[實用新型]一種具有雙圓柱增敏結構的MEMS矢量水聽器

有效

• 申請號: 201720329522.5
• 申請日: 2017-03-31
• 公開（公告）號: CN206725084U
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 郝振宇;郭世旭;趙鵬;王月兵
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01H3/00
• 分類號: G01H3/00;G01H11/08
• 代理公司: 杭州奧創知識產權代理有限公司33272
• 代理人: 王佳健

技術領域

本實用新型主要涉及新型的熱絲式MEMS矢量水聽器，特別涉及一種具有雙圓柱增敏結構的MEMS矢量水聽器。

背景技術

眾所周知，聲波是已知的唯一能夠在水中遠距離傳播的波動，因此在海洋測量領域依賴的基礎是水下的各種聲學傳感器，即水聽器。在海戰中，聲納是海上作戰個體(各種艦、艇)的五官，所有的水下戰場偵察都要以聲納為媒體，缺之不可。水聲換能器作為聲納系統的重要部件之一，是水聲學的一個重要研究方向，新型水聲換能器的研究是海軍聲納技術發展的一個關鍵內容，其研究工作具有重要戰略意義。

要描述一個完整的聲場，不僅需要標量的聲壓，還需要矢量的質點振速，同時測量標量信息和矢量信息即聲壓和質點振速才能獲得完整的聲場信息。目前所使用的矢量水聽器一般采用壓電陶瓷制作而成，利用兩個聲壓水聽器，通過計算聲壓梯度而間接得到質點振速，由于其原理是直接測量空間小尺度上的多點聲壓標量，然后通過線路的反相并聯或串聯來得到聲壓梯度的有限差分近似，其并不是真正意義上的質點振速測量。由于水下測量頻率較低，通常的矢量水聽器體積較大，不便于形成陣列，且由于兩個水聽器的相位一致性不易控制，限制了其應用。

在水聲探測領域，對于基于遠場目標檢測和隱身潛艇探測而言，低頻檢測、高信噪比檢測一直是聲納系統的一個發展趨勢，而對于基于陣列檢測，高性能、小型化一直是工程應用追求的目標。MEMS技術是在微電子技術基礎上發展起來的多學科交叉前沿研究領域,現已成為世界矚目的重大科技領域之一。基于 MEMS技術的矢量水聽器，體積非常小，易于小型化，成陣也比較方便。

目前，應用比較廣泛的是同振球型矢量水聽器，同振球型矢量水聽器由于體型比較大，做成矢量陣進行應用時必須漂流在水面，難以控制，并且在安裝球型陣元時，需要用多個支架進行固定，工藝比較復雜；還有中北大學的基于仿生學的MEMS壓阻式矢量水聽器，它是仿效魚的側線機械傳感細胞(聲毛細胞)感知水運動的原理，提出一種人工毛細胞矢量水聽器的結構設計，當聲波透過封裝外殼作用于中央纖毛(剛硬塑料柱體制成)，剛硬塑料柱體與其所處的介質質點同振，從而將感受到的聲信號傳遞給壓阻敏感單元，使梁產生應力變化，植入其上的壓敏電阻的電阻值便發生變化，通過金屬導線以及相應的電路信號檢測單元，即可以實現水下聲信號的矢量探測。熱絲式MEMS矢量水聽器與仿生學的MEMS壓阻式矢量水聽器原理不同，并且仿生纖毛難以制作。

熱絲式MEMS矢量傳感器已有人應用于空氣中，并且已發表專利介紹了敏感元件加工工藝。但是在同聲壓下，水中引起的質點振速遠小于在空氣中，靈敏度比相同結構參數下空氣中的聲傳感器小得多，水的密度又比空氣大的多，因此單位體積內有更多的粒子傳播熱量，因此在水下應用時，需研究水下環境中相對于空氣中，其靈敏度如何變化，而如何提高傳感器的靈敏度和信噪比成為了設計的關鍵。

發明內容

本實用新型的目的在于提供一種具有雙圓柱增敏結構的MEMS矢量水聽器，以解決上述背景中提出的問題。

為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案：

本實用新型包括聚氨酯外套、金屬屏蔽殼，在金屬屏蔽殼與聚氨酯外套中間夾有密封圈，金屬屏蔽殼里面放置前置放大器，聚氨酯外套內設置敏感單元，敏感單元矢量方向位置按照設定的角度擺放并在外部進行標記，敏感單元貼在雙圓柱增敏結構的內壁上，通過屏蔽導線與前置放大器進行電氣連接，屏蔽導線穿過導線連接孔，導線連接孔旁邊為出油孔，雙圓柱增敏結構設置在聚氨酯外套的底座上，聚氨酯外套與雙圓柱增敏結構中間充滿脫氣蓖麻油。

進一步說，所述的敏感單元采用兩根平行設置的鉑絲，兩根鉑絲上的溫度差用于振速的測量，兩根鉑絲通過MEMS加工工藝刻蝕完成。

進一步說，所述的前置放大器是根據鏡像電流源電路的特性設計而成，實現對兩個鉑絲加載相同電流的同時，檢測兩鉑絲的阻值差。

與背景技術相比，本實用新型具有的有益效果是：

本實用新型運用雙圓柱結構來提高矢量水聽器的靈敏度，并針對水下應用環境，提出了敏感單元與前置放大電路一體化封裝的結構與工藝，并且設計串聯式的鏡像電橋前置放大電路結構，提高了信噪比。

附圖說明

圖1為本實用新型的X軸方向示意圖：

圖2為本實用新型的Y軸方向示意圖；

圖3為Fluent軟件初步仿真的結果圖；

圖4為前置放大電路結構圖；

圖5為駐波場比較法測試圖；

圖6為頻率為100HZ下的指向性圖；

圖7為頻率為200HZ下的指向性圖；