CN112763051A - 一种基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构及制作方法，该结构包括敏感探头、支撑壳、聚声透镜和保护壳，所述的支撑壳上设有引导孔和透镜槽，所述的敏感探头通过引导孔与支撑壳固定连接，所述的聚声透镜通过透镜槽与支撑壳固定连接，所述的保护壳置于支撑壳上方并与支撑壳固定连接。与现有技术相比，本发明具有提高了声波传感器对外界微弱声波的探测能力等优点。

Description

一种基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构及制作方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其是涉及一种基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构及制作方法。

背景技术

声波具有精确度高，能量集中、传播距离远等优势，可以通过对其强度和频率的检测获取所需信息，在军事，水下，医疗卫生等领域有着广泛应用。

目前，声波探测传感器主要包括电子式声波传感器和光纤式声波传感器，两者都是基于膜片振动实现对声信号的探测。电子式声波传感器的优势体现在结构简单，成本低廉，适用场景广泛。光纤式声波传感器则体现在抗电磁干扰，体积小，重量轻，更适合于一些特殊场合。但目前的声波传感器探测性能普遍受到挑战，体现在低声压信号难以探测，亟需提升其灵敏度来适应复杂场景，而合适的封装结构是提升传感器性能的有效方法之一。

在实际环境中，会面临着待测声波能量过低，声波信号到达膜片端时引起膜片振动幅度过小，从而无法识别和检测声信号。在以往的研究中大多是改进实验方式或者材料性能提高传感器的灵敏度来探测信号，而对于声波传感器封装结构方面却鲜有报道。1962年，德国科学家Matauschek首次提出可以将光学中的菲涅耳聚焦原理应用到声波聚焦中，并从理论方面进行了系统地论证。1988年，高健波等人(声学学报,1988(5):369-375.)率先成功研制出我国首套菲涅耳声透镜，并通过微型水听器测量了焦面上的声压分布，发现焦面上的声压有明显增强。2004年，A.Hakansson等人(Phys.Rev.B,2004(70):214302.)采用优化算法、多重散射理论和遗传算法对二维透镜进行了完备的理论分析，通过对二维非周期散射体阵列结构优化，提高了声波放大效果。2014年，M.Moleron等人(Appl.Phys.Lett.,2014(105):114109.)利用多种声波共振机制设计出不同微结构的聚焦声透镜，成功研制出高效率的平面透镜，所得透镜能够传输较高声波能量和具有显著的声波聚焦能力。

因此如何将聚焦透镜应用到声波传感器，从而来提高声波传感器的灵敏度，使其能够检测到更加微弱的声波信号，成为需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构及制作方法，通过在声波传感器的封装结构内设计菲涅尔波带片型聚声透镜，将外界声波信号聚焦到声波传感器的敏感膜片上，放大敏感膜片接收到的声波压力，提高了声波传感器对外界微弱声波的探测能力。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的一个方面，提供了一种基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构，该结构包括敏感探头、支撑壳、聚声透镜和保护壳，所述的支撑壳上设有引导孔和透镜槽，所述的敏感探头通过引导孔与支撑壳固定连接，所述的聚声透镜通过透镜槽与支撑壳固定连接，所述的保护壳置于支撑壳上方并与支撑壳固定连接。

作为优选的技术方案，所述的引导孔设在支撑壳的底部中心位置。

作为优选的技术方案，所述的聚声透镜与敏感探头之间的距离通过透镜槽的高度进行调整。

作为优选的技术方案，所述的支撑壳和保护壳均为通过3D打印或机械加工而成的部件。

作为优选的技术方案，所述的支撑壳和保护壳均为光敏树脂、ABS、铝合金或钛合金材料制作而成的部件。

作为优选的技术方案，所述的聚声透镜为菲涅尔波带片结构或超结构聚声透镜。

作为优选的技术方案，所述的聚声透镜为通过3D打印光敏树脂或ABS材料制作而成的部件。

作为优选的技术方案，所述的敏感探头为光纤、压电或电容类型声波探测器的敏感探头。

作为优选的技术方案，所述的保护壳上设有透声孔，该透声孔为圆孔结构或喇叭式对称结构。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于所述的基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：通过3D打印或机械加工光敏树脂、ABS、铝合金、钛合金材料制作支撑壳和保护壳，并通过3D打印光敏树脂、ABS材料制作不同结构的聚声透镜；

