CN106199466B - 一种舰艇监测磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于超声波传感和磁探测技术的舰艇监测磁场传感器，包括硅衬底、金属电极、绝缘层、压电薄膜和充满低浓度磁性液体的电容空腔，其特征在于舰艇监测磁场传感器可以发射或接收超声波，空腔中磁性液体的粘度对外磁场异常敏感，在无磁异常源存在的情况下，该传感器以水声换能器的方式进行超声探测，当磁异常源出现时，该传感器可同时进行超声探测和磁探测，且传感器发射的超声波频率可通过施加偏置磁场进行调控。这种舰艇监测磁场传感器采用先进微纳加工技术制作，体积小，功耗低，频带宽，可以做成一维线阵列(1D)和二维面阵列(2D)，与前端电子电路兼容，有利于器件的批量化生产，适用于海岸防御、反潜、舰艇探测、海洋地貌测量等方面。
Description
技术领域
本发明专利涉及超声波传感和磁探测技术领域，特别是涉及一种舰艇监测磁场传感器，主要用于海岸防御、反潜和舰艇探测等方面。
背景技术
水中大型目标(潜艇、核潜艇、暗礁等)的探测可以借助声呐、雷达、激光、磁探测等手段实现。其中，声呐技术是最早被采用的水下探测技术，被广泛应用于海军水下活动的各个方面，是潜艇探测、侦察和导航的主要手段。水声换能器作为声纳系统的重要组成部分，是进行电能和声能相互转换的器件，其原理是利用声波在水中的传播特性，通过压电材料或磁致伸缩材料实现电声能量转换，探测水下潜艇等目标。根据水声换能器的功能可以分为两种，将声能转换为电能的接收型水声换能器和将电能转换为声能的发射型水声换能器。发射型水声换能器在水下探测时往往容易将本身的位置暴露给对方，而接收型水声换能器则要求被识别目标发出较大的噪声才能对其进行探测并确定声源位置。
随着隐身技术的快速发展和应用，几年来不断推出“安静型潜艇”、“无噪声航速”、“隐身潜艇”等低可探测目标，这使得利用声呐技术很难对潜艇进行发现、识别和反潜。磁探测技术是各种非声探测中发展较早、技术成熟的一种探测方法，在探测、定位与攻击潜艇手段中，磁探潜法相比声呐技术具有识别能力优越、运行时间短、成本低等优点。
海洋磁场探测的仪器目前主要有磁通门磁力仪、质子旋进式磁力仪、光泵式磁力仪、超导量子干涉磁力仪(SQUID)、全张量磁力梯度测量系统等几种仪器：
(1)磁通门磁力仪是利用具有高磁导率的软磁铁芯在外磁场作用下的电磁感应现象测定外磁场的仪器，其分辨率一般可以达到1～10nT，特殊制造的磁通门磁力仪的分辨率可以达到0.001nT，磁通门磁力仪的体积和功耗均较大。
(2)质子旋进式磁力仪是利用质子在地磁场中的旋进现象根据磁共振原理研制而成的，其优点是进精度高，一般在0.1～10nT范围内，稳定性好，工作速度快，可直读地磁场nT值，缺点是极化功率高，只能进行快速点测，且受磁场梯度影响较大。
(3)光泵式磁力仪是根据原子核内的原子跃迁原理制成的磁力仪，具有灵敏度高，可以达到0.001nT，无零点漂移，不需定向，对周围磁场梯度要求不严以及可以连续观测的优点，但其结构较为复杂，检测时需要高精度的频率测量。
(4)超导量子干涉磁力仪(SQUID)根据超导原理制造，是目前为止测量磁场灵敏度最高的仪器，灵敏度高达10-5～10-6nT，但制造超导约瑟夫森结工艺较为困难，同时需要低温制冷设备，技术复杂，价格昂贵。
(5)全张量磁力梯度测量系统多是基于SQUID研制而成，其测量的对象是磁场矢量分量的梯度，不受总场测量的限制，所测量的结果能够反映目标体的矢量磁矩信息，由于张量元素受地磁场的倾角、偏角影响小，由它们计算得到的张量不变量不需要额外的处理且磁力梯度张量反演能够很好地描述磁场源体的磁化方向和几何形态，但是该系统结构复杂，技术要求高，体积大，成本高。
