專利名稱：微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于微納MEMS/NEMS加工技術(shù)與仿生學(xué)原理的微納仿生矢 量水聲傳感器，具體是一種微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
科學(xué)技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)今，人類所創(chuàng)造的技術(shù)裝置日益復(fù)雜和昂貴，體積龐大 而不可靠，不能滿足工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和軍事技術(shù)越來越高的要求，這就迫使
人們?nèi)ふ倚碌募夹g(shù)原理。另一方面，生物在億萬年的進化過程中，通過嚴峻 的自然選擇，并在生物界的競爭中求得生存和發(fā)展，它們練就了一身獨特的本 領(lǐng)，特別是在視覺和聽覺器官上表現(xiàn)得極為發(fā)達，生物界由此形成的一套極為 精確的導(dǎo)航、定位、識別和能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，使許多動物能在極其惡劣的條件下 繁衍生存至今。所以模仿生物體的某些天然奇特本領(lǐng)，有可能創(chuàng)造出意想不到 的新技術(shù)和新成果。
由生物學(xué)理論可知，如圖l-4所示，魚類的聽覺器官除了內(nèi)耳外還有種特 殊的皮膚感覺器官，叫側(cè)線l;埋在皮下的側(cè)線管2上有呈節(jié)狀的神經(jīng)丘感覺 器3。神經(jīng)丘3浸潤在粘液中，不論是水內(nèi)、水外的聲波9、振動波、水流速 度的改變等外力作用于水，都可使水的壓力產(chǎn)生變化，這種壓力通過側(cè)線孔4 進入管2內(nèi)，傳遞于粘液，引起粘液流動，再由粘液傳遞到神經(jīng)丘3，引起感 覺頂5發(fā)生偏斜，感覺頂5內(nèi)的粘液10使可動纖毛6也發(fā)生偏斜，從而使感 覺細胞7獲得刺激，刺激通過感覺神經(jīng)纖維，經(jīng)側(cè)線神經(jīng)8傳遞到延腦。魚類 側(cè)線器官可以感知水壓大小、水流速度、水流方向、水中物體的位置和其它各 種變化，它能感受聲波9。魚類側(cè)線這一特殊聽覺器官為設(shè)計具有定向性的仿 生矢量水聲傳感器提供了原型。
例如專利申請?zhí)枮?00610012991.0的中國發(fā)明專利申請公布了一種"共
振隧穿仿生矢量水聲傳感器"，即是模仿魚類側(cè)線內(nèi)的纖毛與感覺細胞實現(xiàn)的，
如圖5、 6所示，該申請用固定于半導(dǎo)體襯底十字形懸臂梁ll中央的與水的密度 相近或相同的微型柱狀體12模仿可動纖毛6，且以固定在半導(dǎo)體襯底十字形懸 臂梁11上微型柱狀體12周圍的共振隧穿二極管13模仿可動纖毛6周圍的感覺細 胞7，模仿魚類側(cè)線聽覺原理，實現(xiàn)對水下聲波9的探測，同時由于采用微型柱 狀體12的密度與水的密度相近或相同，從而保證了微型柱狀體12與水質(zhì)點同 振，最終通過共振隧穿二極管13測量微型柱狀體12的振速，實現(xiàn)對水下聲信號 的方位、聲壓大小的測量。在該申請中公開了共振隧穿仿生矢量水聲傳感器的 微結(jié)構(gòu)，但其微結(jié)構(gòu)并不能直接置于待測環(huán)境中進行測試，必須采用一定的封 裝結(jié)構(gòu)才可以，即矢量水聲傳感器的性能指標除受其微結(jié)構(gòu)影響外，還會受其 微結(jié)構(gòu)外封裝結(jié)構(gòu)的影響。
