CN103528663A

CN103528663A - 具有隔振功能的mems矢量水听器封装结构

Info

Publication number: CN103528663A
Application number: CN201310512073.4A
Authority: CN
Inventors: 张国军; 何常德; 郭静; 李振; 郭楠; 薛晨阳; 刘俊; 张文栋
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2013-10-26
Filing date: 2013-10-26
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-10-26
Also published as: CN103528663B

Abstract

本发明为一种具有隔振功能的MEMS矢量水听器封装结构，该封装结构减小了工作环境对MEMS矢量水听器性能指标的影响。该装置包括内设放大电路板的外支柱、软支柱、支撑底盘和透声帽，支撑底盘上安装有软支座，软支座包括设有缓冲孔和缓冲凸块的支撑柱体，支撑柱体顶部设有底板和安装槽，安装槽内安装有MEMS矢量水听器。检测时，工作平台的振动噪声通过外支柱向MEMS水听器传播的路径上，外支柱可以阻隔掉噪声中高于软支撑结构固有频率的大部分噪声成分，软支座可以滤除掉部分未被软支撑隔掉的振动噪声。本发明开创性地利用封装材料的特性和结构设计来实现对水听器的隔振要求，设计结构简单，隔振效果明显。

Description

具有隔振功能的MEMS矢量水听器封装结构

技术领域

本发明涉及MEMS矢量水听器技术领域，具体是一种具有隔振功能的MEMS矢量水听器封装结构。

背景技术

矢量水听器作为一种能够时间同步、空间共点测得水下声场矢量信息的传感器，在海洋工程和海洋开发中有着广泛的应用前景。MEMS矢量水听器的应用使得水中声音信息的获取技术有了巨大的提高，但由于其工作环境复杂，安装平台多样，安装平台的振动会沿着刚性结构传至敏感单元，严重影响测量结果的准确性、灵敏度等。想要提高MEMS矢量水听器的应用效果，需要从多方面着手考虑，其中，封装结构的隔振设计就是重要的一个环节。

对矢量水听器封装结构的隔振设计主要是为了去除水听器安装平台的振动噪声对水听器敏感微结构的干扰，进而提高矢量水听器的信噪比。目前，基于MEMS技术的水听器已趋于成熟化发展，但是MEMS水听器安装平台的噪声（如舰船机械设备振动噪声、螺旋桨振动噪声及水动力噪声等）严重影响了水听器的信噪比，针对这一事实，设计合理的MEMS矢量水听器隔振装置已迫在眉睫。它不仅可以实现干扰信号的隔离，更重大的意义在于能够推动水听器研究技术的进一步工程化应用。

发明内容

本发明的目的就是为了进一步减小工作环境（如：安装平台的振动、噪声等）对MEMS矢量水听器性能指标的影响，而提供一种具有隔振功能的MEMS矢量水听器封装结构，从而使得MEMS矢量水听器的信噪比，指向性等指标得到进一步地优化。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种具有隔振功能的MEMS矢量水听器封装结构，包括外支柱，外支柱内部设有轴向的第一引线孔以及与第一引线孔相通的安置腔，安置腔的腔口位于外支柱底部，外支柱的底部螺纹连接有用于封堵安置腔的堵头，安置腔内安装有放大电路板；外支柱的顶部螺纹连接有软支柱，软支柱内部设有轴向的且与外支柱内第一引线孔相通的第二引线孔，软支柱的顶部螺纹连接有支撑底盘，支撑底盘上开设有与软支柱内第二引线孔相通的第三引线孔，支撑底盘上靠近边缘的位置设有环形卡槽，环形卡槽内固接有透声帽，透声帽内充注有硅油；透声帽内还设有软支座，软支座包括支撑柱体，支撑柱体上开设有轴向的通孔，支撑柱体的侧壁上均布有四个与通孔相通的缓冲孔，支撑柱体的顶面上位于每个缓冲孔正上方的位置各设有一个缓冲凸块，四个缓冲凸块顶部共同固定有一个底板，底板上设有与支撑柱体上通孔相通的第四引线孔，底板上表面还设有安装槽；软支座的支撑柱体底部固定在支撑底盘上表面中心处，支撑柱体的通孔与支撑底盘的第三引线孔相通；软支座的底板上位于安装槽内的位置安装MEMS矢量水听器（所述的MEMS矢量水听器为现有公知技术，例如：专利号为200610012991.0的中国发明专利公开的“共振隧穿仿生矢量水声传感器”），MEMS矢量水听器的输出端通过导线依次穿过软支座底板上的第四引线孔、软支座支撑柱体的通孔、支撑底盘的第三引线孔、软支柱的第二引线孔、外支柱的第一引线孔后与外支柱安置腔内的放大电路板输入端连接，放大电路板的输出端通过导线穿过堵头后和输出电缆连接；外支柱、软支柱、支撑底盘、软支座和透声帽均位于同一轴线上。

