CN105181118A - 仿海豹胡须的宽频带mems矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种仿海豹胡须的宽频带MEMS矢量水听器，该水听器极大地提高了MEMS矢量水听器的探测水里微弱声源信号的能力。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，探测芯片包括四梁微结构、敏感柱体和浮力球，圆形PCB板和探测芯片的整体表面采用Parylene薄膜绝缘封装。本发明水听器是针对以前的仿鱼类侧线系统的MEMS矢量水听器，在不影响水听器灵敏度的情况下，极大提高纳机电矢量水听器的频带宽度，消除聚氨酯透声帽对水听器频响曲线的影响，为水听器的应用和发展提供了良好的前景。

Description

仿海豹胡须的宽频带MEMS矢量水听器

技术领域

本发明涉及MEMS传感器技术领域，具体是一种仿海豹胡须的宽频带MEMS矢量水听器。

背景技术

随着水声技术的不断发展，在低频，小角度变化中获得空间增益，以及精确的给出水下目标的方位信息，矢量水听器成为一种必然的选择。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”，仿鱼类侧线系统的MEMS矢量水听器将声-电转换结构封装在聚氨酯透声帽(仿感觉顶)内，并在透声帽中灌满硅油(仿组织液)。这种封装方式基本解决了声信号从水中传递到探测芯片的纤毛上的难题，虽然在原则上尽量保证透声帽、硅油与水的特性阻抗匹配，但由于透声帽本身存在一个共振峰，位于5Hz-1KHz目标频带范围内，导致水听器频响失真，影响水听器的工作频带。

对于仿生纤毛式MEMS矢量水听器，尚无理想适用的封装方式，亟需研究和改进。另一方面，Parylene薄膜在传感器封装中有应用潜力，然而，针对振动式微传感器的Parylene薄膜封装应用研究很少，需深入探究。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种全新封装结构的水听器，具体是一种仿海豹胡须的宽频带MEMS矢量水听器。海豹胡须并没有像鱼类侧线系统一样的感觉顶和组织液，而是直接在水中探测声信号，因此信号并不需经过感觉顶和组织液传递到纤毛。该水听器利用4μm的patylene均匀淀积在敏感芯片上。该水听器实现了Parylene无透声帽和硅油的封装，可以实现水听器敏感结构直接在水中的影响，避免水听器透声帽的共振峰引入，从而改善频响性能。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种仿海豹胡须的宽频带MEMS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开设有八个贯穿绝缘环形托盘及凸台的螺孔，其中任意两个螺孔为注油螺孔、剩余六个螺孔为信号螺孔，注油螺孔内安装有密封螺钉、信号螺孔内安装有镀镍螺钉，并且各镀镍螺钉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板通过密封螺钉和镀镍螺钉固定于绝缘环形托盘的凸台上，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，其包括支撑边框，设于支撑边框中心并通过四根悬臂梁与支撑边框连接的质量块，垂直固定于质量块中心的敏感柱体以及设于悬臂梁上的压敏电阻)；不锈钢电路管壳(2)、缩颈管壳、固定圆盘、绝缘环形托盘、凸台、水听器探测芯片均位于同一轴线上；所述的圆形PCB板和水听器探测芯片的整体表面沉积Parylene薄膜以形成绝缘封装。Parylene材料是一种化学惰性和电绝缘性能优异的薄膜材料，对水有极好的阻隔防护能力，在0.2μm厚时就没有针孔，5μm时能耐l000V以上直流击穿电压，Parylene薄膜作为绝缘封装具有高保形性、低渗透性、高绝缘性等优点。

进一步的，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Parylene薄膜的厚度为4μm。理论上Parylene薄膜的厚度越小越好，但是也要考虑起到的绝缘性能，目前常用于MEMS器件绝缘的厚度是2-4μm，但是本申请通过不断的实验发现，Parylene薄膜的厚度为4μm时效果最好而且最可靠，而2μm左右时有些渗透现象。