而且，隨著微納MEMS/NEMS加工技術(shù)的發(fā)展，尤其是NEMS加工工藝 的成熟，由微納MEMS/NEMS加工技術(shù)加工出的矢量水聲傳感器微結(jié)構(gòu)突破 了常規(guī)矢量水聲傳感器的極限，不但體積小，而且具有靈敏度高、分辨率高、 功耗低、可進行甚低頻檢測等優(yōu)點，倍受國內(nèi)外重視。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了通過封裝結(jié)構(gòu)進一步提高和完善矢量水聲傳感器的性能指標， 基于專利申請?zhí)枮?00610012991.0的中國發(fā)明專利申if"共振隧穿仿生矢量水 聲傳感器"，提供了模仿魚類側(cè)線感覺器官的一種微納仿生矢量水聲傳感器的 封裝結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結(jié) 構(gòu)，包括用于固定微納仿生矢量水聲傳感器的支持體、罩于微納仿生矢量水聲 傳感器外并與支持體密封固定的封裝殼體，封裝殼體內(nèi)注滿有與水密度相同或 相近的絕緣液體，所述封裝殼體為采用高頻低衰減低滲水的聚氮酯灌封材料以 聲學(xué)灌封工藝制成的透聲橡膠帽。所述聲學(xué)灌封工藝是現(xiàn)有公知技術(shù)。
所述絕緣液體采用蓖麻油，通過查閱相關(guān)資料可以確定蓖麻油絕緣，且 與水的密度、波速以及特性阻抗都很接近。
所述支持,分為外部支持體、由絕緣材料制成的用于直接固定微納仿生矢 量水聲傳感器的內(nèi)部支持體，外部支持體分為固定支持體、通過防水接頭與固 定支持體連接固定的引線支持體，引線支持體內(nèi)置與水聲傳感器相連的導(dǎo)線， 內(nèi)部支持體固定于固定支持體上，引線支持體尾端設(shè)有與上述導(dǎo)線連接的引出 電纜。本發(fā)明通過內(nèi)部支持體將水聲傳感器微結(jié)構(gòu)固定在外部支持體上；將外 部支持體以固定支持體和弓I線支持體兩部分設(shè)置，是為了方便水聲傳感器微結(jié) 構(gòu)的封裝；使用時，與水聲傳感器相連的導(dǎo)線穿過引線支持體，最后經(jīng)由引線 支持體尾端的引出電纜引出，與相應(yīng)的信號處理裝置連接即可。甚至可以將水 聲傳感器的相應(yīng)信號處理單元封裝在引線支持體內(nèi)。
所述微納仿生矢量水聲傳感器指釆用現(xiàn)有公知技術(shù)一標準微納加工工藝 加工制成的專利申請?zhí)枮?00610012991.0的中國發(fā)明專利申請"共振隧穿仿生 矢量水聲傳感器"，或其它同類型仿生矢量水聲傳感器。
以共振隧穿仿生矢量水聲傳感器為例，在應(yīng)用本發(fā)明所述封裝結(jié)構(gòu)封裝 后，封裝結(jié)構(gòu)中的透聲橡膠帽、蓖麻油、以及水聲傳感器微結(jié)構(gòu)中的微型柱狀 體、壓阻敏感單元一共振隧穿二極管分別模仿了成魚類側(cè)線神經(jīng)丘感覺器的感 覺頂、感覺頂內(nèi)部的黏液、可動纖毛以及感覺細胞。因此，當(dāng)有水下聲信號作 用于水聲傳感器封裝結(jié)構(gòu)的"感覺頂"一透聲橡膠帽時，透聲橡膠帽將會通過 "黏液"一蓖麻油把相應(yīng)的聲音信號傳遞給水聲傳感器的"可動纖毛" 一微型 柱狀體，微型柱狀體與其所處位置的介質(zhì)質(zhì)點同振，使十字形懸臂梁的四梁產(chǎn) 生應(yīng)力變化，從而將感受到的聲信號傳遞給"感覺細胞" 一共振隧穿二極管， 四梁端部的共振隧穿二極管參數(shù)值會發(fā)生變化，然后通過相應(yīng)的信號檢測單元 對共振隧穿二極管參數(shù)值的變化量進行檢測，即可實現(xiàn)水下、水平面內(nèi)聲信號 的矢量探測。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用高頻低衰減低滲水的聚氨脂灌封材料制作成 透聲橡膠帽對水聲傳感器微結(jié)構(gòu)進行封裝，并在透聲橡膠帽內(nèi)注滿與水密度接 近而又絕緣的蓖麻油；透聲橡膠帽可以很好的解決耐水、耐壓等問題，實現(xiàn)對 水聲傳感器微結(jié)構(gòu)的水下保護，同時又不會影響聲波的傳輸，進而聲波在蓖麻 油的傳導(dǎo)下，使水聲傳感器微結(jié)構(gòu)的感知元件與其周圍介質(zhì)質(zhì)點同振，最終通 過測量水聲傳感器微結(jié)構(gòu)感知元件的振動信息，對水下聲信號的方位、聲壓大 小的測量，實現(xiàn)了進一步提高和完善矢量水聲傳感器性能指標的目的。本發(fā)明 將仿生結(jié)構(gòu)應(yīng)用到了聲學(xué)探測傳感器的封裝結(jié)構(gòu)上，將仿生學(xué)和微納加工技術(shù) 相結(jié)合，突破了現(xiàn)有矢量水聲傳感器性能極限，將聲納研究向仿生器件滲透， 無疑為聲納研究開創(chuàng)新的一頁。