所述的软支座设计为环式弹性元件，在支撑柱体的侧壁上开设有四个缓冲孔，这样四个缓冲孔之间就形成了四个缓冲凸块，与支撑柱体顶面上另外四个缓冲凸块形成上下层分布、交叉45度的二级缓冲单元，并且能对应成两端固定、跨中受载的应变梁。在力的作用下，该应变梁可简化成矩形超静定梁，即支撑柱体侧壁上的四个缓冲凸块和顶面上的四个缓冲凸块作为整体可简化为由8个超静定梁组成。根据超静定梁定义，在受到集中载荷时，超静定梁的自由端的端部只有移动，没有转动，即产生S形变形。因此，这种结构设计能保证水听器封装结构的稳定性。

进一步地，所述的外支柱顶部设有第一连接凸块，软支柱的底部设有第一连接凹槽，并且第一连接凸块插入到第一连接凹槽内后二者螺纹连接，外支柱顶部的侧壁向上延设有加固槽，并且加固槽卡固在第一连接凹槽的外表面上，加固槽以保证外支柱和软支柱之间的连接稳定性；所述的支撑底盘底部设有第二连接凸块，软支柱的顶部设有第二连接凹槽，并且第二连接凸块插入到第二连接凹槽后二者螺纹连接。

所述的软支座上的底板、支撑底盘和外支柱都是采用303Se不锈钢材料加工而成的，具有良好的耐腐蚀特性，结构牢固耐用，采用303Se不锈钢材料保证了水听器封装结构的稳定性和牢固性，可承受外部撞击等，起到了很好的保护作用；所述的透声帽是采用聚氨酯橡胶材料加工而成的，不仅可以将MEMS矢量水听器与外界水隔离，同时可确保外界声信号能够最大限度地透过外壳传递给MEMS矢量水听器；所述的软支座是采用弹性模量很小的“道康宁”硅橡胶制成的，所述的软支柱是采用隔振效果良好的减震橡胶制成的，它们均具有成本低，易于加工等特点，以上两结构是隔振的核心单元。

使用时，将本发明装置通过外支柱与工作平台连接，工作平台的振动噪声将通过外支座向MEMS水听器传播，在传播路径上，噪声将经过软支柱与软支座两个隔振结构，其中，软支柱采用减震橡胶制成，通过调节橡胶组分的配比和加工条件，可以将软支柱的固有频率控制在小于水听器工作频率的下限，从而使噪声中高于软支柱固有频率的大部分噪声成分被阻隔掉；对于软支座结构，在采用固有频率很低的“道康宁”硅橡胶同时，其整体结构又是镂空设计，设有两级缓冲单元和平衡单元（平衡单元为支撑柱体上缓冲孔与缓冲凸块之间的部分），根据弹性力学，该部分为一个二阶隔振系统，未被软支柱隔掉的振动噪声经过该部分时，在缓冲单元的作用下，进一步地被滤除掉。工作平台的振动噪声在经过软支柱与软支座两个隔振结构后基本被滤除，从而保证了水听器不被工作平台的振动噪声影响。

将本发明封装结构的水听器与现有封装结构的水听器在相同条件下进行对比实验：

1）隔振效果测试

图4和图5分别为现有封装结构的水听器和本发明封装结构的水听器的隔振效果测试结果。从图中可以看出，在相同的测试噪声环境下，本发明封装结构的水听器接收到的信号频率明显低于现有封装结构的水听器接收到的信号频率。因此，应用隔振装置（即本发明装置中的软支柱、软支座）的水听器封装结构可有效避免水听器封装结构对水听器芯片的影响，对水听器安装平台等引起的振动噪声产生有效隔离，具有明显的隔振效果。

2）水听器指向性测试

图6和图7分别为现有封装结构的水听器和本发明封装结构的水听器的指向性测试结果。从图中可以看出，在相同的测试环境下，当X方向接收信号最大时，Y方向接收信号在理想条件下应为一条直线，即测试信号为0。显然，本发明封装结构的水听器（即应用隔振装置的水听器）测试结果更接近于理想情况。因此，应用隔振装置的水听器封装结构可提高水听器的指向性。

