CN102426054A - 单片集成复合量程矢量水听器 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种单片集成复合量程矢量水听器，解决了现有矢量水听器由于灵敏度和有效工作频带的相互制约而不能满足在同一个测试过程中测量各种频率信号的问题。本发明包括田字形支架，弹性梁以及通过弹性梁分别支悬于田字形支架的四个小框体中部的质量块，每个质量块的四边分别通过一根弹性梁与田字形支架固定，每根弹性梁的端部和根部分别集成有一个阻值相等的压敏电阻，四个质量块中部分别垂直设有一根直径相同的纤毛柱体，四根纤毛柱体长短不一。本发明可通过其上的四根不同长度的纤毛柱体，检测到不同量程范围内的声信号，可用于变频率值的测定，拓宽了其有效工作频带。

Description

单片集成复合量程矢量水听器
技术领域
本发明涉及一种MEMS矢量水听器，具体是一种单片集成复合量程矢量水听器。
背景技术
矢量水听器具有对水下声源目标进行定位的作用，是适用于各类民用船只避障、渔业捕捞、海洋勘探的重要设备。随着微机电MEMS产业的兴起，矢量水听器逐渐向微型化、集成化方向发展，具有广泛的军事和民用前景。由于现有矢量水听器的固有频率和灵敏度之间的关系是相互制约的，即刚硬柱体的高度越高，矢量水听器的灵敏度越高，但其固有频率则越低，反之亦然。因此现有矢量水听器为了兼顾其灵敏度和有效工作频带，其有效工作频带范围窄，即低频高灵敏度。
但是在同一个测试过程中，往往会遇到很多所需测量的声音信号的大小和频率各不相同的情况，例如，在各类民用船只避障中，各种障碍物的频率是不一样的，有的可能只有几十赫兹，有的几百赫兹等等，而且有的声音信号大，有的声音信号小。在这些场合中用一个矢量水听器很难满足测试要求。为了解决这样的问题，提出了本设计。由于该复合量程矢量水听器中各个传感器具有不同的测试灵敏度，因此，将其运用于变频率值的精确测量。
发明内容
本发明为了解决现有矢量水听器由于灵敏度和有效工作频带的相互制约，有效频带范围窄，从而不能满足在同一个测试过程中测量各种频率的信号的缺点，而提供了一种单片集成复合量程矢量水听器。该矢量水听器包括四个传感器，可以有四个不同的测量量程，因此对水下声源的检测会更加准确。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种单片集成复合量程矢量水听器，包括田字形支架，弹性梁以及通过弹性梁分别支悬于田字形支架的四个小框体中部的质量块，每个质量块的四边分别通过一根弹性梁与田字形支架固定，每根弹性梁的端部和根部分别集成有一个阻值相等的压敏电阻，且位于X方向的两根弹性梁上的四个压敏电阻组成一个惠斯通电桥，位于Y方向的两根弹性梁上的四个压敏电阻组成一个惠斯通电桥；四个X方向的惠斯通电桥之间采用并联设置，四个Y方向的惠斯通电桥之间采用并联设置；四个质量块中部分别垂直设有一根直径相同的纤毛柱体：第一纤毛柱体、第二纤毛柱体、第三纤毛柱体和第四纤毛柱体，四根纤毛柱体同侧设置且长度关系为第一纤毛柱体﹥第二纤毛柱体﹥第三纤毛柱体﹥第四纤毛柱体，第一纤毛柱体和第二纤毛柱体对角线设置，第三纤毛柱体和第四纤毛柱体对角线设置，四个纤毛柱体的密度与水密度相同或相近。
其中，田字形支架起载体芯片的作用。在具体测量时，纤毛柱体将感受到的声音信号传递给敏感结构(即质量块及其连接的四根弹性梁)，使弹性梁产生应力变化，从而引起弹性梁上压敏电阻的变化，压敏电阻的变化会引起该矢量水听器上四个X方向和四个Y方向的惠斯通电桥的输出变化，从而实现对水下声信号的方位、声压大小的测量。
本发明水听器上设置的四根不同长度的纤毛柱体的测试灵敏度和有效工作频带都不一样，因此可以应用在变频率值的检测中，从而拓宽了其有效工作频带。
所述的弹性梁和质量块采用SOI材料进过现有的MEMS微机械工艺加工而成；所述的压敏电阻采用P型硅电阻条，电阻条按[110]晶向布置，且该压敏电阻通过现有的扩散工艺加工而成。
