CN112146703B - 一种温度、压力、声学集成mems水下传感器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度、压力、声学集成MEMS水下传感器及系统，包括声矢量敏感单元、声压敏感单元、压力敏感单元、温度敏感单元，所述声矢量敏感单元、声压敏感单元设置于第一载板顶面，所述压力敏感单元、温度敏感单元设置于第一载板底面；其中，位于第一载板顶面的声矢量敏感单元、声压敏感单元通过透声帽封装，位于第一载板底面的压力敏感单元、温度敏感单元通过金属壳体封装。本发明能够实现温度、压力、声学敏感单元的集成，实现水下温度、压力、声学检测。

Description

一种温度、压力、声学集成MEMS水下传感器及系统

技术领域

本发明涉及一种温度、压力、声学集成MEMS水下传感器及系统。

背景技术

现有技术中，水下温度-压力传感器油封结构为金属壳体体结构，硅油作为填充介质，形成温度-压力传感器充油芯体结构，实现水下压力信息的高精度感知和测量，以及温度-压力集成传感器的封装。现有水下温度-压力传感器由于采用金属壳体体结构，存在声音无法透过的问题，因而无法用于声学传感器封装。

现有技术中，水下声学传感器(水听器)通常采用聚氨酯灌胶保护或作为外壳材料，并在壳体内填充硅油、蓖麻油等液体介质，有效减小声波透过水-微壳-硅油传递至声学传感器这一过程中的损耗的同时，实现声学传感器的水下封装。现有水听器的声学聚氨酯封装结构用于水下温度-压力传感器封装时面临因高分子材料可形变而导致的无法用于高精度压力感知和测量的问题。

综上，鉴于现有水下温度-压力传感器和水听器结构，无法实现温度、压力、声学敏感单元的集成。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种温度、压力、声学集成MEMS水下传感器及系统，能够实现温度、压力、声学敏感单元的集成，实现水下温度、压力、声学检测。

基于同一发明构思，本发明具有两个独立的技术方案：

1、一种温度、压力、声学集成MEMS水下传感器，包括声矢量敏感单元、声压敏感单元、压力敏感单元、温度敏感单元，其特征在于：所述声矢量敏感单元、声压敏感单元设置于第一载板顶面，所述压力敏感单元、温度敏感单元设置于第一载板底面；其中，位于第一载板顶面的声矢量敏感单元、声压敏感单元通过透声帽封装，位于第一载板底面的压力敏感单元、温度敏感单元通过金属壳体封装。

进一步地，所述压力敏感单元、温度敏感单元集成为温度-压力敏感单元。

2、一种温度、压力、声学集成MEMS水下传感器系统，包括上述的温度、压力、声学集成MEMS水下传感器，还包括

信号调理单元，所述信号调理单元用于对温度、压力、声学集成MEMS水下传感器输出的信号进行放大、滤波处理；

信号采集处理单元，所述信号采集处理单元用于对信号调理单元输出的信号进行运算处理，获得MEMS水下传感器的声音传感信息；

所述信号调理单元位于所述第一载板底面，所述信号采集处理单元位于第二载板上，第二载板位于第一载板的下方；所述信号调理单元、信号采集处理单元通过金属壳体封装。

进一步地，所述信号调理单元与温度敏感单元、压力敏感单元平行设置；或叠层设置于温度敏感单元的下方。

进一步地，所述各敏感单元、信号调理单元通过键合线与第一载板电信号连接，或通过硅通孔与第一载板电信号连接。

进一步地，所述金属壳体的中部为芯筒，所述第一载板位于所述芯筒的顶部，所述第二载板位于所述芯筒的外侧；所述芯筒的底部设有隔离膜，所述隔离膜与第一载板下方之间设有第二填充介质；所述透声帽与第一载板上方之间设有第一填充介质。

进一步地，第一载板两端设有焊接盘，第一载板通过所述焊接盘与第三载板电信号连接；第三载板位于第一载板下方，第三载板中部镂空，第三载板两端位于所述芯筒顶部的外侧，第二载板位于第三载板下方，第二载板与第三载板电信号连接。