本發(fā)明所述封裝結(jié)構(gòu)根據(jù)仿生學(xué)原理設(shè)計，結(jié)構(gòu)合理，在保護水聲傳感器 微結(jié)構(gòu)的同時，不會影響和妨礙水聲傳感器微結(jié)構(gòu)對聲信號的檢測，達到了進 一步提高和完善矢量水聲傳感器性能指標的目的。


圖l為魚類的側(cè)線位置圖； 圖2為魚類側(cè)線的結(jié)構(gòu)圖3為魚類側(cè)線中神經(jīng)丘感覺器的結(jié)構(gòu)圖； 圖4為魚類側(cè)線器官的感覺傳導(dǎo)途徑圖5為微納仿生矢量水聲傳感器微結(jié)構(gòu)的三維示意圖； 圖6為微納仿生矢量水聲傳感器微結(jié)構(gòu)的實物圖7為微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結(jié)構(gòu)與魚類側(cè)線中神經(jīng)丘感覺器生
物結(jié)構(gòu)的對比圖8為本發(fā)明所述封裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖9為應(yīng)用本發(fā)明所述封裝結(jié)構(gòu)的微納仿生矢量水聲傳感器的信號傳導(dǎo)途 徑圖10為應(yīng)用本發(fā)明所述封裝結(jié)構(gòu)的微納仿生矢量水聲傳感器的模型樣機 實物圖ll為應(yīng)用本發(fā)明所述封裝結(jié)構(gòu)的微納仿生矢量水聲傳感器的頻響曲線
圖12為應(yīng)用本發(fā)明所述封裝結(jié)構(gòu)的微納仿生矢量水聲傳感器的指向性圖； 圖中l(wèi)-側(cè)線；2-側(cè)線管；3-神經(jīng)丘感覺器；4-側(cè)線孔；5-感覺頂；6-可動 纖毛；7-感覺細胞；8-側(cè)線神經(jīng)；9-聲波；lO-粘液；ll-十字形懸臂梁；12-微 型柱狀體；13-共振隧穿二極管；14-透聲橡膠帽；15-蓖麻油；16-內(nèi)部支持體； 17-固定支持體；18-防水接頭；19-引線支持體；20-引出電纜。
具體實施例方式
如圖8、 IO所示，微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結(jié)構(gòu)，包括用于固定微 納仿生矢量水聲傳感器的支持體、罩于微納仿生矢量水聲傳感器外并與支持體 密封固定的封裝殼體，封裝殼體內(nèi)注滿有與水密度接近的絕緣液體，所述封裝 殼體為采用高頻低衰減低滲水的聚氨酯灌封材料以聲學(xué)灌封工藝制成的透聲 橡膠帽14。所述絕緣液體采用蓖麻油15;所述支持體分為外部支持體、由絕緣 材料制成的用于直接固定微納仿生矢量水聲傳感器的內(nèi)部支持體16，外部支持 體分為固定支持體17、通過防水接頭18與固定支持體17連接固定的引線支持體 19，引線支持體19內(nèi)置與水聲傳感器相連的導(dǎo)線，內(nèi)部支持體16固定于固定支 持體17上，引線支持體19尾端設(shè)有與上述導(dǎo)線連接的引出電纜20。
以共振隧穿仿生矢量水聲傳感器為例，如圖7所示，在應(yīng)用本發(fā)明所述封 裝結(jié)構(gòu)封裝后，封裝結(jié)構(gòu)中的透聲橡膠帽14、蓖麻油15、以及水聲傳感器微結(jié) 構(gòu)中的微型柱狀體12、壓阻敏感單元一共振隧穿二極管13分別模仿了成魚類側(cè) 線神經(jīng)丘感覺器3的感覺頂5、感覺頂5內(nèi)部的黏液10、可動纖毛6以及感覺細胞 7。因此，如圖9所示，當(dāng)有水下聲波9作用于水聲傳感器封裝結(jié)構(gòu)的"感覺頂" 一透聲橡膠帽14時，透聲橡膠帽14將會通過"黏液" 一蓖麻油15把相應(yīng)的聲音
