[發明專利]基于磁致伸縮金屬襯底的磁聲納傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201811226643.2
• 申請日: 2018-10-22
• 公開（公告）號: CN109188407B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 白飛明;姜建利;劉力;張懷武;金立川
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01S7/521
• 分類號: G01S7/521;H01L41/12
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

一種基于磁致伸縮金屬襯底的磁聲納傳感器，屬于磁聲探測技術領域。包括兩個磁聲表面波諧振器單元組成的磁場探測部分和2×N個陣列排列的壓電超聲換能器單元組成的聲壓探測部分，其中，磁聲表面波諧振器單元和壓電超聲換能器單元中的磁致伸縮襯底、金屬緩沖層、壓電薄膜和保護層共用，兩個磁聲表面波諧振器單元中的壓電薄膜層的厚度不相同。本發明通過將磁聲表面波諧振器與壓電超聲換能器集成為一體，來實現艦船、潛艇、UUV等水下目標的磁場探測和聲壓探測，具有結構簡單、易加工、成本低、集成度高、探測靈敏度高、損耗低、響應速度快等優點。

技術領域

本發明屬于磁聲探測技術領域，具體涉及一種基于磁致伸縮金屬襯底的磁聲納傳感器及其制備方法，該傳感器具有磁異常場和聲壓探測功能，可以用于水下目標探測、定位、導航或其他水聲探測系統中。

背景技術

在水聲探測技術領域中，水聲傳感器一般由聲壓水聲傳感器與直接或間接測量振速的傳感器復合而成，能夠同時共點測量水下聲標量和矢量(聲壓梯度、質點振速、加速度、位移或聲強等)信息。微型聲定向換能器傳感元件，即基于MEMS工藝設計的壓電超聲換能器，是微型聲定向系統的重要組成部分，其性能好壞與結構尺寸直接影響聲頻定向系統的載波頻率、輸出聲壓級以及驅動電路元器件選擇。對于遠場目標檢測和安靜型潛艇探測，需要低頻段高靈敏度的水聲傳感器，而壓電微機械超聲換能器(Piezoelectric MEMSUltrasonic Transducers，PMUT，以下用縮寫代替)，與傳統超聲換能器相比，具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、頻率控制靈活、頻帶寬、靈敏度高以及易于與電路集成和實現智能化等特點，使得其適合作為磁聲納探測系統聲探測內部振子組件。但僅僅通過單個水聲傳感器件來對空間目標實現定位是比較困難的，即很難精準確定探測目標與傳感器的相對姿態。

由于“磁”與“聲”在水中有良好的傳播特性，使得復合磁場探測與聲壓探測成為了水下目標探測的有效技術手段，可以更加充分地獲取水中目標特征信息，進行融合處理。例如，在磁聲納技術中，通過對磁信號處理可以實現對水聲傳感器主響應軸的相對于地磁北極的方位角判斷，提高了系統的指向性和定位精度，在水下探測效果很好。目前，磁聲納系統中磁探測部分采用的分立磁傳感器主要有：線圈、霍爾器件、磁通門傳感器、磁阻傳感器、光泵、質子磁力儀等。其中，線圈、霍爾器件、磁阻探測的探測靈敏度都比較低；磁通門磁探儀的靈敏度與體積相關；質子磁力儀雖然靈敏度高，但電路復雜、功耗高，而且不能用于連續探測；光泵磁場靈敏度可高達5pT，但只能用于標量探測，使用和維護費用昂貴。近年來，國內外廣泛研究了由壓電材料和磁致伸縮材料復合而成的層狀磁電復合材料，利用磁電效應可以實現高靈敏度的磁場探測和感知。此外，為了實現低頻、超低頻磁異常場的探測，最近還提出了磁電聲表面波諧振器(Magnetoelectric Surface Acoustic Wave Resonator，縮寫為MSAWR，以下用縮寫代替)，其工作原理為：選擇具有巨楊氏模量的磁致伸縮金屬襯底，外加磁場會誘導襯底的楊氏模量發生變化，進而引起壓電層的聲表面波相速度發生變化；由于聲表面波諧振器的波速ν、中心頻率f₀、波長λ三者滿足：v＝f₀·λ，從而會引起中心頻率的大幅改變。MSAWR擺脫了磁電效應所固有的電荷/電壓探測模式，沒有1/f噪音，不僅可以實現寬頻磁場的探測，而且具有無線無源功能，可以用于磁場梯度探測。

目前，已經應用及研究的磁聲納探測器件，均是將矢量水聲傳感器與磁傳感器通過機械構架組合來實現磁聲復合探測，或者超磁致聲波換能器等。這些磁聲傳感器件采用機械組合的方式形成，體積大，結構及制備工藝復雜，同時，機械構架耦合水聲傳感器與磁場傳感器，使得磁聲納傳感器的一致性較難保證，也難適應當前器件微型化發展的需要。因此，就水下目標探測需求而言，目前尚缺乏一種可實現聲壓和磁場復合信號探測的高集成化、一致性好、探測靈敏度高、定位精準的傳感器。

發明內容