进一步地，所述芯筒下部的外侧设有连接螺纹。

进一步地，所述信号采集处理单元包括A/D转换电路和微处理器，所述A/D转换电路用于将模拟信号转换成数字信号，供微处理器对信号进行运算处理。

进一步地，所述信号采集处理单元通过串口、IIC、SPI方式，或通过通讯芯片向外部输出声音传感信息。

本发明具有的有益效果：

本发明温度、压力、声学集成MEMS水下传感器的声矢量敏感单元、声压敏感单元设置于第一载板顶面，所述压力敏感单元、温度敏感单元设置于第一载板底面；其中，位于第一载板顶面的声矢量敏感单元、声压敏感单元通过透声帽封装，位于第一载板底面的压力敏感单元、温度敏感单元通过金属壳体封装。本发明对声学敏感单元和压力敏感单元、温度敏感单元分别进行封装，分别满足声学检测和压力、温度检测条件，实现温度、压力、声学敏感单元的集成，对水下温度、压力、声学检测。

本发明温度、压力、声学集成MEMS水下传感器系统包括信号调理单元，所述信号调理单元用于对温度、压力、声学集成MEMS水下传感器输出的信号进行放大、滤波处理；包括信号采集处理单元，所述信号采集处理单元用于对信号调理单元输出的信号进行运算处理，获得MEMS水下传感器的声音传感信息；所述信号调理单元位于所述第一载板底面，所述信号采集处理单元位于第二载板上，第二载板位于第一载板的下方；所述信号调理单元、信号采集处理单元通过金属壳体封装。本发明设有信号调理单元、信号采集处理单元，并分别设置于第一载板和第二载板上，通过信号调理单元对输出信号进行放大、滤波，通过信号采集处理单元对信号进行运算处理，有效提高信号信噪比，保证检测信号准确性。本发明结合该MEMS水下传感器的探测平台既可以通过温度单元对压力单元进行温度补偿，利用温度信息及压力信息对水下声学参数进行校正，也可以通过集成的温度、压力及声学单元采集水下环境的温度、压力、声学等水文信息，亦可利用声学单元对目标声源进行定向、跟踪。

本发明所述金属壳体的中部为芯筒，所述第一载板位于所述芯筒的顶部，所述第二载板位于所述芯筒的外侧；所述芯筒的底部设有隔离膜，所述隔离膜与第一载板下方之间设有第二填充介质；所述透声帽与第一载板上方之间设有第一填充介质；第一载板两端设有焊接盘，第一载板通过所述焊接盘与第三载板电信号连接；第三载板位于第一载板下方，第三载板中部镂空，第三载板两端位于所述芯筒顶部的外侧，第二载板位于第三载板下方，第二载板与第三载板电信号连接。本发明通过上述芯筒、第一载板、第二载板、第三载板的有效布置、连接，进一步保证了温度、压力、声学敏感单元的可靠集成、封装，节省空间。本发明所述芯筒下部的外侧设有连接螺纹，更加方便传感器与安装平台连接安装。

本发明所述信号采集处理单元通过串口、I IC、SPI方式，或通过通讯芯片向外部输出声音传感信息。本发明具有通讯能力，可以与远程控制中心、数据中心进行信息交互，同时基于该集成传感器的阵列可以实现自组网，实现传感器阵列最大效率的工作。

附图说明

图1是本发明水下传感器实施例一的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的仰视图；

图4是本发明水下传感器实施例二的结构示意图；；

图5是图4的俯视图；

图6是图4的仰视图；

图7是本发明水下传感器实施例三的结构示意图；

图8是图7的俯视图；

图9是图7的仰视图；

图10是本发明水下传感器实施例四的结构示意图；

图11是图10的俯视图；

图12是图10的仰视图；

图13是本发明水下传感器系统的结构示意图；

图14是本发明水下传感器系统信号处理流程框图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

实施例一：

温度、压力、声学集成MEMS水下传感器

如图1至3所示，MEMS水下传感器10包括声矢量敏感单元13、14，声压敏感单元15和温度-压力敏感单元16。声矢量敏感单元13、14，声压敏感单元15第一载板11的顶面111，温度-压力敏感单元16设置于第一载板11的底面112；具体实施时，敏感单元与第一载板粘接。其中，位于第一载板顶面的声矢量敏感单元13、14、声压敏感单元15通过透声帽封装，位于第一载板底面的温度-压力敏感单元16通过金属壳体封装。

声矢量敏感单元13和14为同平面水平正交放置，能够感知水下声场中两个维度方向上的质点振速信息，声压敏感单元15能够感知水下声场中的声压信息，压力-温度敏感单元16可同时感知压力信息及温度信息。各敏感单元可通过键合线12与第一载板11上电信号连接，第一载板11再通过键合线12传输至信号调理单元17中，实现对各敏感单元原始输出信号的前置放大、滤波等信号调理工作，经信号调理单元17调理后的信号再通过键合线12传输到第一载板11上，最后通过第一载板11两端的焊盘18传输到后续信号调理电路中。

