專利名稱：雙層結(jié)構(gòu)的硅微電容式三維矢量-相位接收器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種水聽器，具體地說是一種基于雙層結(jié)構(gòu)的硅微電容式加 速度傳感器的三維矢量-相位接收器。(二) 背景技術(shù)矢量-相位接收器內(nèi)部一般包含用來測量標(biāo)量(聲壓)的傳感器和測量矢量 (振動加速度、速度等)的傳感器，兩種傳感器被包裝為一體，且具有同一聲中 心，這樣就可以同時共點地測量聲場測點處的標(biāo)量和矢量信息。當(dāng)利用矢量-相 位接收器研究聲場的能量流特性時，不僅利用矢量-相位接收器提供的標(biāo)量和矢 量的幅度信息，還要利用它所提供的標(biāo)量與矢量之間的相位差信息。矢量-相位 接收器本身具有余弦指向性，這是它的優(yōu)勢所在，而且工作頻率越低，這種優(yōu)勢 越明顯。因此，矢量-相位接收器在水聲技術(shù)領(lǐng)域，在低聲頻和次聲頻段適用性 更強。由于在海水介質(zhì)中，聲波頻率越低，傳播距離越遠(yuǎn)，這就使得低頻矢量-相位接收器在水聲測量中占據(jù)了相當(dāng)重要的地位。在專利申請?zhí)枮?00510127318. 7，名稱為"電容式同振矢量水聽器及其工 藝"的專利文件中，雖然公開了一種一維柱狀硅微電容式矢量水聽器，但它只能 測量聲場中振動信號的一維信息，而且還不能測量聲場的標(biāo)量信息，同時體積也 偏大。2007年中北大學(xué)碩士學(xué)位論文"MEMS仿生矢量水聲傳感器設(shè)計及其工藝 研究"公開了一種基于MEMS加工工藝的矢量水聲傳感器，但它是基于壓阻式工 作原理，而且也不能測量聲場的標(biāo)量信息。1996年American Institute of Physics的文獻(xiàn)"A Microfabricated Electron-Tunneling Accelerometrs as a Directional Underwater Acoustic Sensor，， 中公開了——禾中球形的7尺下聲傳感 器，它是以電子隧道效應(yīng)為基礎(chǔ)，況且只能測量質(zhì)點振動信號的二維信息，也不 能測量水下質(zhì)點的聲壓信息，而它的內(nèi)部不是實心結(jié)構(gòu)。(三) 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種能提高在5—1000Hz的工作頻帶內(nèi)矢量通道的 靈敏度，體積小的雙層結(jié)構(gòu)的硅微電容式三維矢量-相位接收器。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的它包括由透聲材料制成的外殼，在外殼中設(shè)置有硅微電容式三維加速度傳感 器、連接體以及壓電圓環(huán)，所述硅微電容式三維加速度傳感器有兩片，兩片硅微 電容式三維加速度傳感器沿垂直方向剛性連接在連接體的兩端，一個壓電圓環(huán)罩 在連接體外，壓電圓環(huán)的外壁與外殼的內(nèi)壁緊密接觸，外殼內(nèi)灌注低密度復(fù)合材 料構(gòu)成實心體，在低密度復(fù)合材料和外殼中布置有隱藏式懸掛機構(gòu)，兩片硅微電 容式三維加速度傳感器的輸出線、壓電圓環(huán)的輸出線與輸出電纜連接。本發(fā)明還可以包括1 、所述兩片硅微電容式三維加速度傳感器沿垂直方向剛性連接在連接體的 兩端是指兩片硅微電容式三維加速度傳感器沿垂直方向分別放置連接體的上下 兩層，兩片硅微電容式三維加速度傳感器的三個軸向相互反向，即分別指向+x、 +Z、 +Y、 _X、 _Z、 -Y六個坐標(biāo)方向。2、 所述實心體是實心橢球體。3、 所述隱藏式懸掛機構(gòu)有八個，均勻分布在橢球體兩端的外表面內(nèi)。 本發(fā)明提出了一種基于雙層結(jié)構(gòu)的硅微電容式加速度傳感器的三維矢量-相位接收器，設(shè)計中采用了兩片硅微電容式加速度傳感器作為矢量-相位接收器的 矢量接收通道，和一個壓電圓環(huán)作為矢量-相位接收器的標(biāo)量接收通道，可以滿 足矢量-相位接收器的設(shè)計要求。