阵，既可以解决一致性问题还能很大程度的缩小基阵尺寸，采用刚性连接，易于在船上装配，而且批量化制造的成本低。

本发明通过下述技术方案实现：

一种硅基单片集成声纳基阵，包括悬臂梁式敏感阵列结构、透声护套、支撑结构；悬臂梁式敏感结构阵列结构固定在支撑结构上；悬臂梁式敏感结构阵列结构设置在透声护套内，并固定，透声护套内注入绝缘介质油，悬臂梁式敏感阵列结构浸润在绝缘介质油；密封并且透声护套整体做水密处理。

所述的硅基单片集成声纳基阵，透声护套采用聚氨酯透声材料制作。

所述的硅基单片集成声纳基阵，绝缘介质油采用轻蜡油材料。

所述的硅基单片集成声纳基阵，所述悬臂梁式敏感阵列结构包括若干独立阵元，各独立阵元包括硅梁、硅梁根部的压敏电阻R1、支撑基座上的电阻R2、R3、R4连接构成的惠斯通电桥、金属引线。

所述的硅基单片集成声纳基阵，所述相邻两个独立阵元间距为所要接收信号的中心频率对应波长的二分之一。

本发明的有益效果：

第一，所有结构可以在单个硅片上实现，极大地缩小基阵尺寸；

第二，采用MEMS工艺，实现批量化制造，制作的结构一致性好，制作成本低；

第三，通过改变结构的结合尺寸可以制作出不同阵型、不同共振频率的接收基阵，可移植性强，适用于不同场合。

综上所述，将本发明作为声纳湿端探头，再配合信息处理单元，能够用在水下超声成像、超声测距方面；也可以用做鱼雷声自导装置，将该基阵安装于雷头导流罩内部，不仅能给鱼雷攻击提供导引，而且只占用很小空间；对于水下无人潜器(UUV)等水下小体积潜器都会有很大的应用空间。本发明的成果对于科学研究、工程实践的水中探测以及海域安全都具有积极地意义，其低成本、批量化的优点可以取得巨大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为声纳基阵整体结构剖面图(护套、芯片、介质油、支撑结构)；

图2为悬臂梁式敏感阵列结构1中单个阵元的结构示意图；

图3为悬臂梁式敏感阵列结构示意图；

图4为阵元制作的工艺流程图(以单阵元加工为例)。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

硅基声纳基阵包括悬臂梁式敏感阵列结构1、透声护套2、护套内部的绝缘介质油3(如图1所示)，悬臂梁式敏感结构阵列结构1固定在不锈钢支撑结构8上，焊接导线并通过导线孔9引出；将悬臂梁式敏感结构阵列结构1放入事先做好的透声护套2内，并固定，通过注油孔10注入轻蜡油3；密封注油孔并且整体做水密处理，硅基单片集成声纳基阵便制作完成。

透声护套2采用聚氨酯透声材料制作，整体水密处理，起到保护内部结构的作用。护套2中内部充满绝缘介质油3，绝缘介质油采用轻蜡油材料，它与海水的声阻抗以及密度接近，起到透声和绝缘的作用。悬臂梁式敏感阵列结构1浸润介质油2中。

图2为悬臂梁式敏感阵列结构1中单个阵元的结构示意图，包括硅梁4、硅梁根部的压敏电阻5(R1)、支撑基座6上的电阻R2、R3、R4连接构成的惠斯通电桥、金属引线7。单个阵元工作机理是：当有信号作用于硅梁4时，梁会产生应力使得梁发生形变，从而导致梁根部设置的应变压敏电阻5阻值R1发生变化，使由应变压敏电阻R1与扩散在支撑基座6上的基准电阻R2、R3、R4连接构成的惠斯通电桥的输出发生变化，利用金属引线7将信号传输给后续处理电路。根据电桥的输出变化，实现对水下声信号的测量。当在同一硅片上同时制作出多个同样结构，按照一定形状排布成各种阵型，就构成了不同形状的声纳基阵，、；

图3为悬臂梁式敏感阵列结构示意图，其中相邻两个阵元间距为所要接收信号的中心频率对应波长的二分之一。

对设计的结构进行计算和仿真，取单个阵元为例，建立梁的振动模型，分析结构的力学参数。结构的一阶共振频率可以利用式(1)计算得出，当梁上受到大小为F的外力时，在梁的表面的应力变化可以用式(2)描述。

$f_1=\frac{0.55966}{l^2}\sqrt{\frac{{\mathrm{EK}}^2}{\mathrm{\ρ}}}---\left(1\right)$

$\mathrm{\σ}=\frac{F(l-x)}{I}a---\left(2\right)$

其中E为杨氏模量，

称为截面回转半径，对于a×b的矩形截面(a、b分别表示梁厚和梁宽)

为截面的惯性矩，ρ为材料密度，1表示梁长。

计算结果表明当硅梁的尺寸取400μm×130μm×20μm(梁长×梁宽×梁厚)时，该结构的共振频率为150KHz，此时相邻阵元间距取5mm。

悬臂梁式敏感结构的制作采用MEMS工艺制造，其工艺主要包括：氧化、光刻、刻蚀、离子注入、蒸镀等工序，具体的制作流程如下：

取一片SOI(silicon-on-insulator)硅片，首先清洗、氧化，形成二氧化硅层(图中(a)所示)；

采用二氧化硅作为掩膜，图形化压敏电阻条，注入硼离子，形成P型压敏电阻(图中(b)所示)；

再次氧化、并图形化欧姆接触孔，注入浓硼离子，形成欧姆接触(图中(c)所示)；

溅射TiPtAu，并图形化形成金属引线(图中(d)所示)；

背面图形化并EPW各向异性腐蚀形成背腔，正面图形化并ICP刻蚀至穿透(图中(e)所示)。

不用划片，便可以构成一个圆形的面阵。

把该阵列结构封装在特制管壳内，键合金线，便构成了声纳基阵的基本单位。

整体组装，把上述过程制作的悬臂梁式敏感结构阵列结构1固定在不锈钢支撑结构8上，焊接导线并通过导线孔9引出；将敏感结构放入事先做好的透声护套2内，并固定，通过注油孔10注入轻蜡油3；密封注油孔并且整体做水密处理，硅基单片集成声纳基阵便制作完成。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种硅基单片集成声纳基阵，其特征在于，包括悬臂梁式敏感阵列结构、透声护套、支撑结构；悬臂梁式敏感结构阵列结构固定在支撑结构上；悬臂梁式敏感结构阵列结构设置在透声护套内，并固定，透声护套内注入绝缘介质油，悬臂梁式敏感阵列结构浸润在绝缘介质油；密封并且透声护套整体做水密处理。

2.根据权利要求1所述的硅基单片集成声纳基阵，其特征在于，透声护套采用聚氨酯透声材料制作。

3.根据权利要求1所述的硅基单片集成声纳基阵，其特征在于，绝缘介质油采用轻蜡油材料。

4.根据权利要求1所述的硅基单片集成声纳基阵，其特征在于，所述悬臂梁式敏感阵列结构包括若干独立阵元，各独立阵元包括硅梁、硅梁根部的压敏电阻R1、支撑基座上的电阻R2、R3、R4连接构成的惠斯通电桥、金属引线。

5.根据权利要求4所述的硅基单片集成声纳基阵，其特征在于，所述相邻两个独立阵元间距为所要接收信号的中心频率对应波长的二分之一。

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