CN110068310B - 高可靠性海洋湍流传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高可靠性海洋湍流传感装置，包括硅十字梁敏感芯片、橡胶帽、导流罩和支撑壳体；硅十字梁敏感芯片固定在支撑壳体上，橡胶帽罩扣在硅十字梁敏感芯片外并与支撑壳体固定，导流罩扣在橡胶帽外并与支撑壳体固定，橡胶帽的顶端向上延设有贯穿导流罩并伸至导流罩外部的橡胶探头，支撑壳体上设有若干个透水孔。本发明装置是针对深海中硅十字梁纤毛敏感结构极其容易损坏的问题，在保证不降低其灵敏度和空间分辨率的基础上研制而成的。本发明装置设计科学、结构简单、制作容易，实现了湍流探测空间分辨率、灵敏度和可靠性的均衡。

Description

高可靠性海洋湍流传感装置

技术领域

本发明涉及海洋湍流探测技术领域，具体是一种高可靠性海洋湍流传感装置。

背景技术

湍流是海洋中无时无刻不停息的一种运动。湍流具有扩散性、随机性、各向同性、连续性与耗散性。海洋湍流对大洋热盐环流和海洋能量转化中均起着重要的作用。湍流传感器的研制和其可靠性的提升对海洋湍流探测和理论的验证与更新密不可分。

深海环境变化多端，目前人类也知之甚少。所以对深海探测湍流传感器也提供了更加苛刻的要求。海洋湍流探测活动由于专业仪器的技术限制，无法得到更加多范围、多维度的测量数据。所以高分辨率高维度高可靠性的湍流传感器就显得尤为重要。

湍流传感器由原来的热膜测速探头发展为剪切流探头，之后出现了光纤结构和硅十字梁结构为核心的探头。由于目前普遍应用的剪切流探头有空间分辨率低，探测信息量单薄和价格昂贵的缺点。MEMS硅十字梁敏感探头可以有效解决以上问题；但由于在深海中纤毛直接暴露在海水中，极易被损坏，一个可以不降低传感器灵敏度和空间分辨率并保护其不受损坏的封装传感装置就显得更加迫切。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种高可靠性海洋湍流传感装置。本发明装置在实现湍流传感器流—力—电信号转换的的基础上提高了传感器可靠性。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种高可靠性海洋湍流传感装置，包括硅十字梁敏感芯片、橡胶帽、导流罩和支撑壳体；硅十字梁敏感芯片固定于壳体顶部的中心位置处，橡胶帽罩扣在硅十字梁敏感芯片外并与支撑壳体固定，导流罩罩扣在橡胶帽外并与支撑壳体固定，导流罩和橡胶帽之间留有空隙，橡胶帽的顶端向上延设有贯穿导流罩并伸至导流罩外部的橡胶探头；支撑壳体上位于橡胶帽和导流罩之间的位置均设有若干个透水孔；橡胶帽内注满有与水密度相同或相近的绝缘液体；硅十字梁敏感芯片、橡胶帽、导流罩和支撑壳体均位于同一轴线上。

考虑到传感器（硅十字梁敏感芯片）必须长时间沉浸在水中直接受到水流的冲击，在复杂的海况中必须保证传感器（硅十字梁敏感芯片）敏感受力部位不受损且保持信号持续稳定地输出，故设计出本发明装置。本发明装置中，橡胶帽能减少传感器（硅十字梁敏感芯片）在复杂海况中的受损几率，橡胶探头能够捕捉湍流信号并较为完整地将信号传递给硅十字梁敏感芯片上的敏感受力结构（纤毛及硅十字梁），保证了传感器（硅十字梁敏感芯片）能充分发挥高灵敏度和空间分辨率的优势。导流罩能够很好地保护橡胶帽，从而隔绝水流对橡胶帽的干扰信号；而从导流罩顶端穿出的橡胶探头能够保证橡胶探头就是主要的信号来源。导流罩与橡胶帽之间的空隙以及橡胶帽和导流罩之间的透水孔，能够让水充满导流罩与橡胶帽之间的空隙，从而保证橡胶帽内部在深海探测时是内外压力平衡的，而且导流罩与橡胶帽之间的空隙不会被泥沙堵塞。

本发明装置的工作原理为：橡胶探头在水流的冲击下会发生振动信号，同时将该振动信号又传递给橡胶帽，橡胶帽在导流罩的保护下几乎不受冲击并能够将来自橡胶探头的振动信号传递给硅十字梁敏感芯片的纤毛，纤毛振动进而带动硅十字梁形变，硅十字梁的上的由压敏电阻组成的两组惠斯通电桥再将力信号转变为电压信号并传递出去。

作为优选的技术方案，硅十字梁敏感芯片的纤毛及硅十字梁的外表面均包裹一层Parylene膜。Parylene膜可以使硅十字梁敏感芯片在数千米的水下拥有良好的电器绝缘性。

作为优选的技术方案，Parylene膜的厚度为4μm。Parylene膜的厚度为4μm时，硅十字梁敏感芯片的电器绝缘性即可达到最佳。

作为优选的技术方案，支撑壳体包括由下而上一体成型的第一管壳、第二管壳、支撑圆盘和支撑柱台，且第一管壳、第二管壳、支撑圆盘和支撑柱台内部形成有上下连通的内腔，支撑圆盘上表面以支撑柱台为中心开设有内外两圈连接槽；硅十字梁敏感芯片固定于支撑柱台的中心处，橡胶帽扣接在支撑圆盘上的内圈连接槽内，导流罩扣接在支撑圆盘上的外圈连接槽内，透水孔开设于支撑圆盘上位于内外圈连接槽之间的脊棱上。

