[發(fā)明專利]雙層封裝式硅微抗噪仿生矢量水聽器

無效

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• 申請日: 2011-10-29
• 公開（公告）號: CN102393245A
• 公開（公告）日: 2012-03-28
• 發(fā)明（設計）人: 張國軍;張文棟;薛晨陽;熊繼軍;葛曉洋;劉林仙;杜春暉
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01H3/00
• 分類號: G01H3/00
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

技術領域

本發(fā)明涉及一種MEMS矢量水聽器，具體為一種雙層封裝式硅微抗噪仿生矢量水聽器。

背景技術

近年來，矢量水聽器被逐漸應用于水聲測量、探測和水下定位等領域。矢量水聽器內最重要的結構是四梁仿生微結構體，四梁仿生微結構體包括一個支撐框體，支撐框體中心處設有一個質量塊，質量的四邊分別通過一根彈性梁與支撐框體固定，在質量塊的中心面上粘結有敏感柱體，最后四梁仿生微結構的支撐框體通過一個內部支撐體粘結固定在管殼上，在實際應用時，在四梁仿生微結構及其纖毛柱體的整體外部都套裝一個一端與管殼密封固定、另一端封閉的單層透聲帽，透聲帽內充滿介質油，當聲波以一定的速度在水中傳播時，在透聲帽外表面附近會產生海水介質微團的湍流脈動，由此激發(fā)水動力噪聲，一般稱之為流噪聲。流噪聲的存在，增加了矢量水聽器的噪聲背景，在一定程度上限制了矢量水聽器的探測距離和定位精度，降低了矢量水聽器的信噪比。

專利號為ZL200610012991.0的中國專利公開了一種“共振隧穿仿生矢量水聲傳感器”。這種水聲傳感器有著極好的透聲性，但是卻無法抑制流噪聲對其接收微弱信號的干擾。流噪聲覆蓋了一部分微弱有用信號，使矢量水聽器的信噪比降低，嚴重影響了矢量水聽器的低頻性能。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的矢量水聽器因其透聲帽存在技術缺陷而限制了矢量水聽器的探測距離和定位精度等問題，而提供一種雙層封裝式硅微抗噪仿生矢量水聽器。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種雙層封裝式硅微抗噪仿生矢量水聽器，包括通過內部支撐體固定支撐在圓柱體管殼內的四梁仿生微結構，四梁仿生微結構的質量塊上粘結有敏感柱體，在四梁仿生微結構及其敏感柱體的外部套裝有一端為敞口、另一端為半球形封閉的圓柱體透聲帽，透聲帽的敞口端密封固定在管殼上，并且透聲帽內充滿介質油；其中，在透聲帽的外部還套設有一端為敞口、另一端為半球形封閉的圓柱體導流罩，導流罩的敞口端密封固定在管殼上，導流罩的半球形封閉的頂端還開設有一個導流口，且導流罩和透聲帽之間留有夾層空隙。

在實際應用時，將本發(fā)明矢量水聽器放入水中，外層導流罩和內層透聲帽之間的夾層空隙會通過導流罩上開設的導流口與外部水介質貫通而充滿水介質，當聲波以一定的速度在水中傳播時，在導流罩外表面附近會存在海水介質微團的湍流脈動而對導流罩產生湍流壓力，此時外層導流罩的存在能為夾層空隙間的水介質分解部分壓力，而夾層空隙間的水介質層又能對內層的透聲帽起到一定的緩沖作用，最終降低了湍流壓力到達矢量水聽器的敏感單元的強度，進而減小流噪聲對矢量水聽器敏感單元的影響，降低了矢量水聽器輸出的噪聲電壓，提高矢量水聽器的信噪比。

進一步地，所述的透聲帽與導流罩均由有良好透聲性的聚氨酯材料制作而成，聚氨酯具有良好的透聲性，確保聲波經過多層介質后仍然能夠最大限度的傳遞給矢量水聽器的四梁仿生微結構及其纖毛柱體。

本發(fā)明是在不影響原矢量水聽器靈敏度及“8”字形矢量指向性的前提下設計的。以下是對采用本發(fā)明封裝結構的矢量水聽器的靈敏度和矢量指向性進行的測試。

為了對比現(xiàn)有封裝結構和本發(fā)明封裝結構的MEMS矢量水聽器靈敏度，在一組相同的頻率點上取值，測試結果如表1所示。從表中可以看出：現(xiàn)有封裝結構的水聽器靈敏度相對較高，但是本發(fā)明封裝結構的水聽器與它最多只相差2.7dB，所以改進過的本發(fā)明封裝結構對水聽器靈敏度的影響并不是很大。

表1不同封裝結構的矢量水聽器接收靈敏度

為了對比現(xiàn)有封裝結構和本發(fā)明封裝結構的MEMS矢量水聽器的指向性，分別測試其指向性。測試頻率為160Hz，測試結果分別如圖2和圖3所示，由圖可以看出，采用兩種封裝結構的水聽器的凹點深度均為Kd>20dB，因此改進后的本發(fā)明封裝結構對矢量水聽器的指向性沒有影響。

在不影響水聽器指向性和靈敏度的前提下，通過對比實驗來驗證本發(fā)明封裝結構的優(yōu)越性。如圖4所示，為分別采用現(xiàn)有封裝結構和本發(fā)明封裝結構的水聽器的接受噪聲功率譜級圖；如圖5所示，為分別采用現(xiàn)有封裝結構和本發(fā)明封裝結構的水聽器的接受信號功率譜級圖。由圖可知，采用本發(fā)明封裝結構的矢量水聽器對抑制流噪聲的能力提高了20dB以上，從而使得水聽器的信噪比得到大幅度提高。

本發(fā)明結構簡單、新穎，靈敏度高且具有良好的“8”字形矢量指向性，加工成本低，易于實現(xiàn)，能有效的減少流噪聲對MEMS矢量水聽器的影響，提高了矢量水聽器的信噪比，有效改善了矢量水聽器的低頻特性，有良好的應用前景。

附圖說明