MEMS水下传感器10够进行声波信息最小损耗采集的同时实现压力信息的高精度测量，可原位测量水下环境的压力及温度信息，既可对水下环境的背景噪声信息进行采集，也可对水下声源目标进行定向和跟踪。

实施例二：

温度、压力、声学集成MEMS水下传感器

实施例二与实施例一的主要区别在于，MEMS水下传感器的压力敏感单元和温度敏感单元分别单独设置；信号调理单元叠层设置于温度敏感单元的下方。

如图4—6所示，MEMS水下传感器20包括声矢量敏感单元23和24、声压敏感单元25、压力敏感单元26，温度敏感单元27。声矢量敏感单元23和24为同平面水平正交放置，能够感知水下声场中两个维度方向上的质点振速信息，声压敏感单元25能够感知水下声场中的声压信息。考虑到声学敏感单元23，24和25的透声需求以及压力敏感单元26的高精度测量需求，该实施例中MEMS水下传感器的声学敏感单元23，24和25与压力敏感单元26、温度敏感单元27分别粘贴在第一载板21的顶面211和底面212上。该实施例中各敏感单元均为晶元切割后得到的DIE，尺寸在mm量级，温度敏感单元27感知得到的温度信息可视为压力敏感单元26所处环境的温度信息。该实施例中的声矢量敏感单元23和24、声压敏感单元25，压力敏感单元26，以及温度敏感单元27的输出信号均通过键合线22与第一载板21电信号连接，最终信号由第一载板21两端的焊盘29输出。

该实施例中MEMS水下传感器20够进行声波信息最小损耗采集的同时实现压力信息的高精度测量，可原位测量水下环境的压力及温度信息，既可对水下环境的背景噪声信息进行采集，也可对水下声源目标进行定向和跟踪。

实施例三：

温度、压力、声学集成MEMS水下传感器

实施例三与实施例二的主要区别在于，信号调理单元与压力敏感单元、温度敏感单元平行设置。

如图7—9所示，MEMS水下传感器30由声矢量敏感单元33和34，声压敏感单元35，压力敏感单元36，温度敏感单元37及信号调理单元38组成，声矢量敏感单元33和34为同平面水平正交放置，能够感知水下声场中两个维度方向上的质点振速信息，声压敏感单元35能够感知水下声场中的声压信息。考虑到声学敏感单元33,34和35的透声需求以及压力敏感单元36的高精度测量需求，该实施例中MEMS水下传感器的声矢量敏感单元33和34，声压敏感单元35与压力敏感单元36、温度敏感单元37和信号调理单元38分别粘贴在第一载板31的两顶面311和底面312上。该实施例中压力敏感单元36，温度敏感单元37与信号调理单元38平行设置，平铺在第一载板31的底面312上。该实施例中各敏感单元均为晶元切割后得到的DIE，尺寸在mm量级，温度敏感单元37感知得到的温度信息可视为压力敏感单元36所处环境的温度信息。该实施例中的声矢量敏感单元33和34，声压敏感单元35，压力敏感单36，以及温度敏感单元37的输出信号均通过键合线32接入第一载板31，第一载板31再通过键合线32传输至信号调理单元38中，实现对各敏感单元原始输出信号的前置放大、滤波等信号调理工作，经信号调理单元38调理后的信号再通过键合线32传输到第一载板31上，最后通过第一载板31上的焊盘39传输到后续信号调理电路中。

该实施例中各敏感单元可通过键合线32接入第一载板31上的焊盘39实现能源供给，也可通过键合线32接入第一载板31再以键合线32连接信号调理单元38的方式实现能源供给。该实施例中的信号调理单元38可对全部集成的敏感单元进行信号调理，也可对部分敏感单元进行信号调理。

该实施例中MEMS水下传感器30能够进行声波信息最小损耗采集的同时实现压力信息的高精度测量，可原位测量水下环境的压力及温度信息，既可对水下环境的背景噪声信息进行采集，也可对水下声源目标进行定向和跟踪。

