專利名稱：雙層封裝式硅微抗噪仿生矢量水聽(tīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MEMS矢量水聽(tīng)器，具體為一種雙層封裝式硅微抗噪仿生矢量水聽(tīng)器。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，矢量水聽(tīng)器被逐漸應(yīng)用于水聲測(cè)量、探測(cè)和水下定位等領(lǐng)域。矢量水聽(tīng)器內(nèi)最重要的結(jié)構(gòu)是四梁仿生微結(jié)構(gòu)體，四梁仿生微結(jié)構(gòu)體包括一個(gè)支撐框體，支撐框體中心處設(shè)有一個(gè)質(zhì)量塊，質(zhì)量的四邊分別通過(guò)一根彈性梁與支撐框體固定，在質(zhì)量塊的中心面上粘結(jié)有敏感柱體，最后四梁仿生微結(jié)構(gòu)的支撐框體通過(guò)一個(gè)內(nèi)部支撐體粘結(jié)固定在管殼上，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，在四梁仿生微結(jié)構(gòu)及其纖毛柱體的整體外部都套裝一個(gè)一端與管殼密封固定、另一端封閉的單層透聲帽，透聲帽內(nèi)充滿介質(zhì)油，當(dāng)聲波以一定的速度在水中傳播時(shí)，在透聲帽外表面附近會(huì)產(chǎn)生海水介質(zhì)微團(tuán)的湍流脈動(dòng)，由此激發(fā)水動(dòng)力噪聲，一般稱之為流噪聲。流噪聲的存在，增加了矢量水聽(tīng)器的噪聲背景，在一定程度上限制了矢量水聽(tīng)器的探測(cè)距離和定位精度，降低了矢量水聽(tīng)器的信噪比。專利號(hào)為ZL200610012991. 0的中國(guó)專利公開(kāi)了一種“共振隧穿仿生矢量水聲傳
感器”。這種水聲傳感器有著極好的透聲性，但是卻無(wú)法抑制流噪聲對(duì)其接收微弱信號(hào)的干擾。流噪聲覆蓋了一部分微弱有用信號(hào)，使矢量水聽(tīng)器的信噪比降低，嚴(yán)重影響了矢量水聽(tīng)器的低頻性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的矢量水聽(tīng)器因其透聲帽存在技術(shù)缺陷而限制了矢量水聽(tīng)器的探測(cè)距離和定位精度等問(wèn)題，而提供一種雙層封裝式硅微抗噪仿生矢量水聽(tīng)
ο本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種雙層封裝式硅微抗噪仿生矢量水聽(tīng)器，包括通過(guò)內(nèi)部支撐體固定支撐在圓柱體管殼內(nèi)的四梁仿生微結(jié)構(gòu)，四梁仿生微結(jié)構(gòu)的質(zhì)量塊上粘結(jié)有敏感柱體，在四梁仿生微結(jié)構(gòu)及其敏感柱體的外部套裝有一端為敞口、另一端為半球形封閉的圓柱體透聲帽，透聲帽的敞口端密封固定在管殼上，并且透聲帽內(nèi)充滿介質(zhì)油；其中，在透聲帽的外部還套設(shè)有一端為敞口、另一端為半球形封閉的圓柱體導(dǎo)流罩，導(dǎo)流罩的敞口端密封固定在管殼上，導(dǎo)流罩的半球形封閉的頂端還開(kāi)設(shè)有一個(gè)導(dǎo)流口，且導(dǎo)流罩和透聲帽之間留有夾層空隙。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將本發(fā)明矢量水聽(tīng)器放入水中，外層導(dǎo)流罩和內(nèi)層透聲帽之間的夾層空隙會(huì)通過(guò)導(dǎo)流罩上開(kāi)設(shè)的導(dǎo)流口與外部水介質(zhì)貫通而充滿水介質(zhì)，當(dāng)聲波以一定的速度在水中傳播時(shí)，在導(dǎo)流罩外表面附近會(huì)存在海水介質(zhì)微團(tuán)的湍流脈動(dòng)而對(duì)導(dǎo)流罩產(chǎn)生湍流壓力，此時(shí)外層導(dǎo)流罩的存在能為夾層空隙間的水介質(zhì)分解部分壓力，而夾層空隙間的水介質(zhì)層又能對(duì)內(nèi)層的透聲帽起到一定的緩沖作用，最終降低了湍流壓力到達(dá)矢量水聽(tīng)器的敏感單元的強(qiáng)度，進(jìn)而減小流噪聲對(duì)矢量水聽(tīng)器敏感單元的影響，降低了矢量水聽(tīng)器輸出的噪聲電壓，提高矢量水聽(tīng)器的信噪比。進(jìn)一步地，所述的透聲帽與導(dǎo)流罩均由有良好透聲性的聚氨酯材料制作而成，聚氨酯具有良好的透聲性，確保聲波經(jīng)過(guò)多層介質(zhì)后仍然能夠最大限度的傳遞給矢量水聽(tīng)器的四梁仿生微結(jié)構(gòu)及其纖毛柱體。本發(fā)明是在不影響原矢量水聽(tīng)器靈敏度及“8”字形矢量指向性的前提下設(shè)計(jì)的。