CN105067100A - 中性浮力式mems矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种中性浮力式MEMS矢量水听器，该水听器极大地提高了纳机电矢量水听器的探测水里微弱声源信号的能力。本发明包括不锈钢电路管壳、缩颈管壳、固定圆盘、带凸台的绝缘环形托盘，凸台上安装有圆形PCB板和探测芯片，探测芯片包括四梁微结构、敏感柱体和浮力球，绝缘环形托盘上开设有密封螺孔和信号螺孔，绝缘环形托盘上固接有内充硅油的透声帽，透声帽由乳胶-超弹性材料构成，透声帽内还支设有支撑架。该中性浮力式纳机电矢量水听器，在不影响水听器频带的情况下，极大提高纳机电矢量水听器的灵敏度、指向性的凹点深度，为水听器的应用和发展提供了良好的前景。

Description

中性浮力式MEMS矢量水听器

技术领域

本发明涉及MEMS传感器领域中的矢量水听器，具体是一种高灵敏度的中性浮力式纳机电矢量水听器。

背景技术

随着水声技术的不断发展，在低频，小角度变化中获得空间增益，以及精确的给出水下目标的方位信息，矢量水听器成为一种必然的选择。由于水声探测环境的复杂性，所以MEMS矢量水听器的应用效果与很多因素密切相关，其中高灵敏度能对于它的应用效果具有重要的影响。

目前，MEMS水听器的技术已趋于成熟，但现有的微结构对水声信号的拾取能力不够，导致微结构灵敏度低，而且以往的聚氨脂透声帽的固有振动特性耦合作用于敏感检测微结构上，造成该水听器在低频段的灵敏度和频率响应不理想。

如专利号为200910073993.4的中国发明专利公开的“微机电矢量水听器”，此MEMS矢量水听器为目前灵敏度能最好的MEMS矢量水听器，但在水声环境中，该水听器对微弱信号的探测能力还是不够，需要从结构本身出发提高对灵敏度的探测，提高声电换能结构对微弱信号的敏感能力和转换能力。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有水听器灵敏度低、频率响应波动大等问题，而提供一种中性浮力式MEMS矢量水听器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种中性浮力式MEMS矢量水听器，包括内置信号处理电路板的不锈钢电路管壳，不锈钢电路管壳顶部延设有内置导线的缩颈管壳、底部管口插接有连接电缆的堵头，缩颈管壳内的导线与不锈钢电路管壳内的信号处理电路板的输入端连接，同时信号处理电路板的输出端通过导线与堵头上的电缆连接；缩颈管壳的顶部固接有开设中心通孔的固定圆盘，固定圆盘上开设有安装槽，安装槽内通过聚氨酯无缝隙地粘接安装有绝缘环形托盘，绝缘环形托盘上设有凸台，绝缘环形托盘上靠近边缘的位置设有环形卡槽，绝缘环形托盘上以其圆心为对称中心均匀开设有八个贯穿绝缘环形托盘及凸台的螺孔，其中任意两个螺孔为注油螺孔、剩余六个螺孔为信号螺孔，注油螺孔内安装有密封螺钉(密封螺钉起密封作用)、信号螺孔内安装有镀镍螺钉，并且各镀镍螺钉与缩颈管壳内的导线连接(镀镍螺钉不仅起到密封的作用，而且还起到传递数据的作用)；绝缘环形托盘上的凸台上安装有圆形PCB板(圆形PCB板即印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，简称印制板，以绝缘板为基材，切成一定尺寸，其上至少附有一个导电图形，并布有孔<如元件孔、紧固孔、金属化孔等>，用来代替以往装置电子元器件的底盘，并实现电子元器件之间的相互连接)，圆形PCB板上正对绝缘环形托盘上八个螺孔的位置同样开设有八个螺孔，并且圆形PCB板通过密封螺钉和镀镍螺钉固定于绝缘环形托盘的凸台上，圆形PCB板的中心处安装有水听器探测芯片(即：粘结敏感柱体的四梁微结构)；绝缘环形托盘上固接有厚度为0.1mm的透声帽，透声帽由乳胶-超弹性材料制成，该材料具有超强的透声性能，且赖磨、抗压，所述的透声帽包括空心圆柱体，空心柱体底部敞口、顶部由空心半球体封口，空心柱体底部的敞口端通过聚氨酯无缝隙地粘接在绝缘环形托盘的环形卡槽内；透声帽内还设有支撑架，所述的支撑架包括四个呈米字形交叉连接的U形架(四个U形架的交叉点位于U形架的弧形中心处，四个交叉的U形架俯视为一个米字型)，四个U形架的八个端部共同固定在一个连接环上，连接环螺纹连接在绝缘环形托盘的凸台上，支撑架的整体尺寸形状与透声帽内表面尺寸形状完全相同，且二者之间无缝隙的紧密结合；透声帽内充满硅油，不锈钢电路管壳、缩颈管壳、固定圆盘、绝缘环形托盘、凸台、水听器探测芯片、透声帽和支撑架均位于同一轴线上；所述的水听器探测芯片在其敏感柱体上套固有浮力球，所述的浮力球是采用低密度的PVC材料制作而成的实心球体，其密度远比硅油的密度小，并包裹固定在敏感柱体的中部，浮力球保证敏感柱体在硅油中形成中性浮力，其振动速度幅值V与敏感柱体几何中心处水质点的振动速度幅值V₀相同，这是具有中性浮力的水下加速度计设计的基本理论依据。

