[發明專利]基于壓阻效應的MEMS三維同振型矢量水聽器

有效

• 申請號: 201710450802.6
• 申請日: 2017-06-15
• 公開（公告）號: CN107246910B
• 公開（公告）日: 2019-11-29
• 發明（設計）人: 穆繼亮;石樹正;丑修建;徐方良;高翔;胡磊;張輝;耿文平;何劍
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01H11/06
• 分類號: G01H11/06
• 代理公司: 14100 太原科衛專利事務所(普通合伙)
• 代理人: 朱源;武建云<國際申請>=<國際公布>=

本發明公開了一種基于壓阻效應的MEMS三維同振型矢量水聽器，包括檢測來自水平方向聲信號的同振柱體振子模塊和檢測來自豎直方向聲信號的同振球形振子模塊；同振柱體振子模塊主要包括框型基座、橫梁、中心連接體、柱形聚乙烯拾振單元、壓敏電阻；同振球形振子模塊主要包括框型基座、橫梁、環形連接體、球形聚乙烯拾振單元、壓敏電阻。本發明設計合理，從理論出發，設計一種共模輸出、差模抑制的高靈敏度，寬工作頻帶的MEMS三維同振型矢量水聽器，與現有技術相比，本發明采用微納加工技術，實現了三維同振型矢量水聽器的微型化。

技術領域

本發明涉及MEMS傳感器領域中的矢量水聽器，具體是一種基于壓阻效應的MEMS三維同振型矢量水聽器。

背景技術

當前，國內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深度太淺，指向精度不高，從而限制了其水聲領域的應用。對于同振式矢量水聽器，根據質點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部均勻布置一個或多個加速度傳感器，來測量拾振單元振動的速度及加速度，從而得到聲場中質點振速的相關信息。同時，在MEMS矢量水聲傳感領域，較為成熟的為基于壓阻原理四梁仿生纖毛水聽器。不過該水聽器只能測量來自水平方向上的聲信號，測量空間水聲信號只能通過將兩個水聽器相互垂直安裝；或者在水平面上陣列多個該類型水聽器，以測量來自豎直方向上的信號。垂直安裝型將帶來安裝困難以及陣列型將帶來豎直方向聲信號檢測困難的問題。同時，由于常規的設計及加工工藝帶來的低頻特性差、靈敏度低、質量大、聲阻抗與水不匹配、難以在小體積平臺上使用等問題，而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、成本低，使用方便等一系列優點，同時，壓阻傳感器具有較好的低頻甚至零頻特性；基于此，本發明提出了一種新型的MEMS三維同振矢量水聽器。

發明內容

本發明為解決現有采用常規設計及加工工藝等技術方案帶來的矢量水聲傳感器抗流噪聲性能差、靈敏度低、抗沖擊性能差、質量大、聲阻抗與水不匹配以及加工制作復雜等問題，同時也為解決現有三維MEMS矢量水聽器安裝困難以及豎直方向聲信號不易檢測的問題，提供了一種基于壓阻效應的MEMS三維同振型矢量水聽器。

本發明是采用如下的技術方案實現的：

一種基于壓阻效應的MEMS三維同振型矢量水聽器，包括檢測來自水平方向聲信號的同振柱體振子模塊和檢測來自豎直方向聲信號的同振球形振子模塊。

所述同振柱體振子模塊包括第一框型基座，所述第一框型基座上的四條邊分別通過橫梁Ⅰ連接中心連接體，所述中心連接體上安裝柱形聚乙烯拾振單元，每根橫梁Ⅰ上設置有兩個壓敏電阻Ⅰ，四根橫梁Ⅰ上共設有8個相同的壓敏電阻Ⅰ，位于X方向的四個壓敏電阻Ⅰ和位于Y方向的四個壓敏電阻Ⅰ分別通過金屬引線連接成兩組惠斯通全橋結構。

所述同振球形振子模塊包括第二框型基座，所述第二框型基座上的四條邊分別通過橫梁Ⅱ連接環形連接體，所述環形連接體上安裝球形聚乙烯拾振單元；四根橫梁Ⅱ外側分別設置有一個壓敏電阻Ⅱ，所述第二框型基座上設置有三個相同的基準電阻；四個壓敏電阻Ⅱ串聯后與三個基準電阻通過金屬引線連接成惠斯通電橋結構。

所述第一框型基座和第二框型基座一體連接。

根據質點振速水聽器聲波接收理論，當ka<<1時(k為聲波的波數，a為拾振單元幾何線寬)，拾振單元附近聲場不發生明顯畸變。本發明水平方向聲信號探測基于剛性柱體聲波接收理論，豎直方向上聲信號基于剛性球體聲波接收理論。