CN103808403A - 适用于深水的纳机电矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种适用于深水的纳机电矢量水听器，进一步提高MEMS矢量水听器的密封性、抗大静水压、环境适应性、可靠性等指标。本发明包括不锈钢电路管壳、缩颈管壳、固定圆盘、带凸台的绝缘环形托盘，凸台上安装有圆形PCB板和探测芯片，绝缘环形托盘上开设有密封螺孔和信号螺孔，绝缘环形托盘上固接有内充硅油和消泡剂的透声帽，透声帽内还支设有支撑架。本发明实现了水听器透声帽高压不变形、无气泡和耐大静水压，以及提高了其环境适应能力和测试水声信号的可靠性、实用性、稳定性等。在高压环境下，透声帽内外达到压强平衡即可承受高静水压力，经过耐静水压测试，本结构能够在不小于20Mpa的水压下正常工作。

Description

适用于深水的纳机电矢量水听器

技术领域

本发明涉及MEMS传感器领域中的矢量水听器，具体是一种超弹性材料透声帽、无气泡、耐大静水压的适用于深水的纳机电矢量水听器。

背景技术

目前，矢量水听器作为测量水下声信号的传感器，在海洋环境特性研究、噪声测量、探测声呐、探测声呐、水声定位、水雷和鱼雷声引线、鱼雷和深水炸弹自导、水下声通信等领域具有广泛的应用前景。MEMS矢量水听器的应用使得水下声源信号的获取得到了巨大的提高。由于深水探测环境的复杂性，所以MEMS矢量水听器的应用效果与很多因素密切相关，其中密封性、耐压性能对于它的应用效果具有重要的影响。

目前，MEMS水听器的技术已趋于成熟，但聚氨脂透声帽过厚导致高压容易产生形变而破裂，聚氨脂透声帽内硅油易漏出，硅油中的气泡、敏感头往外引出导线致使密封不好，严重影响MEMS矢量传感器的在深海探测环境的高压的性能，甚至破坏水听器，MEMS矢量水听器的耐静水压技术、环境适应性技术是两大关键技术，透声帽的材料、气泡、电路引线孔是整个MEMS矢量水听器稳定性、密封性的一大难题，因此，改变透声帽的材料、消除气泡、改变电路引线方式对于MEMS矢量水听器的应用时必不可少的。

如专利号为200910073993.4的中国发明专利公开的“微机电矢量水听器”，此MEMS矢量水听器为目前耐压性能最好的MEMS矢量水听器，但是此矢量水听器仍然会在深水环境下遭受一定程度的损坏，使现有水听器的耐压性能不能满足深水条件。此MEMS矢量水听器的承压上限为2Mpa，如须提高耐压性能，需要解决该MEMS矢量水听器聚氨脂透声帽内硅油易漏出、敏感头往外引出导线致使密封不好等这些造成水听器难以抵抗高静水压的缺陷。

发明内容

本发明的目的是为了通过对封装结构的改进而进一步提高MEMS矢量水听器的密封性、抗大静水压、环境适应性、可靠性等指标，具体是一种适用于深水的纳机电矢量水听器。本发明突破了纳机电矢量水听器的耐静水压的关键技术研究，该水听器能够在不小于20Mpa的水压下正常工作。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种适用于深水的纳机电矢量水听器，包括内置信号处理电路板的不锈钢电路管壳，不锈钢电路管壳顶部延设有内置导线的缩颈管壳、底部管口插接有连接电缆的堵头，缩颈管壳内的导线与不锈钢电路管壳内的信号处理电路板的输入端连接，同时信号处理电路板的输出端通过导线与堵头上的电缆连接；缩颈管壳的顶部固接有开设中心通孔的固定圆盘，固定圆盘上开设有安装槽，安装槽内通过聚氨酯无缝隙地粘接安装有绝缘环形托盘，绝缘环形托盘上设有凸台，绝缘环形托盘上靠近边缘的位置设有环形卡槽，绝缘环形托盘上以其圆心为对称中心均布有八个同时贯穿绝缘环形托盘及凸台的螺孔，其中任意两个螺孔为密封螺孔、剩余六个螺孔为信号螺孔，注油螺孔内安装有注油螺钉（注油螺钉起密封作用）、信号螺孔内安装有镀镍螺钉，并且每个镀镍螺钉都与缩颈管壳内的导线连接（镀镍螺钉不仅起到密封的作用，而且还起到传递数据的作用）；绝缘环形托盘上的凸台上安装有圆形PCB板（圆形PCB板即印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，简称印制板，以绝缘板为基材，切成一定尺寸，其上至少附有一个导电图形，并布有孔<如元件孔、紧固孔、金属化孔等>，用来代替以往装置电子元器件的底盘，并实现电子元器件之间的相互连接），圆形PCB板上正对绝缘环形托盘上八个螺孔的位置同样开设有八个螺孔，并且圆形PCB板通过注油螺钉和镀镍螺钉与绝缘环形托盘上的凸台固定，圆形PCB板的中心处安装有水听器探测芯片（即：粘结敏感柱体的四梁微结构）；绝缘环形托盘上固接有厚度为0.1mm的透声帽，在高压下几乎没有形变，所述的透声帽包括空心圆柱体，空心柱体底部敞口、顶部由空心半球体封口，空心柱体底部的敞口端通过聚氨酯无缝隙地粘接在绝缘环形托盘的环形卡槽内；透声帽内还设有支撑架，所述的支撑架包括四个呈米字形交叉连接的U形架（四个U形架的交叉点位于U形架的弧形中心处，四个交叉的U形架俯视为一个米字型），四个U形架的八个端部共同固定在一个连接环上，连接环螺纹连接在绝缘环形托盘的凸台上，支撑架的整体尺寸形状与透声帽内表面尺寸形状完全相同，且二者之间无缝隙的紧密结合；透声帽内充满硅油，硅油绝缘、粘度低、阻尼小、不易产生气泡，且硅油中添加有消泡剂，消泡剂的质量占硅油质量的0.1-0.5%，这样在高压下硅油中无气泡，使水听器免受硅油中气泡的闪射效应和高压下气泡造成内外压失衡的影响；不锈钢电路管壳、缩颈管壳、固定圆盘、绝缘环形托盘、凸台、水听器探测芯片、透声帽和支撑架均位于同一轴线上。