本发明的有益效果有：

（1）、本发明装置中的隔振结构设计合理，易于制作及组装。本发明装置的研制不仅使隔振单元固有频率远离了水听器工作频率范围，即远离水听器工作频率下限，因此应用隔振装置的水听器封装结构可有效避免水听器封装结构对水听器芯片的影响，产生明显的隔振效果。同时，本发明封装结构是水听器封装结构上的一个突破和创新，为水听器的进一步研究奠定了基础；

（2）、本发明装置的核心器件采用固有频率很低的“道康宁”硅橡胶加工而成，橡胶隔振器具有结构紧凑、应用方便、可靠性高、阻尼比高、工艺性好等特点，且橡胶隔振器的输入和输出之间存在很强的非线性关系，它可以在不降低隔振系统承载能力前提下降低系统刚度，实现低频甚至超低频隔振。因此，本发明装置具有广阔的应用前景；

（3）、本发明装置加工成本低，易于制作，适合工程化应用及批量化生产。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中软支座的结构示意图。

图3为本发明中软支座的立体结构示意图。

图4为现有封装结构的水听器的隔振效果测试结果。

图5为本发明封装结构的水听器的隔振效果测试结果。

图6为现有封装结构的水听器的指向性测试结果。

图7为本发明封装结构的水听器的指向性测试结果。

图中：1-外支柱、1-1-第一引线孔、1-2-安置腔、1-3-第一连接凸块、1-4-加固槽、2-堵头、3-放大电路板、4-软支柱、4-1-第二引线孔、4-2-第一连接凹槽、4-3-第二连接凹槽、5-支撑底盘、5-1-第三引线孔、5-2-环形卡槽、5-3-第二连接凸块、6-透声帽、7-硅油、8-软支座、8-1-支撑柱体、8-2-通孔、8-3-缓冲孔、8-4-缓冲凸块、8-5-底板、8-6-第四引线孔、8-7-安装槽、9-MEMS矢量水听器、10-导线、11-输出电缆。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述：

如图1、2、3所示，一种具有隔振功能的MEMS矢量水听器封装结构，包括外支柱1，外支柱1内部设有轴向的第一引线孔1-1以及与第一引线孔1-1相通的安置腔1-2，安置腔1-2的腔口位于外支柱1底部，外支柱1的底部螺纹连接有用于封堵安置腔1-2的堵头2，安置腔1-2内安装有放大电路板3；外支柱1的顶部螺纹连接有软支柱4，软支柱4内部设有轴向的且与外支柱1内第一引线孔1-1相通的第二引线孔4-1，软支柱4的顶部螺纹连接有支撑底盘5，支撑底盘5上开设有与软支柱4内第二引线孔4-1相通的第三引线孔5-1，支撑底盘5上靠近边缘的位置设有环形卡槽5-2，环形卡槽5-2内固接有透声帽6，透声帽6内注充有硅油7；其特征在于：透声帽6内还设有软支座8，软支座8包括支撑柱体8-1，支撑柱体8-1上开设有轴向的通孔8-2，支撑柱体8-1的侧壁上均布有四个与通孔8-2相通的缓冲孔8-3，支撑柱体8-1的顶面上位于每个缓冲孔8-3正上方的位置各设有一个缓冲凸块8-4，四个缓冲凸块8-4顶部共同固定有一个底板8-5，底板8-5上开设有与支撑柱体8-1上通孔8-2相通的第四引线孔8-6，底板8-5上表面还设有安装槽8-7；软支座8的支撑柱体8-1底部固定在支撑底盘5上表面中心处，支撑柱体8-1的通孔8-2与支撑底盘5的第三引线孔5-1相通；软支座8的底板8-5上位于安装槽8-7内的位置安装有MEMS矢量水听器9，MEMS矢量水听器9的输出端通过导线10依次穿过软支座8底板8-5上的第四引线孔8-6、软支座8支撑柱体8-1的通孔8-2、支撑底盘5的第三引线孔5-1、软支柱4的第二引线孔4-1、外支柱1的第一引线孔1-1后与外支柱1安置腔1-2内的放大电路板3输入端连接，放大电路板3的输出端通过导线10穿过堵头2后和输出电缆11连接；外支柱1、软支柱4、支撑底盘5、软支座8和透声帽6均位于同一轴线上。

具体实施时，所述的外支柱1顶部设有第一连接凸块1-3，软支柱4的底部设有第一连接凹槽4-2，并且第一连接凸块1-3插入到第一连接凹槽4-2内并螺纹连接，外支柱1顶部的侧壁向上延设有加固槽1-4，并且加固槽1-4卡固在第一连接凹槽4-2的外表面上；所述的支撑底盘5底部设有第二连接凸块5-3，软支柱4的顶部设有第二连接凹槽4-3，并且第二连接凸块5-3插入到第二连接凹槽4-3内并螺纹连接。