实施例四：

温度、压力、声学集成MEMS水下传感器

实施例四与实施例一至实施例三的主要区别在于，各敏感单元、信号调理单元通过硅通孔与第一载板电信号连接。

如图10—12所示，MEMS水下传感器40由声矢量敏感单元43和44，声压敏感单元45，压力敏感单元46，温度敏感单元47及信号调理单元48组成，声矢量敏感单元43和44为同平面水平正交放置，能够感知水下声场中两个维度方向上的质点振速信息，声压敏感单元45能够感知水下声场中的声压信息。考虑到声矢量敏感单元43和44，声压敏感单元45的透声需求以及压力敏感单元46的高精度测量需求，该实施例中MEMS水下传感器的声矢量敏感单元43和44，声压敏感单元45与压力敏感单元46、温度敏感单元47和信号调理单元单元48分别粘贴在第一载板41的顶面411和底面412上。该实施例中压力敏感单元46，温度敏感单元47与信号调理单元48平铺在第一载板41的底面412上。该实施例中各敏感单元均为晶元切割后得到的DIE，尺寸在mm量级，温度敏感单元47感知得到的温度信息可视为压力敏感单元46所处环境的温度信息。该实施例中的声矢量敏感单元43和44，声压敏感单元45，压力敏感单元46，以及温度敏感单元47的输出信号均通过硅通孔(Through Silicon Via，TSV)42接入第一载板41，第一载板41再通过硅通孔42传输至信号调理单元单元48中，实现对各敏感单元原始输出信号的前置放大、滤波等信号调理工作，经信号调理单元单元48调理后的信号再通过硅通孔42传输到第一载板41上，最后通过第一载板41上的焊盘49传输到后续信号调理电路中。

该实施例中各敏感单元可通过硅通孔42接入第一载板41上的焊盘49实现能源供给，也可通过硅通孔42接入第一载板41再以硅通孔42连接信号调理单元单元48的方式实现能源供给。该实施例中的信号调理单元单元48可对全部集成的敏感单元进行信号调理，也可对部分敏感单元进行信号调理。

该实施例中MEMS水下传感器40能够进行声波信息最小损耗采集的同时实现压力信息的高精度测量，可原位测量水下环境的压力及温度信息，既可对水下环境的背景噪声信息进行采集，也可对水下声源目标进行定向和跟踪。

实施例五：

温度、压力、声学集成MEMS水下传感器系统

包括上述温度、压力、声学集成MEMS水下传感器和信号处理电路，所述信号处理电路包括信号调理单元，所述信号调理单元用于对温度、压力、声学集成MEMS水下传感器输出的信号进行放大、滤波处理；信号采集处理单元，所述信号采集处理单元用于对信号调理单元输出的信号进行运算处理，获得MEMS水下传感器的声音传感信息。所述信号采集处理单元包括A/D转换电路和微处理器，所述A/D转换电路用于将模拟信号转换成数字信号，供微处理器对信号进行运算处理。所述信号采集处理单元通过串口、IIC、SPI方式，或通过通讯芯片向外部输出声音传感信息。封装结构为，所述信号调理单元位于所述第一载板底面，所述信号采集处理单元位于第二载板上，第二载板位于第一载板的下方；所述信号调理单元、信号采集处理单元通过金属壳体封装。所述金属壳体的中部为芯筒，所述第一载板位于所述芯筒的顶部，所述第二载板位于所述芯筒的外侧；所述芯筒的底部设有隔离膜，所述隔离膜与第一载板下方之间设有第二填充介质；所述透声帽与第一载板上方之间设有第一填充介质。第一载板两端设有焊接盘，第一载板通过所述焊接盘与第三载板电信号连接；第三载板位于第一载板下方，第三载板中部镂空，第三载板两端位于所述芯筒顶部的外侧，第二载板位于第三载板下方，第二载板与第三载板电信号连接。所述芯筒下部的外侧设有连接螺纹。

如图13所示，具体实施时，封装结构5000包括透声帽5101，金属壳体5201，第三载板5301，第一载板5401、第二载板5501，隔离膜5601以及水密接插件5701组成。声矢量敏感单元5403和5404，声压敏感单元5405与压力敏感单元5406、温度敏感单元5407和信号调理单元5408分别粘贴在第一载板5401的顶面和底面上并通过键合线5402与第一载板5401实现电学连通。第一载板5401叠放在第三载板5301上，并通过焊盘5409与第三载板5301实现电信号传输。第三载板5301为镂空载板，镂空部分用于安置并露出温度敏感单元5406，压力敏感单元5407以及信号调理单元5408，第三载板5301安装在金属壳体5201上，并通过接插件5302，5304，5305和5307及配套连接线5303和5306与第二载板5501实现电信号连通，第二载板5501安装在金属壳体5201内，并通过连接线5702和5703与水密接插件5701实现电信号连通。金属壳体5201的中部为芯筒，所述第一载板5401位于所述芯筒的顶部，所述第二载板5501位于所述芯筒的外侧。所述芯筒的底部设有隔离膜5601，隔离膜5601通过焊接或者压环方式安装。芯筒下部的外侧设有连接螺纹5301，可通过螺纹5301将金属壳体5201安装在应用场景的安装平台上。