本发明矢量水声传感器的平均密度与水介质密度接近，矢量水声传感器的振动速度与水质点的振动速度幅值相同，相位趋于零，利用水听器探测芯片上的敏感柱体与介质质点同振来拾取声音信号，通过水听器探测芯片（即：粘结敏感柱体的四梁微结构）将电阻的变化转换为电压的变化。电压变化由圆形PCB板、镀镍螺钉通过导线传到信号处理电路板。信号处理电路板把电压信号处理后，由信号电缆传出。

绝缘环形托盘上的信号螺孔很小，且采用镀镍螺钉进行辅助密封，绝缘环形托盘底部利用聚氨酯进行灌封；镀镍螺钉辅助密封与聚氨酯一起保证环形安装槽底部的密封，以上两处密封是无气泡、耐静水压的关键部分。绝缘环形托盘采用聚氨酯无缝隙地粘接在固定圆盘上，进一步保证绝缘环形托盘的密封。在高静水压作用下，该水听器探测芯片受到外压作用，挤压内部硅油产生相应的内压，当外压等于内压，即内外压力平衡，提高其抗压能力，实现很好的密封。

进一步地，所述的绝缘环形托盘是采用绝缘的复合材料玻璃钢制成的，以便实现二维微结构与外界的绝缘和水听器的耐腐蚀能力；所述的不锈钢电路管壳是采用303Se不锈钢材料制成的，具有良好的耐腐蚀特性，结构牢固耐用；所述的透声帽是采用超弹性材料制成的，如丁腈橡胶等；所述的消泡剂为聚硅氧烷-聚醚共聚物。

所述的固定圆盘的外径为39mm、高为5mm，其上的安装槽直径为35mm；所述的绝缘环形托盘的直径为35mm、高9mm，其上的环形卡槽宽为6mm、深为1mm，其上的凸台直径为20mm、高为4mm；所述的支撑架上的连接环内径20mm，外径25mm；透声帽的直径25mm，高27mm。

本发明的有益效果有：

（1）超弹性材料透声帽、无气泡、耐大静水压的深水MEMS矢量水听器新型绝缘托盘密封结构中的密封、耐压结构设计合理，易于制作及组装。本发明密封、耐压的研制使水听器免受聚氨脂透声帽过厚导致高压容易产生形变而破裂，聚氨脂透声帽内硅油易漏出，硅油中的气泡、敏感头往外引出导线致使密封不好的问题，增强水听器耐大静水压性，即矢量水听器深海测试性能的提高。同时具有超弹性材料透声帽、无气泡、耐高压的MEMS矢量水听器功能的是封装结构上极大突破，为水听器的进一步研究奠定了基石。

（2）本发明具有超弹性材料透声帽、无气泡、耐大静水压的深水MEMS矢量水听器中超弹性材料透声帽厚度仅为0.1mm，在高压下几乎没有形变，较聚氨酯透声帽封装更具有弹性，即使发生变形，也不会出现透声帽裂缝而导致损坏。

（3）本发明具有超弹性材料透声帽、无气泡、耐大静水压的深水MEMS矢量水听器中支撑架的整体尺寸形状与透声帽内表面尺寸形状完全相同，且二者之间无缝隙的紧密结合，较之前的两个U型架，四个U型架能更好的起到支撑作用。