以下是對(duì)采用本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)的矢量水聽(tīng)器的靈敏度和矢量指向性進(jìn)行的測(cè)試。為了對(duì)比現(xiàn)有封裝結(jié)構(gòu)和本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)的MEMS矢量水聽(tīng)器靈敏度，在一組相同的頻率點(diǎn)上取值，測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表中可以看出現(xiàn)有封裝結(jié)構(gòu)的水聽(tīng)器靈敏度相對(duì)較高，但是本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)的水聽(tīng)器與它最多只相差2. 7dB，所以改進(jìn)過(guò)的本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)對(duì)水聽(tīng)器靈敏度的影響并不是很大。表1不同封裝結(jié)構(gòu)的矢量水聽(tīng)器接收靈敏度
封S結(jié)構(gòu)靈敏度CdB)fMOHzMOOHz^=315 fMOOHzM30HzP=IOOOHz現(xiàn)有封楚-188.2-187.7-188.2-187.2-190.1-192.4本發(fā)明封楚-188.4-188.6-190.1-189.9-1912-193.1
為了對(duì)比現(xiàn)有封裝結(jié)構(gòu)和本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)的MEMS矢量水聽(tīng)器的指向性，分別測(cè)試其指向性。測(cè)試頻率為160Hz，測(cè)試結(jié)果分別如圖2和圖3所示，由圖可以看出，采用兩種封裝結(jié)構(gòu)的水聽(tīng)器的凹點(diǎn)深度均為Kd>20dB，因此改進(jìn)后的本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)對(duì)矢量水聽(tīng)器的指向性沒(méi)有影響。在不影響水聽(tīng)器指向性和靈敏度的前提下，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。如圖4所示，為分別采用現(xiàn)有封裝結(jié)構(gòu)和本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)的水聽(tīng)器的接受噪聲功率譜級(jí)圖；如圖5所示，為分別采用現(xiàn)有封裝結(jié)構(gòu)和本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)的水聽(tīng)器的接受信號(hào)功率譜級(jí)圖。由圖可知，采用本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)的矢量水聽(tīng)器對(duì)抑制流噪聲的能力提高了20dB以上，從而使得水聽(tīng)器的信噪比得到大幅度提高。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、新穎，靈敏度高且具有良好的“8”字形矢量指向性，加工成本低，易于實(shí)現(xiàn)，能有效的減少流噪聲對(duì)MEMS矢量水聽(tīng)器的影響，提高了矢量水聽(tīng)器的信噪比，有效改善了矢量水聽(tīng)器的低頻特性，有良好的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為采用現(xiàn)有封裝結(jié)構(gòu)的矢量水聽(tīng)器的“8”字形矢量指向性圖。圖3為采用本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)的矢量水聽(tīng)器的“8”字形矢量指向性圖。圖4為分別采用現(xiàn)有封裝結(jié)構(gòu)和本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)的矢量水聽(tīng)器的接受噪聲功率譜級(jí)圖。圖5為分別采用現(xiàn)有封裝結(jié)構(gòu)和本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)的矢量水聽(tīng)器的接受信號(hào)功率譜級(jí)圖。圖中1-透聲帽、2-導(dǎo)流罩、3-導(dǎo)流口、4-四梁仿生微結(jié)構(gòu)、5-敏感柱體、6-內(nèi)部支撐體、7-殼體、8-介質(zhì)油。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述