声学理论的研究表明，浸在水中的刚性运动柱体的振速为^[11-13]：

其中，v_x是刚硬柱体的振速幅值，F_x是x方向上作用在柱体上的力，Z_m是接收***的机械阻抗，Z_s是二次辐射的辐射阻抗，a为柱体半径，P(a,φ)是柱面上任意一点处(a,φ)的声压，k＝ω/c是波数，P₀是入射波声压幅值，ρ₀是周围流体介质的密度。

由于柱函数的性质为：

其中，J_m(x)是m阶贝塞尔函数，H_m(x)是汉克尔函数。

所以，公式1可以简化为：

如若柱体的尺寸小于远小于声波波长(ka<<1)时，式3可以简化为：

所以，在声波的作用下，刚性柱体做***时，它的振动速度幅值与周围水质点振动的幅值具有如下的关系：

其中，v₀是周围水质点的振速幅值,ρ_c为刚硬柱体的密度。

MEMS矢量水听器的微结构中，包括两部分：四梁微结构和纤毛柱体。现阶段纤毛采用的是光纤，该材料的属性如表1所示。该材料的刚度好，很适合作为纤毛，但是其密度比水密度大，这会影响到其对水声信号的拾取能力。光纤的密度大于水，形成负浮力，使得柱体的振动幅值小于声波的振速幅值。

表1纤毛各种材料属性

为了提高刚硬柱体拾取声信号能力，我们引入了中性浮力，也就是在柱体上包裹低密度复合材料(我们称之为中性浮力球)，使得柱体的平均密度接近于水的密度。这样水听器的相位与声波的也是接近的。

所述的固定圆盘的外径为39mm、高为5mm，其上的安装槽直径为35mm；所述的绝缘环形托盘的直径为35mm、高9mm，其上的环形卡槽宽为6mm、深为1mm，其上的凸台直径为20mm、高为4mm；所述的支撑架上的连接环内径20mm，外径25mm；透声帽的直径25mm、高27mm；所述的水听器探测芯片中，敏感柱体的半径为150μm、高度为5000μm，底部硅的外边框边长为5700μm、内边框边长为2000μm、厚度为800μm，悬臂梁长度为800μm，中央方框边长为400μm。浮力球的直径为4000μm。

最后，可以得到浮力球的直径为4000μm。频率若是20-500Hz，则ka约为0.17×10^-3到4.3×10^-3，满足ka<<1。该结构在之前微结构的基础上进行制备，首先完成四梁微结构的加工，然后精密成型加工出敏感柱体和浮力球，接着把浮力球固定于敏感柱体中部，最后把敏感柱体粘结在四梁微结构上。中性浮力微结构的如图2所示。

使用时，当水声信号传递到水听器时，通过透声帽、硅油传递到敏感柱体上，乳胶透声帽和硅油具有很好的透声性能，保证水声信号在几乎没有损失的情况下，传递到敏感柱体上，敏感柱体接受到水声信号之后摆动。敏感柱体的密度大于硅油。在柱体上包裹低密度复合材料浮力球，使得微结构呈现中性浮力，能够使得四梁微结构振动速度幅值V与敏感柱体几何中心处水质点的振动速度幅值V₀相同，更好地拾取声信号。

加入浮力球后，该结构与流体介质的接触面积加大。通过计算，接触面积的增大了约15.4倍，敏感柱体上的受力随之增大，也就增大了力矩M，整个悬臂梁上的应力随之加大。据此，悬臂梁上的应力提高了约15.4倍，如图5所示，从而水听器的灵敏度的提高15.4倍，从理论上得出具有中性浮力微结构的水听器的灵敏度比之前水听器的灵敏度高23.8dB。测试结果如图6和7所示，可以看出该水听器的灵敏度可到-175dB，提高了23dB，具有良好的“8”字指向性，凹点深度达到了48.8dB。为了进一步验证其可靠性，将在外场测试其灵敏度。实验方案如图8，采用的标准水听器的灵敏度是-170dB。水深为6米，***声源与水听器之间的距离为6米。测试现场图如图9所示，标准水听器和中性浮力式纳机电矢量水听器的电压输出用NI采集***存储。我们测试出的两只水听器的电压信号如图10所示。我们对电压信号用Bartlett法进行傅里叶变化，在数据处理时选取Boxcar窗，其窗口的长度为2048。最后得到两个水听器的功率谱密度，如图9所示。比较两只水听器的功率谱密度，然后估计出中性浮力式纳机电水听器的接收灵敏度，如图11所示。结果表明，中性浮力式MEMS纳机电矢量水听器的灵敏度为-175.9Hz，工作频率范围是：20-500Hz，频率响应曲线的起伏范围是±1.5dB。