本发明装置是针对深海中硅十字梁纤毛敏感结构极其容易损坏的问题，在保证不降低其灵敏度和空间分辨率的基础上研制而成的。本发明装置设计科学、结构简单、制作容易，实现了湍流探测空间分辨率、灵敏度和可靠性的均衡。

附图说明

此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明装置的外观结构示意图。

图2为本发明装置的三维结构剖面图。

图3为本发明装置的三维结构示意图。

图4为本发明装置中橡胶帽一阶共振频率仿真结果图。

图5为本发明装置中橡胶帽四阶共振频率仿真结果图。

图6为本发明装置中导流罩一阶共振频率仿真结果图。

图中：1-硅十字梁敏感芯片、2-支撑壳体、2-1-连接槽、2-2-透水孔、3-橡胶帽、3-1-橡胶探头、4-导流罩。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1至图3所示，一种高可靠性海洋湍流传感装置，包括硅十字梁敏感芯片1、橡胶帽3、导流罩4和支撑壳体2。

硅十字梁敏感芯片1包括矩形固定框，矩形固定框的中心位置通过硅十字梁固定有质量块，质量块的中心位置垂直固定有向上延设的纤毛；硅十字梁敏感芯片1的纤毛及硅十字梁的外表面均包裹一层4μm 厚的Parylene膜。

支撑壳体2包括由下而上一体成型的第一管壳、第二管壳、支撑圆盘和支撑柱台，且第一管壳、第二管壳、支撑圆盘和支撑柱台内部形成有上下连通的内腔；支撑圆盘的直径大于第一管壳的直径，第一管壳的直径大于第二管壳的直径；支撑圆盘上表面以支撑柱台为中心开设有内外两圈连接槽2-1，内外两圈连接槽2-1之间的脊棱上均布有若干个贯穿支撑圆盘的透水孔2-2。

硅十字梁敏感芯片1固定于支撑壳体2顶部的中心位置处，具体为：硅十字梁敏感芯片1的矩形固定框固定于支撑壳体2的支撑柱台的中心处，硅十字梁敏感芯片1的纤毛朝上设置。

橡胶帽3的外型与子弹弹头的外型相似，即下部为圆柱状、上部为圆弧边过度的圆锥状，橡胶帽3的顶端向上延设有橡胶探头3-1 ，橡胶探头3-1的外型为下部圆杆状、上部为蘑菇头状；橡胶帽3罩扣在硅十字梁敏感芯片1外并与支撑壳体2固定，具体为：橡胶帽3敞口朝下先将支撑柱台及其上的硅十字梁敏感芯片1整体完全罩扣住，然后其底端的敞口粘结固定于支撑壳体2的支撑圆盘上的内圈连接槽2-1内即可，同时，橡胶帽3的内部空间内充满有与水密度相同或相近的绝缘液体。

导流罩4的外型也与子弹弹头的外型相似，即下部为圆柱状、上部为圆弧边过度的圆锥状；导流罩4罩扣在橡胶帽3外并与支撑壳体2固定，具体为：导流罩4敞口朝下先将橡胶帽3罩扣住，导流罩4和橡胶帽3之间留有空隙，同时，橡胶帽3顶部的橡胶探头3-1贯穿过导流罩4的顶部并置于导流罩4外部；然后其底端的敞口粘结固定于支撑壳体2的支撑圆盘上的外圈连接槽2-1内即可。

硅十字梁敏感芯片1、橡胶帽3、导流罩4和支撑壳体2均位于同一轴线上。

图4和图5为橡胶帽3的一阶和四阶频域仿真图，一阶共振频率为7赫兹，四阶共振频率为13赫兹。图6为导流罩4一阶共振频域仿真图。湍流测试信号主要在20-300赫兹，橡胶帽3和导流罩4的共振频域远离湍流测试信号的频率区间，因此本发明装置中的封装结构不会对硅十字梁敏感芯片1引入共振噪音。

上面是对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种高可靠性海洋湍流传感装置，其特征在于：包括硅十字梁敏感芯片、橡胶帽、导流罩和支撑壳体；硅十字梁敏感芯片固定于壳体顶部的中心位置处，橡胶帽罩扣在硅十字梁敏感芯片外并与支撑壳体固定，导流罩罩扣在橡胶帽外并与支撑壳体固定，导流罩和橡胶帽之间留有空隙，橡胶帽的顶端向上延设有贯穿导流罩并伸至导流罩外部的橡胶探头；支撑壳体上位于橡胶帽和导流罩之间的位置均设有若干个透水孔；橡胶帽内注满有与水密度相同或相近的绝缘液体；硅十字梁敏感芯片、橡胶帽、导流罩和支撑壳体均位于同一轴线上。

2.根据权利要求1所述的高可靠性海洋湍流传感装置，其特征在于：硅十字梁敏感芯片的纤毛及硅十字梁的外表面均包裹一层Parylene膜。

3.根据权利要求2所述的高可靠性海洋湍流传感装置，其特征在于：Parylene膜的厚度为4μm。

4.根据权利要求1或2所述的高可靠性海洋湍流传感装置，其特征在于：支撑壳体包括由下而上一体成型的第一管壳、第二管壳、支撑圆盘和支撑柱台，且第一管壳、第二管壳、支撑圆盘和支撑柱台内部形成有上下连通的内腔，支撑圆盘上表面以支撑柱台为中心开设有内外两圈连接槽；硅十字梁敏感芯片固定于支撑柱台的中心处，橡胶帽扣接在支撑圆盘上的内圈连接槽内，导流罩扣接在支撑圆盘上的外圈连接槽内，透水孔开设于支撑圆盘上位于内外圈连接槽之间的脊棱上。

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