以上海洋磁力仪灵敏度均很高，但也存在着体积大、功耗大、成本高等问题，同时磁探测方法要受到磁异常源本身的磁性强弱和距磁异常源的深度两个因素的制约。随着测量深度的增加，磁异常幅度会迅速减小，测量点距离磁源的深度超过一定值时，磁异常将消失在背景磁场中难以探测。由于潜艇尺寸较大，本身由钢铁材料制造，在地磁场作用下将会对周围一定区域内的地磁场强度分布产生较大的影响，即引起磁异常，通过探测潜艇引起的磁异常信号来判断在其有效探测范围内有无潜艇等目标的存在。潜艇所处的背景磁场——地磁场总强度一般在20～60μT，以潜艇材料磁导率为200、长100m、宽60m的潜艇为例，根据椭球体磁矩计算公式可以算得其磁矩数量级为107～108Am2，则可估算磁化场强度数量级为109/r3nT，若磁探测仪距离潜艇的距离为100m，则磁化场强度约为1000nT。因此，对于潜艇、核潜艇等水中大型目标，并不需要特别高的灵敏度，也能实现磁探测。
综上所述，目前用于海岸潜艇探测的声纳系统或者磁力仪均未能较好地解决探测的快速准确性以及体积、功耗、成本、大规模生产等方面的问题，且这些传统器件要么通过超声探测，要么通过磁探测，目前尚没有研究将二者综合起来或者将二者有机互补地结合起来。本发明试图将MEMS(Micro-Electromechanical Systems)技术、超声波传感技术以及磁探测技术相结合，提出一种舰艇监测磁场传感器。利用MEMS技术制作电容微加工超声换能器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,cMUT)，并在电容空腔内注入对磁场敏感的磁液或磁流变液作为超声波传输媒介，以实现对水下目标的超声探测和磁探测，并达到微型化、低功耗、低成本、可批量化生产的目标。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出一种舰艇监测磁场传感器，其创新在于：将超声探测与磁探测方式结合起来，克服了传统器件要么超声探测要么磁探测的功能单一性；在短距离范围内，采用超声传感即声呐感知，且声呐频率和能量密度可控，在远距离情况下，采用磁探测和声呐技术相结合，当磁场变化时超声频率发生变化，进而通过调节超声的频率和功率，准确快速地定位和判别引起磁异常的目标；超声在静默状态下，传感器采用被动模式运行，只有当发现磁异常时才切换为主动模式，能耗小，隐蔽性高。
前述方案的原理是：如图1所示，利用电容式微加工超声换能器(cMUT)作为水声换能器(或声呐)，同时在cMUT的空腔中注入对磁场敏感的低浓度磁液或磁流变液作为超声波传输媒介，在无磁异常源存在的情况下传感器以水声换能器的方式工作，当潜艇接近海岸时将在附近区域引起磁异常(图2)，外加磁场将改变磁液或磁流变液的粘度，从而改变传感器发射和接收的超声波频率。本发明的技术方案如下：
一种舰艇监测磁场传感器，结构包括硅衬底、金属电极、绝缘层、压电薄膜和充满磁性液的电容空腔。该传感器的整体结构如图3所示。
所述的舰艇监测磁场传感器，其特征在于：所述的金属电极作为探测信号的激励端或信号输出端(取决于工作于超声波发射状态还是接收状态)，其中底部金属电极沉积在硅衬底的上面，所述的绝缘层覆盖在底部金属电极上，所述的电容空腔位于压电薄膜和绝缘层的中间，顶部金属电极沉积在压电薄膜上面。
所述的舰艇监测磁场传感器以水声换能器的方式工作时，其实质是一种电容式微加工超声换能器(cMUT)，在空腔为真空密封状态时，传感器工作的一阶振动频率可表达为：其中，αc1为cMUT工作方式下的一阶振动因子，t为压电薄膜的厚度，A为压电薄膜的表面积，Y0为压电薄膜的杨氏模量，ρ为压电薄膜的密度，ν为压电薄膜的泊松比。在空腔内充满一定粘度的磁性液体时，由Kanazawa的模型(Kanazawa K K,Gordon JG.The oscillation frequency of a quartz resonator in contact with liquid[J].Analytica Chimica Acta,1985,175:99-105.)可得传感器在液体中振动的频移，用公式表达为：其中，ρ和η为磁性液体的质量密度和粘度，ρR和ηR为压电薄膜的质量密度和剪切模量，f0为空腔在真空情况下的舰艇监测磁场传感器的工作频率。