步骤2：将光纤、压电、电容类型的声波探测器敏感探头通过引导孔插入支撑壳中，并利用环氧树脂、UV胶、热熔胶的粘接工艺与支撑壳固连，插入深度由聚声透镜的主焦距确定；

步骤3：将聚声透镜安装在支撑壳上的透镜槽中，并利用环氧树脂、UV胶、热熔胶的粘接工艺与支撑壳固连；

步骤4：将保护壳安装在支撑壳上方并利用环氧树脂、UV胶、热熔胶的粘接工艺固定，完成整个声波传感器探头的组装。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明与直接通过传感器探头探测相比，经过聚声透镜后的声波发生相长干涉，膜片处声压信号增强，有显著聚焦作用，在测量频率范围里提高声压值，从而提高声波传感器的灵敏度，使其能够检测到更加微弱的声波信号。保护壳起到保护传感探头和敏感膜片的作用，使得整个传感器能够更适应复杂环境。因此本发明提出的基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构可以在更多的传感领域得以应用推广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明圆孔结构保护壳的结构示意图；

图3为本发明喇叭式对称结构保护壳的结构示意图；

图4为本发明菲涅尔波带片结构的示意图；

图5为本发明制作方法步骤2的示意图；

图6为本发明制作方法步骤3的示意图；

其中1为引导孔、2为敏感探头、3为支撑壳、4为透镜槽、5为聚声透镜、6为保护壳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

为了提高声波传感器对微弱声波信号的检测灵敏度，克服传统声波传感器封装结构对声波的损耗，本发明提出一种基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构及其制作方法，通过在声波传感器封装结构内设计菲涅尔波带片型、超结构型等聚声透镜，利用透镜将激励敏感芯片的外界声波信号聚焦放大后照射到敏感膜片上，提高传感器探测微弱声压的能力。同时设计保护外壳保护敏感探头和聚声透镜，以更好的适应复杂环境。

实施例1

如图1所示，一种基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构，该结构包括敏感探头2、支撑壳3、聚声透镜5和保护壳6，所述的支撑壳3上设有引导孔1和透镜槽4。

所述的敏感探头2通过支撑壳3底部中心的引导孔1与支撑壳3固连，所述的聚声透镜5通过支撑壳3上的透镜槽4与支撑壳3固连，所述的聚声透镜5与敏感探头2之间的距离通过透镜槽4的高度调整，所述的保护壳6置于支撑壳3上方并与其固连，所述的保护壳6与支撑壳3之间的距离由保护壳6的设计结构确定。

支撑壳3、保护壳6可通过3D打印ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)材料制作，保护壳6上的透声孔采用圆孔结构，如图2所示。

所述的聚声透镜5选用菲涅尔波带片结构，如图4所示，可通过3D打印光敏树脂制作。

所述的敏感探头2为压电式声波探测器的敏感探头。

基本原理：外界声波通过保护壳6上的小孔到达聚声透镜5，经聚声透镜5聚焦放大后传播到敏感探头2上，提高敏感探头膜片端接收到的声波压力。声波通过聚声透镜5上不同通道到达焦点处时，产生多个声程差互为整数倍的声波，这些声波在焦点处干涉实现对声波的放大。通过膜片的振动幅度就可以获得声波强度，进而解调得到所探测信息。

本发明的制作方法具体包括以下步骤：

步骤1：参考图5，将压电式敏感探头2通过引导孔1插入经3D打印ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)材料的支撑壳3中，并使用环氧树脂与支撑壳3进行粘接，插入深度由聚声透镜5的主焦距确定。

步骤2：参考图6,将经3D打印光敏树脂材料的聚声透镜5通过支撑壳3上的透镜槽4与支撑壳3用环氧树脂进行粘接。

步骤3：参考图1，将经3D打印ABS材料制作的保护壳6置于支撑壳3上方并用环氧树脂进行粘接。两者距离由保护壳6的设计结构决定，从而完成整个声波传感器的封装过程。

实施例2

如图2所示，一种基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构，该结构包括敏感探头2、支撑壳3、聚声透镜5和保护壳6，所述的支撑壳3上设有引导孔1和透镜槽4。