（4）本发明具有超弹性材料透声帽、无气泡、耐大静水压的深水MEMS矢量水听器中硅油中的消泡剂，避免了密封情况下硅油中可能出现的气泡，从而解决了气泡导致的内外压不平衡。

（5）本发明具有超弹性材料透声帽、无气泡、耐大静水压的深水MEMS矢量水听器的核心部分，即绝缘环形托盘，采用安装托盘、螺丝和聚氨酯进行配合完成，改变了原有的引线孔密封方式，使最不容易密封的引线通孔得到了密封。

（6）本发明具有超弹性材料透声帽、无气泡、耐大静水压的深水MEMS矢量水听器在20Mpa静水压下的灵敏度与常压下近似，且具有良好的“8”字形指向性。     

（7）本发明具有超弹性材料透声帽、无气泡、耐大静水压的深水MEMS矢量水听器封装结构简单，加工成本低，易于制作，适合工程化应用及批量化生产，可以适用于各类船只避障，渔业捕捞特别是深海测试。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中绝缘环形托盘的结构示意图。

图3为本发明中圆形PCB板的结构示意图。

图4为本发明中支撑架的结构示意图。

图5为图4的俯视图。

图6为常压和20Mpa静水压下水听器灵敏度显示图。

图7为常压下水听器"8"字指向性显示图。

图8为20Mpa静水压下水听器"8"字指向性显示图。

图中：1-信号处理电路板、2-不锈钢电路管壳、3-导线、4-缩颈管壳、5-电缆、6-堵头、7-固定圆盘、8-安装槽、9-绝缘环形托盘、10-凸台、11-环形卡槽、12-密封螺钉、13-镀镍螺钉、14-圆形PCB板、15-水听器探测芯片、16-透声帽、17-支撑架、17-1-U形架、17-2-连接环、18-螺孔。

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至5所示，一种适用于深水的纳机电矢量水听器，包括内置信号处理电路板1的不锈钢电路管壳2，不锈钢电路管壳2顶部延设有内置导线3的缩颈管壳4、底部管口插接有连接电缆5的堵头6，缩颈管壳4内的导线与不锈钢电路管壳2内的信号处理电路板1的输入端连接，同时信号处理电路板1的输出端通过导线3与堵头6上的电缆5连接；缩颈管壳4的顶部固接有开设中心通孔的固定圆盘7，固定圆盘7上开设有安装槽8，安装槽8内通过聚氨酯无缝隙地粘接安装有绝缘环形托盘9，绝缘环形托盘9上设有凸台10，绝缘环形托盘9上靠近边缘的位置设有环形卡槽11，绝缘环形托盘9上以其圆心为对称中心开设有八个贯穿绝缘环形托盘9及凸台10的螺孔18，其中任意两个螺孔18为注油螺孔、剩余六个螺孔18为信号螺孔，注油螺孔内安装有密封螺钉12、信号螺孔内安装有镀镍螺钉13，并且各镀镍螺钉13与缩颈管壳4内的导线3连接；绝缘环形托盘9上的凸台10上安装有圆形PCB板14，圆形PCB板14上正对绝缘环形托盘9上八个螺孔18的位置同样开设有八个螺孔18，并且圆形PCB板14通过密封螺钉12和镀镍螺钉13固定于绝缘环形托盘9的凸台10上，圆形PCB板14的中心处安装有水听器探测芯片15；绝缘环形托盘9上固接有厚度为0.1mm的透声帽16，所述的透声帽16包括空心圆柱体，空心柱体底部敞口、顶部由空心半球体封口，空心柱体底部的敞口端通过聚氨酯无缝隙地粘接在绝缘环形托盘9的环形卡槽11内；透声帽16内还设有支撑架17，所述的支撑架17包括四个呈米字形交叉连接的U形架17-1，四个U形架17-1的八个端部共同固定在一个连接环17-2上，连接环17-2螺纹连接在绝缘环形托盘9的凸台10上，支撑架17的整体尺寸形状与透声帽16内表面尺寸形状完全相同，且二者之间无缝隙的紧密结合；透声帽16内充满硅油，且硅油中添加有消泡剂，消泡剂的质量占硅油质量的0.1-0.5%；不锈钢电路管壳2、缩颈管壳4、固定圆盘7、绝缘环形托盘9、凸台10、水听器探测芯片15、透声帽16和支撑架17均位于同一轴线上。

具体实施时，所述的绝缘环形托盘9是采用绝缘的复合材料玻璃钢制成的；所述的不锈钢电路管壳2是采用303Se不锈钢材料制成的；所述的透声帽16是采用超弹性材料制成的，如丁腈橡胶等；所述的消泡剂为聚硅氧烷-聚醚共聚物。