本发明的有益效果有：

1)本发明中的中性浮力球部分关键工艺，包裹低密度复合材料的方法简单，易于实现，使得水听器的敏感微结构拾取声信号的能力极大的提高，同时，本发明从根本上改变了现有敏感微结构对声信号的敏感能力，是芯片结构的优化的一个突破和创新，为水听器的进一步研究奠定了基础。

2)本发明中的透声帽采用乳胶透声帽，该透声帽厚度为0.1mm,透声性能好，耐压，如果透声橡胶的厚度L远小于波长时，声音穿过乳胶透声帽的几乎没有衰减，水听器的灵敏度应与未封装裸芯片的灵敏度一致。

3)本发明中性浮力式纳机电矢量水听器，在不影响水听器频带的情况下，极大提高纳机电矢量水听器的灵敏度、指向性的凹点深度，为水听器的应用和发展提供了良好的前景。

4)本发明的加工成本简单，易于制作，适用于批量化制造。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中水听器探测芯片的结构示意图。

图3为本发明中支撑架的结构示意图。

图4为图3的俯视图。

图5为微结构应力比较图。

图6为水听器灵敏度。

图7为水听器指向性图。

图8为测试示意图。

图9为标量和矢量水听器的输出电压信号。

图10为标量和矢量水听器的功率谱密度。

图11为水听器灵敏度外场测试曲线。

图中：1-信号处理电路板、2-不锈钢电路管壳、3-导线、4-缩颈管壳、5-电缆、6-堵头、7-固定圆盘、8-安装槽、9-绝缘环形托盘、10-凸台、11-环形卡槽、12-密封螺钉、13-镀镍螺钉、14-圆形PCB板、15-水听器探测芯片、16-透声帽、17-支撑架、17-1-U形架、17-2-连接环、18-螺孔、19-浮力球。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的描述：

如图1至图4所示，一种中性浮力式纳机电矢量水听器，包括内置信号处理电路板1的不锈钢电路管壳2，不锈钢电路管壳2顶部延设有内置导线3的缩颈管壳4、底部管口插接有连接电缆5的堵头6，缩颈管壳4内的导线3与不锈钢电路管壳2内的信号处理电路板1的输入端连接，同时信号处理电路板1的输出端通过导线3与堵头6上的电缆5连接；缩颈管壳4的顶部固接有开设中心通孔的固定圆盘7，固定圆盘7上开设有安装槽8，安装槽8内通过聚氨酯无缝隙地粘接安装有绝缘环形托盘9，绝缘环形托盘9上设有凸台10，绝缘环形托盘9上靠近边缘的位置设有环形卡槽11，绝缘环形托盘9上以其圆心为对称中心均匀开设有八个贯穿绝缘环形托盘9及凸台10的螺孔18，其中任意两个螺孔18为注油螺孔、剩余六个螺孔18为信号螺孔，注油螺孔内安装有密封螺钉12、信号螺孔内安装有镀镍螺钉13，并且各镀镍螺钉13与缩颈管壳4内的导线3连接；绝缘环形托盘9上的凸台10上安装有圆形PCB板14，圆形PCB板14上正对绝缘环形托盘9上八个螺孔18的位置同样开设有八个螺孔18，并且圆形PCB板14通过密封螺钉12和镀镍螺钉13固定于绝缘环形托盘9的凸台10上，圆形PCB板14的中心处安装有水听器探测芯片15；绝缘环形托盘9上固接有厚度为0.1mm的透声帽16，所述的透声帽16包括空心圆柱体，空心柱体底部敞口、顶部由空心半球体封口，空心柱体底部的敞口端通过聚氨酯无缝隙地粘接在绝缘环形托盘9的环形卡槽11内；透声帽16内还设有支撑架17，所述的支撑架17包括四个呈米字形交叉连接的U形架17-1，四个U形架17-1的八个端部共同固定在一个连接环17-2上，连接环17-2螺纹连接在绝缘环形托盘9的凸台10上，支撑架17的整体尺寸形状与透声帽16内表面尺寸形状完全相同，且二者之间无缝隙的紧密结合；透声帽16内充满硅油，不锈钢电路管壳2、缩颈管壳4、固定圆盘7、绝缘环形托盘9、凸台10、水听器探测芯片15、透声帽16和支撑架17均位于同一轴线上；所述的水听器探测芯片15在其敏感柱体上套固有浮力球19，所述的浮力球19是采用PVC材料制作而成的实心球体，并包裹固定在敏感柱体的中部，浮力球19保证敏感柱体在硅油中形成中性浮力。