如圖1所示，一種雙層封裝式硅微抗噪仿生矢量水聽(tīng)器，包括通過(guò)內(nèi)部支撐體6固定支撐在圓柱體管殼7上的四梁仿生微結(jié)構(gòu)4，四梁仿生微結(jié)構(gòu)4的質(zhì)量塊中心面上粘結(jié)有敏感柱體5，在四梁仿生微結(jié)構(gòu)4及其敏感柱體5的外部套裝有一端為敞口、另一端為半球形封閉的圓柱體透聲帽1，透聲帽1的敞口端密封固定在管殼7上，并且透聲帽1內(nèi)充滿介質(zhì)油8;其中，在透聲帽1的外部還套設(shè)有一端為敞口、另一端為半球形封閉的圓柱體導(dǎo)流罩2，導(dǎo)流罩2的敞口端密封固定在管殼7上，導(dǎo)流罩2的半球形封閉的頂端還開(kāi)設(shè)有一個(gè)導(dǎo)流口 3，且透聲帽1和導(dǎo)流罩2之間留有夾層空隙。當(dāng)本發(fā)明水聽(tīng)器在水中具體測(cè)量時(shí)，內(nèi)層透聲帽1和外層導(dǎo)流罩2之間的夾層空隙會(huì)因?qū)Я髡?上開(kāi)設(shè)的導(dǎo)流口 3與外部水介質(zhì)貫通而充滿水介質(zhì)，水介質(zhì)層能對(duì)內(nèi)層的透聲帽1起到一定的緩沖作用，最終降低了湍流壓力到達(dá)矢量水聽(tīng)器的四梁仿生微結(jié)構(gòu)4及其纖毛柱體5的強(qiáng)度，進(jìn)而減小流噪聲對(duì)矢量水聽(tīng)器的影響，降低了矢量水聽(tīng)器輸出的噪聲電壓，提高矢量水聽(tīng)器的信噪比；透聲帽1內(nèi)的介質(zhì)油8起抗靜水壓、絕緣的作用，保證了矢量水聽(tīng)器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不被短路，使矢量水聽(tīng)器能夠在水中正常工作。 進(jìn)一步地，透聲帽1與導(dǎo)流罩2均由有良好透聲性的聚氨酯材料制作而成，聚氨酯具有良好的透聲性，確保聲波經(jīng)過(guò)多層介質(zhì)后仍然能夠最大限度的傳遞給矢量水聽(tīng)器的四梁仿生微結(jié)構(gòu)4及其纖毛柱體5。
權(quán)利要求
1.一種雙層封裝式硅微抗噪仿生矢量水聽(tīng)器，包括通過(guò)內(nèi)部支撐體(6)固定支撐在圓柱體管殼(7)上的四梁仿生微結(jié)構(gòu)(4)，四梁仿生微結(jié)構(gòu)(4)的質(zhì)量塊上粘結(jié)有敏感柱體(5)，在四梁仿生微結(jié)構(gòu)(4)及其敏感柱體(5)的外部套裝有一端為敞口、另一端為半球形封閉的圓柱體透聲帽(1)，透聲帽(1)的敞口端密封固定在管殼(7)上，并且透聲帽(1)內(nèi)充滿介質(zhì)油(8)，其特征在于在透聲帽(1)的外部還套設(shè)有一端為敞口、另一端為半球形封閉的圓柱體導(dǎo)流罩(2)，導(dǎo)流罩(2)的敞口端密封固定在管殼(7)上，導(dǎo)流罩(2)的半球形封閉的頂端還開(kāi)設(shè)有一個(gè)導(dǎo)流口(3)，且透聲帽(1)和導(dǎo)流罩(2)之間留有夾層空隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層封裝式硅微抗噪仿生矢量水聽(tīng)器，其特征在于透聲帽(1)與導(dǎo)流罩(2)均由透聲性良好的聚氨酯材料制作而成。
全文摘要
本發(fā)明為一種雙層封裝式硅微抗噪仿生矢量水聽(tīng)器，解決了現(xiàn)有水聽(tīng)器因其透聲帽存在缺陷而限制了水聽(tīng)器的探測(cè)距離和定位精度等問(wèn)題。本發(fā)明包括通過(guò)內(nèi)部支撐體固定支撐在管殼內(nèi)的四梁仿生微結(jié)構(gòu)，四梁仿生微結(jié)構(gòu)上粘結(jié)有敏感柱體，微結(jié)構(gòu)整體的外部套裝有一端敞口、另一端半球形封閉的透聲帽，透聲帽的敞口端密封固定在管殼上，透聲帽內(nèi)充滿介質(zhì)油，在透聲帽的外部還套設(shè)有一端為敞口、另一端為半球形封閉的導(dǎo)流罩，導(dǎo)流罩的敞口端密封固定在管殼上，導(dǎo)流罩半球形封閉的頂端開(kāi)設(shè)有一個(gè)導(dǎo)流口，透聲帽和導(dǎo)流罩之間留有夾層空隙。本發(fā)明靈敏度高、矢量指向性好，能減少流噪聲對(duì)水聽(tīng)器的影響，提高了水聽(tīng)器的信噪比，有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01H3/00GK102393245SQ20111033424
公開(kāi)日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月29日
發(fā)明者劉林仙, 張國(guó)軍, 張文棟, 杜春暉, 熊繼軍, 葛曉洋, 薛晨陽(yáng) 申請(qǐng)人:中北大學(xué)