由于采用了兩片三維加速度傳感器輸出反方向連接方式，可以保證矢量-相位接收器矢量通道的靈敏度提高6dB;還由于采用了壓電圓環(huán)，矢量-相位接收器可同時接收聲場的標(biāo)量信息。同時采用了隱藏式 懸掛機構(gòu)，使矢量-相位接收器的工程使用更加方便、適用范圍更加廣泛。因此， 本發(fā)明提出的矢量-相位接收器在水聲工程應(yīng)用中具有很好的應(yīng)用前景。本發(fā)明 的基于雙層結(jié)構(gòu)的硅微電容式加速度傳感器的三維矢量-相位接收器是在同振球 形和柱形矢量水聽器的理論基礎(chǔ)上，采用兩片硅微電容式三維加速度傳感器作為 矢量-相位接收器的矢量接收通道，提高了矢量通道的靈敏度。本發(fā)明的理論基礎(chǔ)是同振球形和柱形矢量水聽器設(shè)計的理論，即矢量-相位 接收器是將慣性式敏感元件(如振動傳感器等)封裝于球形或柱形體內(nèi)而成。其 工作原理是基于剛硬球或圓柱體在聲場作用下做振蕩運動的特性，聲學(xué)理論早已證明，當(dāng)剛性球或柱體的波尺寸d/A (d為球或圓柱的線度尺寸，A為聲波波長)很小時，它們在聲場中的振動運動速度分別可以寫成如下表達(dá)式<formula>formula see original document page 5</formula>式中K和K分別為剛性球體和柱體的振蕩速度幅值，K。為水介質(zhì)質(zhì)點振動速度， 戸為球體或柱體的平均密度，P為水介質(zhì)的密度。由公式可知，當(dāng)剛硬球體或柱體的平均密度p等于水介質(zhì)密度P時，其振動速度幅值K和K與聲場中球體幾何中心處水質(zhì)點的振動速度幅值V。相同，這 樣只要剛硬球體或柱體內(nèi)有可以拾取該振動的拾振單元，就可以獲得聲場中球體 幾何中心處水質(zhì)點的振動速度。實際使用時，將矢量-相位接收器通過柔性元件連接于大的框架上，并將其 置于水介質(zhì)中。當(dāng)水中被測信號引起矢量水聽器中心處水質(zhì)點振動時，矢量水聽 器便與水質(zhì)點一起運動，它們運動的幅值與相位基本相同，這樣矢量水聽器內(nèi)部 的矢量通道就可以獲得水質(zhì)點的振動信號，并將振動速度信號轉(zhuǎn)換為電信號輸 出。同時矢量-相位接收器的標(biāo)量通道可以獲取該水質(zhì)點處的聲壓信號。所以本發(fā)明的優(yōu)點是矢量-相位接收器可以同時、共點獲得聲場的三維適量信息和標(biāo)量信息；在1000赫茲以下的工作頻帶內(nèi)通道靈敏度提高6dB;矢量 水聽器具有良好的余弦指向性；體積小，懸掛簡單、方便，實際使用時可與任意工作平臺連接。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于水聲各領(lǐng)域，如構(gòu)成拖曳陣、聲納浮標(biāo)， 用于低噪聲運動目標(biāo)的測量、目標(biāo)定位等。(四)


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明的剖面圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1和圖2。雙層結(jié)構(gòu)的硅微電容式三維矢量-相位接收器是一個帶有 一根多芯輸出電纜7、八個隱藏式懸掛機構(gòu)4、兩片硅微電容式三維加速度傳感 器1、 一個壓電圓環(huán)3構(gòu)成的實心橢球體，所述的兩片三維加速度傳感器1的輸…球體柱體出采用反方向連接的方式。所述的八個隱藏式懸掛機構(gòu)4均勻分布在橢球體兩端 的外表面內(nèi)；所述的兩片硅微電容式三維加速度傳感器1沿垂直方向分別放置于 連接體2上下兩層，它們的三個軸向相互反向，即分別指向+X、 +Z、 +Y、 -X、 _Z、 -Y六個坐標(biāo)方向；所述的壓電圓環(huán)位于上下雙層加速度傳感器的中部。本發(fā)明的雙層結(jié)構(gòu)的硅微電容式三維矢量-相位接收器是采用如下方法來制 作的。