[發明專利]一種小型化MEMS電容式復合同振型矢量水聽器

在審

• 申請號: 202010692654.0
• 申請日: 2020-07-17
• 公開（公告）號: CN111735531A
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發明（設計）人: 張松;王大宇;董自強;張曉桐;苗峻
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第五十四研究所
• 主分類號: G01H11/06
• 分類號: G01H11/06
• 代理公司: 河北東尚律師事務所 13124
• 代理人: 王文慶

本發明公開了一種小型化MEMS電容式復合同振型矢量水聽器，屬于水聲信號探測技術領域，其包含MEMS電容式加速度計、固定芯子、垂直懸掛桿、壓電陶瓷環、透聲密封殼體、圓錐螺旋彈簧；MEMS電容式加速度傳感器正交安裝在固定芯子中；垂直懸掛桿貫穿整個固定芯子；壓電陶瓷環套在固定芯子外部；所述透聲密封殼體通過灌封工藝覆蓋在壓電陶瓷環的外部。圓錐螺旋彈簧與垂直懸掛桿連接，將水聽器懸掛在固定支架上使用。本發明縮小水聽器體積同時，能夠檢測水下相同位置的聲壓信號和振速信號，提高信號檢測的準確性，結構簡單，一致性好，可靠性高。

技術領域

本發明涉及到水聲信號探測技術領域，特別涉及一種小型化MEMS電容式復合同振型矢量水聽器。

背景技術

傳統的標量水聽器，也稱為聲壓水聽器，一般采用壓電陶瓷等材料制備，具有多種形狀和尺寸，多用作標準水聽器使用，但只能測量聲場中的標量參數。

傳統的同振式矢量水聽器內部核心感知元件為振動傳感器。國內外的水聽器加工中使用較多的振動傳感器多為基于壓電原理的加速度或速度傳感器。這種傳統型壓電矢量水聽器體積大，重量重，后端需要復雜的處理電路，并且受傳統加工工藝限制，一致性較差，不易于實現多平臺搭載，已不能滿足目前水聲探測小型化多平臺化的發展需求。

隨著微機電技術的發展，將基于MEMS技術的半導體器件與傳統水聲領域相結合的MEMS水聽器，具有噪聲低，靈敏度高，一致性好等優點，并且能夠與后端ASIC電路高度集成，大大縮小了水聽器的體積和重量，減少了對原輻射聲場的影響，使檢測結果更加準確。目前的MEMS同振型矢量水聽器有壓阻式、壓電式和電容式三種。壓阻式和壓電式水聽器一般靈敏度較低，熱噪聲較大，容易受到溫度影響。而MEMS電容式水聽器具有檢測精度高、靈敏度高和穩定性高的優點，配合閉環反饋電路還能夠有效的拓寬頻帶寬度。

在公開號為CN1776390A的專利中公開了“電容式同振矢量水聽器及其工藝”，該矢量水聽器采用硅微加速度傳感器作為敏感元件，但不具備標量聲壓探測能力；在公開號為CN208795359U的專利中公開了“二維同振型矢量水聽器”，雖然這種結構在能夠實現聲壓和振速復合信息探測，但是又存在如下問題：1)振速感知元件和聲壓感知元件垂直布放，導致尺寸較大。2)振速感知元件和聲壓感知元件不同心，無法準確獲取聲場信息。3)懸掛結構較為復雜，需要八根彈簧支撐。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種小型化MEMS電容式復合同振型矢量水聽器。該水聽器能夠檢測水下相同位置的聲壓信號和振速信號，不僅提高了信號檢測的準確性，而且結構簡單，一致性好，可靠性高，能夠滿足水下低頻率檢測的需求。

為了實現上述目的，本發明所采取的技術方案為：

一種小型化MEMS電容式復合同振型矢量水聽器，包括水聽器主體和懸架，其水聽器主體包括壓電陶瓷環和壓電陶瓷環外表面覆蓋灌裝的透聲密封殼體；壓電陶瓷環通過線纜與外部連接；所述水聽器主體還包括固定芯子和至少兩個MEMS電容式加速度計；所述壓電陶瓷環的頂部和底部均覆蓋有泡沫蓋板，所述固定芯子位于壓電陶瓷環內部，所述MEMS電容式加速度計均豎直設于固定芯子的側壁上，且相鄰的MEMS電容式加速度計相互垂直并且兩者中心位于同一高度；MEMS電容式加速度計通過穿透泡沫蓋板和透聲密封殼體的線纜與外部連接。

進一步的，所述水聽器主體還包括垂直懸掛桿，垂直懸掛桿穿過透聲密封殼體、泡沫蓋板和固定芯子，且垂直懸掛桿的兩端均露出于透聲密封殼體外；所述垂直懸掛桿的端部均設有通孔，且兩端的通孔成正交關系。

進一步的，所述固定芯子為圓柱體，垂直懸掛桿穿過圓柱體的中心線；MEMS電容式加速度計嵌在圓柱體的側壁上。

進一步的，所述壓電陶瓷環的中心線和固定芯子的中心線重合。

進一步的，所述MEMS電容式加速度計為四個，間隔設置的MEMS電容式加速度計呈鏡像對稱。