[發(fā)明專利]基于壓阻效應(yīng)的MEMS同振型球形振子矢量水聽器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710226797.0
• 申請日: 2017-04-10
• 公開（公告）號: CN107063430B
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 丑修建;穆繼亮;徐方良;高翔;胡磊;石樹正;耿文平;薛晨陽
• 申請（專利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類號: G01H3/12
• 分類號: G01H3/12;G01H11/08
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;武建云

本發(fā)明公開了一種基于壓阻效應(yīng)的MEMS同振型球形振子矢量水聽器，包括框型基座，所述框型基座上的四條邊分別通過橫梁連接環(huán)形連接體，所述環(huán)形連接體上安裝球形拾振單元，所述球形拾振單元的密度為1g/cm³；四根橫梁外側(cè)分別設(shè)置有壓敏電阻R₁₁、壓敏電阻R₁₂、壓敏電阻R₁₃和壓敏電阻R₁₄，所述框型基座上設(shè)置有基準(zhǔn)電阻R2、基準(zhǔn)電阻R3和基準(zhǔn)電阻R4；壓敏電阻R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄串聯(lián)后與基準(zhǔn)電阻R2、R3和R4通過金屬引線連接成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)。本發(fā)明從理論出發(fā)，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一種微型化、良好低頻特性、高靈敏度、寬工作頻帶、共模輸出、差模抑制的同振型球形振子矢量水聽器。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及MEMS傳感器領(lǐng)域中的矢量水聽器，具體是一種基于壓阻效應(yīng)的MEMS同振型球形振子矢量水聽器。

背景技術(shù)

當(dāng)前，國內(nèi)外研制的矢量水聽器總體上分為同振式和壓差式兩大類。對于壓差性矢量水聽器，由于其“8”字型余弦指向性凹點(diǎn)深度太淺，指向精度不高，從而限制了其水聲領(lǐng)域的應(yīng)用。對于同振式矢量水聽器，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)振速水聽器聲波接收理論的不同可將同振型矢量水聽器分為同振型柱體振子矢量水聽器和同振型球形振子矢量水聽器。常規(guī)同振型矢量水聽器必須使用彈性懸掛元件(如橡膠繩或金屬彈簧等)固定在剛性架上，懸掛原件的機(jī)械特性直接影響水聽器的電聲性能。該類矢量水聽器都是在拾振單元中心或者是內(nèi)部均勻布置一個(gè)或多個(gè)加速度傳感器，來測量拾振單元振動的速度及加速度，從而得到聲場中質(zhì)點(diǎn)振速的相關(guān)信息。由于常規(guī)的設(shè)計(jì)及加工工藝帶來的靈敏度低、質(zhì)量大、聲阻抗與水不匹配、難以在小體積平臺上使用等問題。MEMS矢量水聲傳感器因其具有體積小、靈敏度高，矢量性和一致性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，壓阻傳感器具有較好的低頻甚至零頻特性；基于此，本發(fā)明提出了一種基于壓阻效應(yīng)的MEMS同振型球形矢量水聽器，以滿足甚低頻探測要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為解決現(xiàn)有采用常規(guī)設(shè)計(jì)及加工工藝等技術(shù)方案帶來的球形振子矢量水聲傳感器抗流噪聲性能差、靈敏度低、抗沖擊性能差、質(zhì)量大、聲阻抗與水不匹配以及低頻特性差等問題，提供了一種基于壓阻效應(yīng)的MEMS同振型球形振子矢量水聽器。

本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于壓阻效應(yīng)的MEMS同振型球形振子矢量水聽器，包括框型基座，所述框型基座上的四條邊分別通過橫梁連接環(huán)形連接體，所述環(huán)形連接體上安裝球形拾振單元，所述球形拾振單元密度為1g/cm³；四根橫梁外側(cè)分別設(shè)置有壓敏電阻R₁₁、壓敏電阻R₁₂、壓敏電阻R₁₃和壓敏電阻R₁₄，所述框型基座上設(shè)置有基準(zhǔn)電阻R2、基準(zhǔn)電阻R3和基準(zhǔn)電阻R4；壓敏電阻R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄串聯(lián)后與基準(zhǔn)電阻R2、R3和R4通過金屬引線連接成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明采用微納加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了球形振子矢量水聽器的微型化。并將信號采集壓敏電阻布置于連接球形振子的四根橫梁上，可檢測垂直于橫梁方向上的聲信號分量。當(dāng)該水聽器受到來自于Z方向上的聲信號作用時(shí)，每根橫梁上應(yīng)力分布以及變化完全相同，通過串聯(lián)的方式將壓敏電阻R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄連接，等效為一個(gè)壓敏電阻R1。應(yīng)變電阻R1與基準(zhǔn)電阻R2、R3、R4阻值相等，且壓敏電阻與基準(zhǔn)電阻組成惠斯通電橋；基準(zhǔn)電阻R2、R3、R4分別作為惠斯通電橋的單邊基準(zhǔn)橋臂，壓敏電阻R1作為惠斯通電橋單邊應(yīng)變橋臂。