首先，將兩片硅微電容式三維加速度傳感器1借助連接體2沿垂直方向剛性 連接，然后將兩片硅微電容式三維加速度傳感器1和連接體2利用低密度復(fù)合材 料5灌注于一個壓電圓環(huán)3中，同時將八個隱藏式懸掛機構(gòu)4附著在兩片硅微電 容式三維加速度傳感器1上下兩端所形成的球狀體表面，將兩片加速度傳感器1 的輸出線、壓電圓環(huán)3的輸出線與輸出電纜7連接，最后用透聲材料6灌封成橢 球體。得到矢量-相位接收器整外徑28mm，高56隱，平均密度為1§/，3左右，工作 頻帶為5—1000Hz，矢量通道自由場電壓靈敏度級為-190dB(lkHz處，OdB re IV/ uPa)，聲壓通道自由場電壓靈敏度級為-190dB。兩片硅微電容式加速度傳感器的軸向互為相反方向，其輸出信號通過差分的 方式連接。壓電圓環(huán)灌封于兩片硅微電容式加速度傳感器連接體的外部。八個隱 藏式懸掛機構(gòu)均勻懸浮于矢量-相位接收器橢球體的兩端。
權(quán)利要求
1、一種雙層結(jié)構(gòu)的硅微電容式三維矢量-相位接收器，其特征是它包括由透聲材料制成的外殼，在外殼中設(shè)置有硅微電容式三維加速度傳感器、連接體以及壓電圓環(huán)，所述硅微電容式三維加速度傳感器有兩片，兩片硅微電容式三維加速度傳感器沿垂直方向剛性連接在連接體的兩端，一個壓電圓環(huán)罩在連接體外，壓電圓環(huán)的外壁與外殼的內(nèi)壁緊密接觸，外殼內(nèi)灌注低密度復(fù)合材料構(gòu)成實心體，在低密度復(fù)合材料和外殼中布置有隱藏式懸掛機構(gòu)，兩片硅微電容式三維加速度傳感器的輸出線、壓電圓環(huán)的輸出線與輸出電纜連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層結(jié)構(gòu)的硅微電容式三維矢量-相位接收器，其特征是所述兩片硅微電容式三維加速度傳感器沿垂直方向剛性連接在連接體的兩端是指兩片硅微電容式三維加速度傳感器沿垂直方向分別放置連接體的上下兩層，兩片硅微電容式三維加速度傳感器的三個軸向相互反向，即分別指向+X、 +Z、 +Y、 -X、 -Z、 -Y六個坐標(biāo)方向。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙層結(jié)構(gòu)的硅微電容式三維矢量-相位接收器，其特征是所述實心體是實心橢球體。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙層結(jié)構(gòu)的硅微電容式三維矢量-相位接收器，其特征是所述隱藏式懸掛機構(gòu)有八個，均勻分布在橢球體兩端的外表面內(nèi)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙層結(jié)構(gòu)的硅微電容式三維矢量-相位接收器，其特征是所述隱藏式懸掛機構(gòu)有八個，均勻分布在橢球體兩端的外表面內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種雙層結(jié)構(gòu)的硅微電容式三維矢量-相位接收器。它包括由透聲材料制成的外殼，在外殼中設(shè)置有硅微電容式三維加速度傳感器、連接體以及壓電圓環(huán)，兩片硅微電容式三維加速度傳感器沿垂直方向剛性連接在連接體的兩端，一個壓電圓環(huán)罩在連接體外，壓電圓環(huán)的外壁與外殼的內(nèi)壁緊密接觸，外殼內(nèi)灌注低密度復(fù)合材料構(gòu)成實心體，在低密度復(fù)合材料和外殼中布置有隱藏式懸掛機構(gòu)，兩片硅微電容式三維加速度傳感器的輸出線、壓電圓環(huán)的輸出線與輸出電纜連接。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于水聲各領(lǐng)域，如構(gòu)成拖曳陣、聲納浮標(biāo)，用于低噪聲運動目標(biāo)的測量、目標(biāo)定位等。
文檔編號G01H11/06GK101650218SQ200910072918
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者勤 何, 方爾正, 楊德森, 洪連進(jìn), 宇 管 申請人:哈爾濱工程大學(xué)