本发明水听器在工作时，

当水声信号直接传递到探测芯片上，在平面声场中，声压为：p(t,x)＝p_ae^j(ωt-kx)……(1)，其中p_a是声源声压，ω是圆频率，k是波速(k＝_ω/c，c为声速)。声压梯度可以得到： $\&dtri;p=j\frac{\mathrm{\&omega;}}{c}{p}_a{e}^{j(\mathrm{\&omega;}t-kx)}......$ $\left(2\right).$ 质点振动位移： $\mathrm{\&epsiv;}=\&Integral;\frac{p_a}{\mathrm{\&rho;}c}{e}^{j(\mathrm{\&omega;}t-kx)}dt=\frac{p_a}{j\mathrm{\&omega;}\mathrm{\&rho;}c}{e}^{j(\mathrm{\&omega;}t-kx)}......\left(3\right),$ 其中ρ为介质密度。因此声压梯度和频率的关系：以分贝的形式表示： $D_{\&dtri;p}=20log(\&dtri;p)=20log\mathrm{\&rho;}+20log\mathrm{\&epsiv;}+40log\mathrm{\&omega;}.$

本发明仿海豹胡须的宽频带MEMS矢量水听器简称为WIVH，传统仿鱼类侧线系统的MEMS矢量水听器简称为LLIVH。假设声源的声压强度为1Pa，可以得到有无聚氨酯透声帽质点振动的幅度，如图2所示，可以看到聚氨酯的共振峰为480Hz。因此，有无聚氨酯透声帽的声压梯度可以得到，如图3所示。也可看到其增长的趋势，WIVN:6dB/频程，LLIVH：12dB/频程。并且，也去除了硅油的影响。结构在液体中振动，受到液体的阻力为F_fluid，由两部分构成，一是结构带动周围液体同振所需施加的力，与加速度成正比，二是液体的振动阻尼力，与速度成正比。 $F_{fluid}=m_{fluid}\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{x}+k_{fluid}\stackrel{\&CenterDot;}{x}......\left(5\right),$ 其中m_fluid为附加质量，k_fluid为振动阻尼系数，这两者与液体的密度、粘度以及结构尺寸、表面能(在水中表现为疏水性)相关。

对于二阶系统振动，可以用强迫阻尼振动弹簧-质量模型的运动微分方程来表示： $m\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{x}+{\mathrm{m\&omega;}}_0^{2}x=P_0\sin \mathrm{\&omega;}t-F_{fluid}......\left(6\right).$ 综合公式(5)和公式(6)可得： $\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{x}+2{\mathrm{\&zeta;\&omega;}}_{0n}\stackrel{\&CenterDot;}{x}+{\mathrm{\&omega;}}_{0n}^{2}x=\frac{P_0}{m+m_{fluid}}\sin \mathrm{\&omega;}t......\left(7\right),$ 其中，m为系统等效质量，ω0为无阻尼情况下系统固有频率，P0sinωt为外加在微器件上简谐激励信号， $\mathrm{\&zeta;}=\frac{k_{fluid}}{2(m+m_{fluid}){\mathrm{\&omega;}}_{0n}},{\mathrm{\&omega;}}_{0n}^2=\frac{{\mathrm{m\&omega;}}_0^2}{m+m_{fluid}}.$

可得频率响应幅值为：

$M\left(\mathrm{\&omega;}\right)={\&lsqb;{(1-\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{{\mathrm{\&omega;}}_{0n}^2})}^2+4{\mathrm{\&zeta;}}^2\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2}{{\mathrm{\&omega;}}_{0n}^2}\&rsqb;}^{-\frac{1}{2}}---\left(8\right)$

可得，仅当0≦ζ≦0.707的情况下，频率响应幅值存在极值，即系统会发生共振，谐振频率与阻尼的关系为：

${\mathrm{\&omega;}}_r={\mathrm{\&omega;}}_{0n}\sqrt{1-2{\mathrm{\&zeta;}}^2}={\mathrm{\&omega;}}_0\sqrt{\frac{m(1-2{\mathrm{\&zeta;}}^2)}{m+m_{fluid}}},0\&le;\mathrm{\&zeta;}\&le;0.707---\left(9\right)$