所述的弹性梁的梁长为800μm、梁宽为200μm、梁厚为30μm；质量块的边长为300μm；第一纤毛柱体长20000μm，第二纤毛柱长10000μm、第三纤毛柱体长6000μm、第四纤毛柱体长3000μm，各纤毛柱体的半径为100μm。纤毛柱体的长度不同，其量程也不同，第一纤毛柱体到第四纤毛柱体的量程分别为：60 Hz、300 Hz、2600Hz、7500Hz。
根据理论知识，由质量块、弹性梁及纤毛柱体组成的传感器仿生微结构的共振频率为：
Figure 972040DEST_PATH_IMAGE001
                （1）
式中：K-劲度系数；
m-仿生微结构的质量；
L-弹性梁梁长；
b-弹性梁梁宽；
t-弹性梁梁厚；
h-纤毛柱体长度；
a-质量块边长的一半。
对仿生微结构进行静力分析可知，仿生微结构单根悬臂梁在弯矩
Figure 569243DEST_PATH_IMAGE002
和水平力
Figure 807327DEST_PATH_IMAGE003
共同作用下的任意一点的应力
Figure 271379DEST_PATH_IMAGE005
为:
Figure 723089DEST_PATH_IMAGE006
                         （2）
传感器仿生微结构的灵敏度可表示为（对应于P型压敏电阻）： 
                                           (3)   
式中：Vim-输入的电压伏值。
由于梁的最大应力与仿生微结构的灵敏度成正比，因此，从式（1）到式（3）可知：仿生微结构的灵敏度与纤毛柱体的长度成正比，即仿生微结构的纤毛柱体的长度越长，仿生微结构的灵敏度越高；而仿生微结构的固有频率与纤毛柱体的长度成反比，即仿生微结构的纤毛柱体的长度越长，仿生微结构的固有频率越低，即有效频带范围越窄。
在综合考虑仿生微结构的灵敏度和频带范围情况下，初步设定传感器仿生微结构的几何尺寸如表1所示：
表1各传感器仿生微结构尺寸
Figure 463043DEST_PATH_IMAGE008
利用ANSYS10.0有限元仿真分析软件建立仿真模型。分别对四个不同长度纤毛柱体的仿生微结构进行应力分析、模态分析以及谐响应分析。得到矢量水听器模型的等效应力云（如图4），一阶模态图(如图5)。从而得出各个不同长度纤毛柱体的仿生微结构的固有频率、最大应力。并通过式（3）计算得出灵敏度(施加1Pa的力，按输入5V计算)，如表2所示：
表2 不同长度纤毛柱体对应的固有频率、最大应力
纤毛柱体 第一纤毛柱体 第二纤毛柱体 第三纤毛柱体 第四纤毛柱体
纤毛柱体长（μm） 20000 10000 6000 3000
固有频率（Hz） 62.35 311.76 2641 .37 7577．13
最大应力（pa） 511577 203417 33829 4813
灵敏度（dB） -174.72 -182.73 -198.31 -215.25
工作频带（Hz） 0~62.35 0~311.76 0~2641 .37 0~7577.13
由以上仿真出的固有频率可确定该仿生微结构的有效工作频带范围，由表可得出本发明中各个传感器具有不同的测试灵敏度，因此，将其运用于变频率值的精确测量，可以比较精确地测到0~7577.13 Hz频带范围内的任何一个频率的信号,明显拓宽了其测试范围。
本发明结构简单，极大的拓宽了有效频带范围，单片集成便于安装和测试，提高了安装精度，最终以单个传感器实现了小体积内的传感器组阵，克服了在传统的组阵中的各个水听器的不一致性。以其生产加工的矢量传感器应用范围广阔，可以适用于各类民用船只避障，渔业捕捞，海洋勘探的重要设备。由于该复合量程矢量水听器中各个传感器具有不同的测试灵敏度，因此，将其运用于变频率值的精确测量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为单片集成的各个弹性梁上的压敏电阻的分布连接示意图。