本发明各结构的具体尺寸为：所述的固定圆盘7的外径为39mm、高为5mm，其上的安装槽8直径为35mm；所述的绝缘环形托盘9的直径为35mm、高9mm，其上的环形卡槽11宽为6mm、深为1mm，其上的凸台10直径为20mm、高为4mm；所述的支撑架17上的连接环17-2内径20mm，外径25mm；透声帽16的直径25mm，高27mm。

图6为常压和20Mpa静水压下水听器灵敏度显示图。从图6可以看出在20Mpa下该水听器的灵敏度与常压下近似，则在20Mpa大静水压的环境中水听器能正常工作。

图7为常压下水听器"8"字指向性显示图。从图7可以看出常压x下该水听器具有很好的“8”字型指向性，凹点深度达到了40dB，且指向性曲线平滑。

图8为20Mpa静水压下水听器"8"字指向性显示图。从图8可以看出20Mpa大静水压的环境中同样具有很好的“8”字型指向性，凹点深度达到了38.4dB，且指向性曲线平滑。

Claims (3)

1.一种适用于深水的纳机电矢量水听器，包括内置信号处理电路板（1）的不锈钢电路管壳（2），不锈钢电路管壳（2）顶部延设有内置导线（3）的缩颈管壳（4）、底部管口插接有连接电缆（5）的堵头（6），缩颈管壳（4）内的导线与不锈钢电路管壳（2）内的信号处理电路板（1）的输入端连接，同时信号处理电路板（1）的输出端通过导线（3）与堵头（6）上的电缆（5）连接；缩颈管壳（4）的顶部固接有开设中心通孔的固定圆盘（7），其特征在于：固定圆盘（7）上开设有安装槽（8），安装槽（8）内通过聚氨酯无缝隙地粘接安装有绝缘环形托盘（9），绝缘环形托盘（9）上设有凸台（10），绝缘环形托盘（9）上靠近边缘的位置设有环形卡槽（11），绝缘环形托盘（9）上以其圆心为对称中心开设有八个贯穿绝缘环形托盘（9）及凸台（10）的螺孔（18），其中任意两个螺孔（18）为注油螺孔、剩余六个螺孔（18）为信号螺孔，注油螺孔内安装有密封螺钉（12）、信号螺孔内安装有镀镍螺钉（13），并且各镀镍螺钉（13）与缩颈管壳（4）内的导线（3）连接；绝缘环形托盘（9）上的凸台（10）上安装有圆形PCB板（14），圆形PCB板（14）上正对绝缘环形托盘（9）上八个螺孔（18）的位置同样开设有八个螺孔（18），并且圆形PCB板（14）通过密封螺钉（12）和镀镍螺钉（13）固定于绝缘环形托盘（9）的凸台（10）上，圆形PCB板（14）的中心处安装有水听器探测芯片（15）；绝缘环形托盘（9）上固接有厚度为0.1mm的透声帽（16），所述的透声帽（16）包括空心圆柱体，空心柱体底部敞口、顶部由空心半球体封口，空心柱体底部的敞口端通过聚氨酯无缝隙地粘接在绝缘环形托盘（9）的环形卡槽（11）内；透声帽（16）内还设有支撑架（17），所述的支撑架（17）包括四个呈米字形交叉连接的U形架（17-1），四个U形架（17-1）的八个端部共同固定在一个连接环（17-2）上，连接环（17-2）螺纹连接在绝缘环形托盘（9）的凸台（10）上，支撑架（17）的整体尺寸形状与透声帽（16）内表面尺寸形状完全相同，且二者之间无缝隙的紧密结合；透声帽（16）内充满硅油，且硅油中添加有消泡剂，消泡剂的质量占硅油质量的0.1-0.5%；不锈钢电路管壳（2）、缩颈管壳（4）、固定圆盘（7）、绝缘环形托盘（9）、凸台（10）、水听器探测芯片（15）、透声帽（16）和支撑架（17）均位于同一轴线上。

2.根据权利要求1所述的适用于深水的纳机电矢量水听器，其特征在于：所述的绝缘环形托盘（9）是采用绝缘的复合材料玻璃钢制成的，所述的不锈钢电路管壳（2）是采用303Se不锈钢材料制成的，所述的透声帽（16）是采用超弹性材料制成的，所述的消泡剂为聚硅氧烷-聚醚共聚物。

3.根据权利要求1所述的适用于深水的纳机电矢量水听器，其特征在于：所述的固定圆盘（7）的外径为39mm、高为5mm，其上的安装槽（8）直径为35mm；所述的绝缘环形托盘（9）的直径为35mm、高9mm，其上的环形卡槽（11）宽为6mm、深为1mm，其上的凸台（10）直径为20mm、高为4mm；所述的支撑架（17）上的连接环（17-2）内径20mm，外径25mm；透声帽（16）的直径25mm，高27mm。

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