所述的软支座8上的底板8-5、支撑底盘5和外支柱1都是采用303Se不锈钢材料加工而成的；所述的透声帽6是采用聚氨酯橡胶材料加工而成的；所述的软支座8上的支撑柱体8-1、缓冲凸块8-4是采用弹性模量很小的“道康宁”硅橡胶制成的；所述的软支柱4是采用隔振效果良好的减振橡胶制成的。

Claims

1.一种具有隔振功能的MEMS矢量水听器封装结构，包括外支柱（1），外支柱（1）内部设有轴向的第一引线孔（1-1）以及与第一引线孔（1-1）相通的安置腔（1-2），安置腔（1-2）的腔口位于外支柱（1）底部，外支柱（1）的底部螺纹连接有用于封堵安置腔（1-2）的堵头（2），安置腔（1-2）内安装有放大电路板（3）；外支柱（1）的顶部螺纹连接有软支柱（4），软支柱（4）内部设有轴向的且与外支柱（1）内第一引线孔（1-1）相通的第二引线孔（4-1），软支柱（4）的顶部螺纹连接有支撑底盘（5），支撑底盘（5）上开设有与软支柱（4）内第二引线孔（4-1）相通的第三引线孔（5-1），支撑底盘（5）上靠近边缘的位置设有环形卡槽（5-2），环形卡槽（5-2）内固接有透声帽（6），透声帽（6）内注充有硅油（7）；其特征在于：透声帽（6）内还设有软支座（8），软支座（8）包括支撑柱体（8-1），支撑柱体（8-1）上开设有轴向的通孔（8-2），支撑柱体（8-1）的侧壁上均布有四个与通孔（8-2）相通的缓冲孔（8-3），支撑柱体（8-1）的顶面上位于每个缓冲孔（8-3）正上方的位置各设有一个缓冲凸块（8-4），四个缓冲凸块（8-4）顶部共同固定有一个底板（8-5），底板（8-5）上开设有与支撑柱体（8-1）上通孔（8-2）相通的第四引线孔（8-6），底板（8-5）上表面还设有安装槽（8-7）；软支座（8）的支撑柱体（8-1）底部固定在支撑底盘（5）上表面中心处，支撑柱体（8-1）的通孔（8-2）与支撑底盘（5）的第三引线孔（5-1）相通；软支座（8）的底板（8-5）上位于安装槽（8-7）内的位置安装有MEMS矢量水听器（9），MEMS矢量水听器（9）的输出端通过导线（10）依次穿过软支座（8）底板（8-5）上的第四引线孔（8-6）、软支座（8）支撑柱体（8-1）的通孔（8-2）、支撑底盘（5）的第三引线孔（5-1）、软支柱（4）的第二引线孔（4-1）、外支柱（1）的第一引线孔（1-1）后与外支柱（1）安置腔（1-2）内的放大电路板（3）输入端连接，放大电路板（3）的输出端通过导线（10）穿过堵头（2）后和输出电缆（11）连接；外支柱（1）、软支柱（4）、支撑底盘（5）、软支座（8）和透声帽（6）均位于同一轴线上。

2.根据权利要求1所述的具有隔振功能的MEMS矢量水听器封装结构，其特征在于：所述的外支柱（1）顶部设有第一连接凸块（1-3），软支柱（4）的底部设有第一连接凹槽（4-2），并且第一连接凸块（1-3）插入到第一连接凹槽（4-2）内并螺纹连接，外支柱（1）顶部的侧壁向上延设有加固槽（1-4），并且加固槽（1-4）卡固在第一连接凹槽（4-2）的外表面上；所述的支撑底盘（5）底部设有第二连接凸块（5-3），软支柱（4）的顶部设有第二连接凹槽（4-3），并且第二连接凸块（5-3）插入到第二连接凹槽（4-3）内并螺纹连接。

3.根据权利要求1或2所述的具有隔振功能的MEMS矢量水听器封装结构，其特征在于：所述的软支座（8）上的底板（8-5）、支撑底盘（5）和外支柱（1）都是采用303Se不锈钢材料加工而成的；所述的透声帽（6）是采用聚氨酯橡胶材料加工而成的；所述的软支座（8）上的支撑柱体（8-1）、缓冲凸块（8-4）是采用弹性模量很小的“道康宁”硅橡胶制成的；所述的软支柱（4）是采用隔振效果良好的减振橡胶制成的。