该实施例中，透声帽5101与金属壳体5201形成的空腔内，即透声帽5101与第一载板5401上方之间，设有第一填充介质，第一填充介质包括但不限于蓖麻油或硅油等，并与金属壳体体5201一起形成声学测量结构，可有效减少声波透过水-微壳-硅油传递至声学传感单元这一过程中的损耗。隔离膜5601与金属壳体体5201形成的空腔内，即隔离膜5201与第一载板5401下方之间，设有第二填充介质，第二填充介质包括但不限于硅油等，并与金属壳体5201一起形成用于压力高精度测量的充油芯体结构。

该实施例中，透声帽5101可由包括但并不限于聚氨酯，聚二甲基硅氧烷，丁腈橡胶等材质制作而成，金属壳体5201材料可由包括但并不限于304,316等不锈钢材质制作而成，隔离膜5601可由包括但并不限于聚四氟乙烯，钛材料等材质制作而成。

如图14所示，工作时，首先通过声矢量敏感单元、声压敏感单元、温度传感单元及压力传感单元将水下环境中的声学信号，温度信号和压力信号转换为模拟量电压信号，得到2轴声矢量模拟量电压信号，声压模拟量电压信号，温度模拟量电压信号及压力模拟量电压信号。随后，利用A/D转换电路进行A/D转换,将采集到的模拟量电压信号转换为数字信号，并经微处理器处理后，得到2轴声矢量信息vx和vy，声压信息Ap，温度T，以及压力P。最后，将得到的2轴矢量声矢量信息，声压信息，温度信息及压力信息通过包括但不限于串口、IIC、SPI等一种或多种可选择信号形式向外传输，或通过通讯芯片以特定频率和协议向外传输。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (7)

1.一种温度、压力、声学集成MEMS水下传感器系统，其特征在于：包括水下传感器，所述水下传感器包括声矢量敏感单元、声压敏感单元、压力敏感单元、温度敏感单元，所述声矢量敏感单元、声压敏感单元设置于第一载板顶面，所述压力敏感单元、温度敏感单元设置于第一载板底面；其中，位于第一载板顶面的声矢量敏感单元、声压敏感单元通过透声帽封装，位于第一载板底面的压力敏感单元、温度敏感单元通过金属壳体封装；还包括

信号调理单元，所述信号调理单元用于对温度、压力、声学集成MEMS水下传感器输出的信号进行放大、滤波处理；

信号采集处理单元，所述信号采集处理单元用于对信号调理单元输出的信号进行运算处理，获得MEMS水下传感器的声音传感信息；

所述信号调理单元位于所述第一载板底面，所述信号采集处理单元位于第二载板上，第二载板位于第一载板的下方；所述信号调理单元、信号采集处理单元通过金属壳体封装；

所述信号调理单元与温度敏感单元、压力敏感单元平行设置；或叠层设置于温度敏感单元的下方；

所述各敏感单元、信号调理单元通过键合线与第一载板电信号连接，或通过硅通孔与第一载板电信号连接。

2.根据权利要求1所述的温度、压力、声学集成MEMS水下传感器系统，其特征在于：所述压力敏感单元、温度敏感单元集成为温度-压力敏感单元。

3.根据权利要求1所述的温度、压力、声学集成MEMS水下传感器系统，其特征在于：所述金属壳体的中部为芯筒，所述第一载板位于所述芯筒的顶部，所述第二载板位于所述芯筒的外侧；所述芯筒的底部设有隔离膜，所述隔离膜与第一载板下方之间设有第二填充介质；所述透声帽与第一载板上方之间设有第一填充介质。

4.根据权利要求3所述的温度、压力、声学集成MEMS水下传感器系统，其特征在于：第一载板两端设有焊接盘，第一载板通过所述焊接盘与第三载板电信号连接；第三载板位于第一载板下方，第三载板中部镂空，第三载板两端位于所述芯筒顶部的外侧，第二载板位于第三载板下方，第二载板与第三载板电信号连接。

5.根据权利要求4所述的温度、压力、声学集成MEMS水下传感器系统，其特征在于：所述芯筒下部的外侧设有连接螺纹。

6.根据权利要求1所述的温度、压力、声学集成MEMS水下传感器系统，其特征在于：所述信号采集处理单元包括A/D转换电路和微处理器，所述A/D转换电路用于将模拟信号转换成数字信号，供微处理器对信号进行运算处理。

7.根据权利要求1所述的温度、压力、声学集成MEMS水下传感器系统，其特征在于：所述信号采集处理单元通过串口、IIC、SPI方式，或通过通讯芯片向外部输出声音传感信息。

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