所述的舰艇监测磁场传感器以磁探测的方式工作时，其原理是利用磁性液体(磁液或磁流变液)在磁场作用下微观结构和宏观力学行为会发生变化(Shah K,Upadhyay RV,Aswal V K.Influence of large size magnetic particles on the magneto-viscousproperties of ferrofluid[J].Smart Materials and Structures,2012,21(7):075005.)，若所述的外磁场强度为H，则由其带来的磁性液体粘度变化量可表示为：其中，为磁性颗粒在液体中占的体积分数，ηc为磁性液体中基液的粘度，L(α)＝cothα-α-1为Langevin函数，α＝μH/kBT，kB为玻尔兹曼常数，μ为磁性液体的磁导率，T为绝对温度。外加磁场的强度决定磁性液体粘度的变化量，同时由于温度对磁性液体粘度有影响，工作时需使传感器工作在恒温环境下或对传感器进行温度补偿。
所述的舰艇监测磁场传感器，压电薄膜为一层或由多层叠加而成，压电材料选自压电陶瓷、压电单晶、压电复合材料或压电聚合物。其中，压电陶瓷可以是PZT、AlN或者ZnO。
所述的舰艇监测磁场传感器，压电薄膜结构外形可以为圆形或者多边形平面元件，换能器的尺寸由工作频率所决定，压电薄膜的厚度选取为0.1～3μm。
所述的舰艇监测磁场传感器，金属电极材料没有具体限定，金属电极的厚度选取为0.1～1μm。
所述的舰艇监测磁场传感器，磁性液体选用低浓度的磁液(Magnetic fluid,MF)或者磁流变液(Magneto-rheological fluid,MRF)，基体的粘度在200cP以内。其中，磁液中悬浮的磁性颗粒尺寸一般在5～10nm，磁流变液中悬浮的磁性颗粒尺寸选用几十nm的磁性颗粒。
在一些具体实施方式中，所述舰艇监测磁场传感器可以为1D、2D阵列传感器，或者为单阵元传感器、由多个阵元按同心圆的方式排列的传感器。
综上所述，本发明提供了一种舰艇监测磁场传感器，选用cMUT作为水声换能器进行超声探测，并在电容空腔内注入低浓度的磁性液体作为对外磁场敏感的媒体介质，基于磁性液体在外磁场下粘度显著变化进而影响超声换能器的工作频率的特性进行磁探测。为了详细说明所设计的磁场传感器的特性，不妨先选定磁性液体粘度对外磁场强度的灵敏度为90cP/(kA/m)(Shah K,Upadhyay R V,Aswal V K.Influence of large size magneticparticles on the magneto-viscous properties of ferrofluid[J].Smart Materialsand Structures,2012,21(7):075005.)，选用cMUT的工作频率对液体粘度变化的灵敏度为-25kHz/cP(Hongbin Y,Liang L,Yuandong A G.Capacitive micromachinedultrasonic transducer(CMUT)based micro viscosity sensor[J].Sensors andActuators B:Chemical,2016,227:346-351.)，测量系统在液体中可测的最小频移量为1kHz，则理论上该器件可以实现0.6μT的测试分辨率，即器件最小可以敏感到600nT的弱磁场。此外，若选择测试粘度的传感器采用FBAR代替cMUT，则传感器的工作频率对液体粘度变化的灵敏度可达-300kHz/cP左右(Weber J,Link M,Primig R,et al.High frequencyviscosity sensing with FBARs[C]//2006IEEE International Frequency ControlSymposium and Exposition.IEEE,2006:117-122.)，则器件最小可以敏感到100nT以下的弱磁场。