图3为本发明X方向和Y方向上的四个惠斯通电桥之间并联连接示意图。
图4为本发明仿真模型的等效应力云图。
图5为本发明仿真模型的一阶模态图。
图中：1-田字形支架、2-弹性梁、3-质量块、4-压敏电阻、5-第一纤毛柱体、6-第二纤毛柱体、7-第三纤毛柱体、8-第四纤毛柱体。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的描述：
如图1至3所示，一种单片集成复合量程矢量水听器，包括田字形支架1，弹性梁2以及通过弹性梁2分别支悬于田字形支架1的四个小框体中部的质量块3，每个质量块3的四边分别通过一根弹性梁2与田字形支架1固定，每根弹性梁2的端部和根部分别集成有一个阻值相等的压敏电阻4，且位于X方向的两根弹性梁2上的四个压敏电阻4组成一个惠斯通电桥，位于Y方向的两根弹性梁2上的四个压敏电阻4组成一个惠斯通电桥；四个X方向的惠斯通电桥之间采用并联设置，四个Y方向的惠斯通电桥之间采用并联设置；四个质量块3中部分别垂直设有一根直径相同的纤毛柱体：第一纤毛柱体5、第二纤毛柱体6、第三纤毛柱体7和第四纤毛柱体8，四根纤毛柱体同侧设置且长度关系为第一纤毛柱体5﹥第二纤毛柱体6﹥第三纤毛柱体7﹥第四纤毛柱体8，第一纤毛柱体5和第二纤毛柱体6对角线设置，第三纤毛柱体7和第四纤毛柱体8对角线设置，四个纤毛柱体的密度与水密度相同或相近。
具体实施时，所述的弹性梁2和质量块3采用SOI材料进过现有的MEMS微机械工艺加工而成；所述的压敏电阻4采用P型硅电阻条，电阻条按[110]晶向布置，且该压敏电阻4通过现有的扩散工艺加工而成。
所述的弹性梁2的梁长为800μm、梁宽为200μm、梁厚为30μm；质量块3的边长为300μm；第一纤毛柱体5长20000μm，第二纤毛柱体6长10000μm、第三纤毛柱体7长6000μm、第四纤毛柱体8长3000μm，各纤毛柱体的半径为100μm。

Claims (3)

1.一种单片集成复合量程矢量水听器，其特征在于：包括田字形支架（1），弹性梁（2）以及通过弹性梁（2）分别支悬于田字形支架（1）的四个小框体中部的质量块（3），每个质量块（3）的四边分别通过一根弹性梁（2）与田字形支架（1）固定，每根弹性梁（2）的端部和根部分别集成有一个阻值相等的压敏电阻（4），且位于X方向的两根弹性梁（2）上的四个压敏电阻（4）组成一个惠斯通电桥，位于Y方向的两根弹性梁（2）上的四个压敏电阻（4）组成一个惠斯通电桥；四个X方向的惠斯通电桥之间采用并联设置，四个Y方向的惠斯通电桥之间采用并联设置；四个质量块（3）中部分别垂直设有一根直径相同的纤毛柱体：第一纤毛柱体（5）、第二纤毛柱体（6）、第三纤毛柱体（7）和第四纤毛柱体（8），四根纤毛柱体同侧设置且长度关系为第一纤毛柱体（5）﹥第二纤毛柱体（6）﹥第三纤毛柱体（7）﹥第四纤毛柱体（8），第一纤毛柱体（5）和第二纤毛柱体（6）对角线设置，第三纤毛柱体（7）和第四纤毛柱体（8）对角线设置，四个纤毛柱体的密度与水密度相同或相近。
2.根据权利要求1所述的单片集成复合量程矢量水听器，其特征在于：所述的弹性梁（2）和质量块（3）采用SOI材料经过现有的MEMS微机械工艺加工而成；所述的压敏电阻（4）采用P型硅电阻条，电阻条按[110]晶向布置，且该压敏电阻（4）通过现有的扩散工艺加工而成。
3.根据权利要求1或2所述的单片集成复合量程矢量水听器，其特征在于：所述的弹性梁（2）的梁长为800μm、梁宽为200μm、梁厚为30μm；质量块（3）的边长为300μm；第一纤毛柱体（5）长20000μm，第二纤毛柱体（6）长10000μm、第三纤毛柱体（7）长6000μm、第四纤毛柱体（8）长3000μm，各纤毛柱体的半径为100μm。
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