所述的敏感探头2通过支撑壳3底部中心的引导孔1与支撑壳3固连，所述的聚声透镜5通过支撑壳3上的透镜槽4与支撑壳3固连，所述的聚声透镜5与敏感探头2之间的距离通过透镜槽4的高度调整，所述的保护壳6置于支撑壳3上方并与其固连，所述的保护壳6与支撑壳3之间的距离由保护壳6的设计结构确定。

支撑壳3、保护壳6可通过机械加工铝合金材料制作，保护壳6上的透声孔采用喇叭式对称结构，如图3所示。

所述的聚声透镜5采用菲涅尔波带片结构，如图4所示，可通过3D打印ABS材料制作。

所述的敏感探头2为光纤式声波探测器的敏感探头。

基本原理：外界声波通过保护壳6上的小孔到达聚声透镜5，经聚声透镜5聚焦放大后传播到敏感探头2上，提高敏感探头膜片端接收到的声波压力。声波通过聚声透镜5上不同通道到达焦点处时，产生多个声程差互为整数倍的声波，这些声波在焦点处干涉实现对声波的放大。通过膜片的振动幅度就可以获得声波强度，进而解调得到所探测信息。

本发明的制作方法具体如下：

步骤1：参考图5，将光纤式敏感探头2通过引导孔1插入经机械加工铝合金材料的支撑壳3中，并使用UV胶与支撑壳3进行粘接，插入深度由聚声透镜5的主焦距确定。

步骤2：参考图6,将经3D打印ABS材料的聚声透镜5通过支撑壳3上的透镜槽4与支撑壳3用UV胶进行粘接。

步骤3：参考图1，将经机械加工铝合金材料制作的保护壳6置于支撑壳3上方并用UV胶进行粘接。两者距离由保护壳6的设计结构决定，从而完成整个声波传感器的封装过程。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构，其特征在于，该结构包括敏感探头(2)、支撑壳(3)、聚声透镜(5)和保护壳(6)，所述的支撑壳(3)上设有引导孔(1)和透镜槽(4)，所述的敏感探头(2)通过引导孔(1)与支撑壳(3)固定连接，所述的聚声透镜(5)通过透镜槽(4)与支撑壳(3)固定连接，所述的保护壳(6)置于支撑壳(3)上方并与支撑壳(3)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构，其特征在于，所述的引导孔(1)设在支撑壳(3)的底部中心位置。

3.根据权利要求1所述的一种基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构，其特征在于，所述的聚声透镜(5)与敏感探头(2)之间的距离通过透镜槽(4)的高度进行调整。

4.根据权利要求1所述的一种基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构，其特征在于，所述的支撑壳(3)和保护壳(6)均为通过3D打印或机械加工而成的部件。

5.根据权利要求1所述的一种基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构，其特征在于，所述的支撑壳(3)和保护壳(6)均为光敏树脂、ABS、铝合金或钛合金材料制作而成的部件。

6.根据权利要求1所述的一种基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构，其特征在于，所述的聚声透镜(5)为菲涅尔波带片结构或超结构聚声透镜。

7.根据权利要求1所述的一种基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构，其特征在于，所述的聚声透镜(5)为通过3D打印光敏树脂或ABS材料制作而成的部件。

8.根据权利要求1所述的一种基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构，其特征在于，所述的敏感探头(2)为光纤、压电或电容类型声波探测器的敏感探头。

9.根据权利要求1所述的一种基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构，其特征在于，所述的保护壳(6)上设有透声孔，该透声孔为圆孔结构或喇叭式对称结构。

10.一种用于权利要求1所述的基于聚焦透镜技术的声波传感器封装结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过3D打印或机械加工光敏树脂、ABS、铝合金、钛合金材料制作支撑壳(3)和保护壳(6)，并通过3D打印光敏树脂、ABS材料制作不同结构的聚声透镜(5)；

步骤2：将光纤、压电、电容类型的声波探测器敏感探头(2)通过引导孔(1)插入支撑壳(3)中，并利用环氧树脂、UV胶、热熔胶的粘接工艺与支撑壳(3)固连，插入深度由聚声透镜(5)的主焦距确定；

步骤3：将聚声透镜(5)安装在支撑壳(3)上的透镜槽(4)中，并利用环氧树脂、UV胶、热熔胶的粘接工艺与支撑壳(3)固连；

步骤4：将保护壳(6)安装在支撑壳(3)上方并利用环氧树脂、UV胶、热熔胶的粘接工艺固定，完成整个声波传感器探头的组装。

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