通过本设计实现的舰艇监测磁场传感器，其对磁场的分辨率可以达到对水中大型目标(潜艇、核潜艇等)磁探测的要求，且该传感器还可以对水下目标进行超声探测，形成了对目标的双重探测，具有优越的识别能力，误判率低。与现有的方法相比，本发明设计的舰艇监测磁场传感器具有以下特点：
(1)该传感器将超声探测和磁探测方式结合在一起，实现对水中大型目标的双重探测与定位，克服了传统器件要么超声探测要么磁探测的功能单一性，双重探测方式降低器件的误判率，具有优越的识别能力。
(2)在短距离范围内，采用超声传感即声呐感知，且声呐的频率和能量密度可控；在远距离情况下，采用磁探测和声呐技术相结合，当磁场变化时超声频率发生变化，进而通过调节超声的频率和功率，准确快速地定位和判别引起磁异常的目标。
(3)超声在静默状态下，传感器采用被动模式运行，只有当发现磁异常时才切换为主动模式，能耗小，隐蔽性高。
(4)采用先进微纳技术制作的cMUT，通过在电容空腔中注入低浓度的磁性液体，可以实现最小600nT的微弱磁场探测，并且若采用FBAR器件代替cMUT工作，有可能实现对100nT以下的微弱磁场探测，灵敏度高。
(5)通过增加偏置磁场可以进一步实现对磁场传感器工作频率的可调控制，应用灵活。
(6)本器件采用先进微纳技术制作，体积小，功耗低，频带宽，可以做成一维线阵列(1D)和二维面阵列(2D)，与前端电子电路兼容，有利于器件的批量化生产，器件成本低。
(7)该器件可以用于海岸防御、反潜、舰艇探测、海洋地貌测量等方面。
附图说明
图1：舰艇监测磁场传感器工作原理图
图2：潜艇接近海岸时引起磁异常示意图
图3：舰艇监测磁场传感器整体结构示意图
图4：基于FBAR的舰艇监测磁场传感器结构示意图
附图中的标号分别为：1、硅衬底，2、金属电极，3、绝缘层，4、压电薄膜，5、充满磁性液的电容空腔。
具体实施方式
本发明提供一种舰艇监测磁场传感器，包括硅衬底1、金属电极2、绝缘层3、压电薄膜4和充满磁性液的电容空腔5。下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方法。
本实施例提供的一种舰艇监测磁场传感器，其具体的技术实施思路：利用MEMS技术设计制作电容式微加工超声换能器(cMUT)作为水声换能器，其中电容空腔中注入对磁场敏感的低浓度磁性液体作为超声波传输媒介，在无磁异常源存在的情况下传感器以水声换能器的方式工作，当潜艇接近海岸时将在附近区域引起磁异常(图1)，外加磁场将改变磁液或磁流变液的粘度，从而改变传感器发射和接收的超声波频率，实现对目标的超声探测和磁探测。其工作原理如图2所示。
在本实施例中，所述的电容空腔5位于悬浮的压电薄膜4和硅衬底1的中间，一个金属电极2沉积在压电薄膜的上表面作为顶部电极，另一个金属电极2沉积在硅衬底1的上表面作为底部电极，绝缘层3沉积在底部电极上面，用于支撑压电薄膜并防止压电薄膜在强电压下发生塌陷与底部电极短接。
在本实施例中，当传感器工作于发射模式时，在顶部电极和底部电极之间施加带有直流电压偏置的交流电压信号，此时悬挂的压电薄膜由于交变的静电力而产生振动向周围媒介中发射超声波，发射的超声波频率可以调节；当传感器工作于接收模式时，在顶部电极和底部电极之间只施加偏置直流电压信号，当超声波碰到薄膜时产生压力迫使薄膜振动，进而产生电流信号输出。
所述的压电薄膜为一层或由多层叠加而成，压电材料选自压电陶瓷、压电单晶、压电复合材料或压电聚合物，其中，压电陶瓷可以是PZT、AlN或者ZnO。压电薄膜结构外形可以为圆形或者多边形平面元件，厚度选取为0.1～3μm。
所述的金属电极材料没有具体限定，金属电极的厚度选取为0.1～1μm。