具体实施时，所述的固定圆盘7的外径为39mm、高为5mm，其上的安装槽8直径为35mm；所述的绝缘环形托盘9的直径为35mm、高9mm，其上的环形卡槽11宽为6mm、深为1mm，其上的凸台10直径为20mm、高为4mm；所述的支撑架17上的连接环17-2内径20mm，外径25mm；透声帽16的直径25mm、高27mm；所述的水听器探测芯片15中，敏感柱体的半径为150μm、高度为5000μm，底部硅的外边框边长为5700μm、内边框边长为2000μm、厚度为800μm，悬臂梁长度为800μm，中央方框边长为400μm；浮力球19的直径为4000μm。

Claims (2)

1.一种中性浮力式MEMS矢量水听器，包括内置信号处理电路板（1）的不锈钢电路管壳（2），不锈钢电路管壳（2）顶部延设有内置导线（3）的缩颈管壳（4）、底部管口插接有连接电缆（5）的堵头（6），缩颈管壳（4）内的导线（3）与不锈钢电路管壳（2）内的信号处理电路板（1）的输入端连接，同时信号处理电路板（1）的输出端通过导线（3）与堵头（6）上的电缆（5）连接；缩颈管壳（4）的顶部固接有开设中心通孔的固定圆盘（7），固定圆盘（7）上开设有安装槽（8），安装槽（8）内通过聚氨酯无缝隙地粘接安装有绝缘环形托盘（9），绝缘环形托盘（9）上设有凸台（10），绝缘环形托盘（9）上靠近边缘的位置设有环形卡槽（11），绝缘环形托盘（9）上以其圆心为对称中心均匀开设有八个贯穿绝缘环形托盘（9）及凸台（10）的螺孔（18），其中任意两个螺孔（18）为注油螺孔、剩余六个螺孔（18）为信号螺孔，注油螺孔内安装有密封螺钉（12）、信号螺孔内安装有镀镍螺钉（13），并且各镀镍螺钉（13）与缩颈管壳（4）内的导线（3）连接；绝缘环形托盘（9）上的凸台（10）上安装有圆形PCB板（14），圆形PCB板（14）上正对绝缘环形托盘（9）上八个螺孔（18）的位置同样开设有八个螺孔（18），并且圆形PCB板（14）通过密封螺钉（12）和镀镍螺钉（13）固定于绝缘环形托盘（9）的凸台（10）上，圆形PCB板（14）的中心处安装有水听器探测芯片（15）；绝缘环形托盘（9）上固接有厚度为0.1mm的透声帽（16），所述的透声帽（16）包括空心圆柱体，空心柱体底部敞口、顶部由空心半球体封口，空心柱体底部的敞口端通过聚氨酯无缝隙地粘接在绝缘环形托盘（9）的环形卡槽（11）内；透声帽（16）内还设有支撑架（17），所述的支撑架（17）包括四个呈米字形交叉连接的U形架（17-1），四个U形架（17-1）的八个端部共同固定在一个连接环（17-2）上，连接环（17-2）螺纹连接在绝缘环形托盘（9）的凸台（10）上，支撑架（17）的整体尺寸形状与透声帽（16）内表面尺寸形状完全相同，且二者之间无缝隙的紧密结合；透声帽（16）内充满硅油，不锈钢电路管壳（2）、缩颈管壳（4）、固定圆盘（7）、绝缘环形托盘（9）、凸台（10）、水听器探测芯片（15）、透声帽（16）和支撑架（17）均位于同一轴线上；其特征在于：所述的水听器探测芯片（15）在其敏感柱体上套固有浮力球（19），所述的浮力球（19）是采用PVC材料制作而成的实心球体，并包裹固定在敏感柱体的中部，浮力球（19）保证敏感柱体在硅油中形成中性浮力。

2.根据权利要求1所述的中性浮力式MEMS矢量水听器，其特征在于：所述的固定圆盘（7）的外径为39mm、高为5mm，其上的安装槽（8）直径为35mm；所述的绝缘环形托盘（9）的直径为35mm、高9mm，其上的环形卡槽（11）宽为6mm、深为1mm，其上的凸台（10）直径为20mm、高为4mm；所述的支撑架（17）上的连接环（17-2）内径20mm，外径25mm；透声帽（16）的直径25mm、高27mm；浮力球的直径（19）为4000μm。