对于Parylene薄膜封装前后，结构所处液体由硅油(粘度0.05Pa·s)换成了海水(粘度0.00089Pa·s)，结构表面由塑料、SiO₂、Si、金换成了Parylene材料，由此会引起附加质量和振动阻尼的变化，导致谐振频率随之加大，也就是拓宽频带，改变频响特性。

表1不同界面的接触角

界面	接触角(°)
		水-Parylene	85.0
硅油-塑料	46.4
		硅油-Si	6.5
硅油-SiO2	34.7
		硅油-金	24.9

同理，增大Parylene薄膜疏水性，使得水听器在海水中振动时的附加质量和振动阻尼降低，从而提高水听器谐振频率。

同时，对水听器进行了测试：绝缘特性测试，振动台测试，以及频响测试。绝缘测试如图4所示，把Parylene封装后的水听器放在海水中测试器电阻，时间长达40小时，结果表明悬臂梁上的电阻几乎没有变化。

基于压阻效应的MEMS矢量水听器本质上是检测声场的振动信号，并且原理上是惯性器件的原理。利用振动台可以测试MEMS矢量水听器进行频率响应曲线。实验中采用丹麦的B&K公司生产的8305标准加速度计。本次测试中将水听器的输出的最大方向垂直于振动台，测试曲线如图5所示。从图中可以看到聚氨酯透声帽的共振峰为790Hz，而改进后的Parylene薄膜封装的共振峰为1400Hz。测试中由于透声帽的共振峰测试时，透声帽的外部为空气，根据流固耦合原理，其峰值比实际应用中大一些。从实验中Parylene无透声帽的水听器的频带得到了拓宽。

灵敏度测试曲线如图6所示，水听器的频带上限低于共振峰的2/3频程，从频率响应曲线上可以得出聚氨酯封装水听器工作频带上限约为300Hz，而Parylene封装水听器工作频带上限超过了1000Hz，结论和以上的实验一致。

本发明的有益效果有：1)本发明中的采用Parylene薄膜材料，实现了无透声帽封装，消除了聚氨酯透声帽共振峰的影响，并且消除了粘滞硅油的对共振峰的影响；2)本发明中采用Parylene薄膜材料，具有良好的化学特性，是一种化学惰性和电绝缘性能优异的薄膜材料，对水有极好的阻隔防护能力，在0.2μm厚时就没有针孔，5μm时能耐l000V以上直流击穿电压；3)本发明的加工成本简单，易于制作，适用于批量化制造。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2质点位移。

图3声压梯度。

图4为绝缘测试电阻变化图。

图5为振动台频响曲线。

图6为水听器灵敏度曲线。

图1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-螺孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示，一种仿海豹胡须的宽频带MEMS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16，其中任意两个螺孔16为注油螺孔、剩余六个螺孔16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16的位置同样开设有八个螺孔16，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；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均位于同一轴线上；所述的圆形PCB板14和水听器探测芯片15的整体表面沉积Parylene薄膜以形成绝缘封装。

具体实施时，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Parylene薄膜的厚度为4μm。

Claims (3)

1.一种仿海豹胡须的宽频带MEMS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（16），其中任意两个螺孔（16）为注油螺孔、剩余六个螺孔（16）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（16）的位置同样开设有八个螺孔（16），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）；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）均位于同一轴线上；其特征在于：所述的圆形PCB板（14）和水听器探测芯片（15）的整体表面沉积Parylene薄膜以形成绝缘封装。

2.根据权利要求1所述的仿海豹胡须的宽频带MEMS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。

3.根据权利要求1或2所述的仿海豹胡须的宽频带MEMS矢量水听器，其特征在于：所述的Parylene薄膜的厚度为4μm。