所述的磁性液体选用低浓度的磁液(Magnetic fluid,MF)或者磁流变液(Magneto-rheological fluid,MRF)，基体的粘度在200cP以内。其中，磁液中悬浮的磁性颗粒尺寸一般在5～10nm，磁流变液中悬浮的磁性颗粒尺寸为几十纳米，磁性颗粒可以是羰基铁粉或者Co-Ni合金磁粉。
所述的舰艇监测磁场传感器中的水声换能器可以选用薄膜体声波谐振器(FilmBulk Acoustic Resonator,FBAR)来代替cMUT，如图4所示，其结构包括硅衬底1、金属电极2、支撑层3、压电薄膜4和充满磁性液体的空腔5。
综上所述，本发明设计的舰艇监测磁场传感器能同时实现对水中大型目标的超声探测和磁探测，具有优越的识别能力，可以用于水下潜艇探测、反潜和海岸防御等方面
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，并没有详细叙述所有的细节，也不限制本发明为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容可以做很多修改和变型。倘若对于本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种舰艇监测磁场传感器，采用电容式超声换能器(cMUT)作为磁场传感的基本结构，自下而上分别为硅衬底、底部金属电极、绝缘层、充满低浓度磁性液体的电容空腔、压电薄膜和顶部金属电极，其特征在于：舰艇监测磁场传感器能发射或接收超声波，低浓度磁性液体对外磁场敏感，磁场变化引起舰艇监测磁场传感器工作频率发生变化，在无磁异常源存在情况下，舰艇监测磁场传感器按照cMUT的方式进行超声探测，在磁异常源存在情况下，舰艇监测磁场传感器同时进行超声探测和磁探测，实现对水中大型目标的双重探测。
2.根据权利要求1所述的舰艇监测磁场传感器，其特征在于：所述的硅衬底位于舰艇监测磁场传感器结构的最下方，一个金属电极层沉积在硅衬底的上表面作为底部电极，绝缘层沉积在底部电极的上表面，电容空腔位于悬浮的压电薄膜和绝缘层的中间，另一个金属电极层沉积在压电薄膜的上表面作为顶部电极，在电容空腔内填满低浓度磁性液体用于检测磁异常源。
3.根据权利要求1所述的舰艇监测磁场传感器，其特征在于：所述的舰艇监测磁场传感器在磁异常源存在的情况，舰艇监测磁场传感器在液体中振动的频移为：其中，ρ和η为磁性液体的质量密度和粘度，ρR和ηR为压电薄膜的质量密度和剪切模量，f0为空腔在真空情况下的舰艇监测磁场传感器的工作频率；由外磁场H带来的磁性液体粘度变化量为：其中，为磁性颗粒在液体中占的体积分数，ηc为磁性液体中基液的粘度，L(α)＝cothα-α-1为Langevin函数，α＝μH/kBT，kB为玻尔兹曼常数，μ为磁性液体的磁导率，T为绝对温度。
4.根据权利要求3所述的舰艇监测磁场传感器，其特征在于：在无磁异常源存在情况下，所述的舰艇监测磁场传感器按照cMUT的方式进行超声探测，在磁异常源存在情况下，舰艇监测磁场传感器同时进行超声探测和磁探测，舰艇监测磁场传感器发射的超声波频率可调。
5.根据权利要求1所述的舰艇监测磁场传感器，其特征在于：所述的压电薄膜为一层或由多层叠加而成，压电薄膜材料选自压电陶瓷、压电单晶、压电复合材料或压电聚合物，压电薄膜结构外形为圆形或者多边形平面元件，压电薄膜厚度选取为0.1～3μm。
6.根据权利要求1所述的舰艇监测磁场传感器，其特征在于：所述的金属电极材料没有具体限定，金属电极的厚度选取为0.1～1μm。
7.根据权利要求1所述的舰艇监测磁场传感器，其特征在于：所述的磁性液体选用低浓度的磁液或者磁流变液，基体的粘度在200cP以内，基体中悬浮的磁性颗粒尺寸为几十纳米，磁性颗粒材料选用羰基铁粉或者Co-Ni合金磁粉。
8.根据权利要求1所述的舰艇监测磁场传感器，其特征在于：所述的舰艇监测磁场传感器包括一维线阵列(1D)和二维面阵列(2D)阵列传感器，或者为单阵元传感器、由多个阵元按同心圆的方式排列的传感器。
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