信號傳遞給水聲傳感器的"可動纖毛"一微型柱狀體12，微型柱狀體12與其所 處位置的介質(zhì)質(zhì)點同振，使十字形懸臂梁ll的四梁產(chǎn)生應(yīng)力變化，從而將感受 到的聲信號傳遞給"感覺細胞" 一共振隧穿二極管13，四梁端部的共振隧穿二 極管13參數(shù)值會發(fā)生變化，然后通過相應(yīng)的信號檢測單元對共振隧穿二極管13 參數(shù)值的變化量進行檢測，即可實現(xiàn)水下、水平面內(nèi)聲信號的矢量探測。
具體實施時，內(nèi)部支持體16采用具有良好絕緣特性的合成橡膠制成；外部 支持體采用鋁合金材料制成，該材料不但具有良好的耐腐蝕特性，而且不易沾 染污垢，適合水底下的長期測試。
利用國防水聲一級計量站的測量裝置對采用本發(fā)明所述封裝結(jié)構(gòu)的微納 仿生矢量水聲傳感器進行了校準實驗，通過實驗驗證了利用本發(fā)明所述封裝結(jié) 構(gòu)封裝的微納仿生矢量水聲傳感器極具可行性，驗證的具體結(jié)果見圖ll、圖12。
權(quán)利要求
1、一種微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于包括用于固定微納仿生矢量水聲傳感器的支持體、罩于微納仿生矢量水聲傳感器外并與支持體密封固定的封裝殼體，封裝殼體內(nèi)注滿有與水密度接近的絕緣液體，所述封裝殼體為采用高頻低衰減低滲水的聚氨酯灌封材料以聲學(xué)灌封工藝制成的透聲橡膠帽(14)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在 于所述絕緣液體采用蓖麻油(15)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在 于所述支持體分為外部支持體、由絕緣材料制成的用于直接固定微納仿生矢 量水聲傳感器的內(nèi)部支持體(16)，外部支持體分為固定支持體(17)、通過防水接頭(18)與固定支持體(17)連接固定的引線支持體(19)，引線支持體 (19)內(nèi)置與水聲傳感器相連的導(dǎo)線，內(nèi)部支持體(16)固定于固定支持體(17) 上，引線支持體(19)尾端設(shè)有與上述導(dǎo)線連接的引出電纜(20)。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于微納MEMS/NEMS加工技術(shù)與仿生學(xué)原理的微納仿生矢量水聲傳感器，具體是一種微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結(jié)構(gòu)。通過封裝結(jié)構(gòu)進一步提高和完善了矢量水聲傳感器的性能指標，該封裝結(jié)構(gòu)包括用于固定微納仿生矢量水聲傳感器的支持體、罩于微納仿生矢量水聲傳感器外并與支持體密封固定的封裝殼體，封裝殼體內(nèi)注滿有與水密度相同或相近的絕緣液體，所述封裝殼體為采用高頻低衰減低滲水的聚氨酯灌封材料以聲學(xué)灌封工藝制成的透聲橡膠帽。根據(jù)仿生學(xué)原理設(shè)計，結(jié)構(gòu)合理，在保護水聲傳感器微結(jié)構(gòu)的同時，不會影響和妨礙水聲傳感器微結(jié)構(gòu)對聲信號的檢測，達到了進一步提高和完善矢量水聲傳感器性能指標的目的。
文檔編號G01S7/521GK101354283SQ20081007937
公開日2009年1月28日 申請日期2008年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月8日
發(fā)明者張國軍, 張開銳, 張文棟, 張斌珍, 熊繼軍, 薛晨陽, 尚 陳 申請人:中北大學(xué)