具有隔振功能的mems矢量水聽器封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種具有隔振功能的MEMS矢量水聽器封裝結(jié)構(gòu)，該封裝結(jié)構(gòu)減小了工作環(huán)境對MEMS矢量水聽器性能指標(biāo)的影響。該裝置包括內(nèi)設(shè)放大電路板的外支柱、軟支柱、支撐底盤和透聲帽，支撐底盤上安裝有軟支座，軟支座包括設(shè)有緩沖孔和緩沖凸塊的支撐柱體，支撐柱體頂部設(shè)有底板和安裝槽，安裝槽內(nèi)安裝有MEMS矢量水聽器。檢測時(shí)，工作平臺的振動噪聲通過外支柱向MEMS水聽器傳播的路徑上，外支柱可以阻隔掉噪聲中高于軟支撐結(jié)構(gòu)固有頻率的大部分噪聲成分，軟支座可以濾除掉部分未被軟支撐隔掉的振動噪聲。本發(fā)明開創(chuàng)性地利用封裝材料的特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)對水聽器的隔振要求，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，隔振效果明顯。
【專利說明】具有隔振功能的MEMS矢量水聽器封裝結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及MEMS矢量水聽器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種具有隔振功能的MEMS矢量水聽器封裝結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]矢量水聽器作為一種能夠時(shí)間同步、空間共點(diǎn)測得水下聲場矢量信息的傳感器，在海洋工程和海洋開發(fā)中有著廣泛的應(yīng)用前景。MEMS矢量水聽器的應(yīng)用使得水中聲音信息的獲取技術(shù)有了巨大的提高，但由于其工作環(huán)境復(fù)雜，安裝平臺多樣，安裝平臺的振動會沿著剛性結(jié)構(gòu)傳至敏感單元，嚴(yán)重影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性、靈敏度等。想要提高M(jìn)EMS矢量水聽器的應(yīng)用效果，需要從多方面著手考慮，其中，封裝結(jié)構(gòu)的隔振設(shè)計(jì)就是重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。
[0003]對矢量水聽器封裝結(jié)構(gòu)的隔振設(shè)計(jì)主要是為了去除水聽器安裝平臺的振動噪聲對水聽器敏感微結(jié)構(gòu)的干擾，進(jìn)而提高矢量水聽器的信噪比。目前，基于MEMS技術(shù)的水聽器已趨于成熟化發(fā)展，但是MEMS水聽器安裝平臺的噪聲(如艦船機(jī)械設(shè)備振動噪聲、螺旋槳振動噪聲及水動力噪聲等)嚴(yán)重影響了水聽器的信噪比，針對這一事實(shí)，設(shè)計(jì)合理的MEMS矢量水聽器隔振裝置已迫在眉睫。它不僅可以實(shí)現(xiàn)干擾信號的隔離，更重大的意義在于能夠推動水聽器研究技術(shù)的進(jìn)一步工程化應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了進(jìn)一步減小工作環(huán)境(如:安裝平臺的振動、噪聲等)對MEMS矢量水聽器性能指標(biāo)的影響，而提供一種具有隔振功能的MEMS矢量水聽器封裝結(jié)構(gòu)，從而使得MEMS矢量水聽器的信噪比，指向性等指標(biāo)得到進(jìn)一步地優(yōu)化。
[0005]本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種具有隔振功能的MEMS矢量水聽器封裝結(jié)構(gòu)，包括外支柱，外支柱內(nèi)部設(shè)有軸向的第一引線孔以及與第一引線孔相通的安置腔，安置腔的腔口位于外支柱底部，外支柱的底部螺紋連接有用于封堵安置腔的堵頭，安置腔內(nèi)安裝有放大電路板；外支柱的頂部螺紋連接有軟支柱，軟支柱內(nèi)部設(shè)有軸向的且與外支柱內(nèi)第一引線孔相通的第二引線孔，軟支柱的頂部螺紋連接有支撐底盤，支撐底盤上開設(shè)有與軟支柱內(nèi)第二引線孔相通的第三引線孔，支撐底盤上靠近邊緣的位置設(shè)有環(huán)形卡槽，環(huán)形卡槽內(nèi)固接有透聲帽，透聲帽內(nèi)充注有硅油；透聲帽內(nèi)還設(shè)有軟支座，軟支座包括支撐柱體，支撐柱體上開設(shè)有軸向的通孔，支撐柱體的側(cè)壁上均布有四個(gè)與通孔相通的緩沖孔，支撐柱體的頂面上位于每個(gè)緩沖孔正上方的位置各設(shè)有一個(gè)緩沖凸塊，四個(gè)緩沖凸塊頂部共同固定有一個(gè)底板，底板上設(shè)有與支撐柱體上通孔相通的第四引線孔，底板上表面還設(shè)有安裝槽；軟支座的支撐柱體底部固定在支撐底盤上表面中心處，支撐柱體的通孔與支撐底盤的第三引線孔相通；軟支座的底板上位于安裝槽內(nèi)的位置安裝MEMS矢量水聽器(所述的MEMS矢量水聽器為現(xiàn)有公知技術(shù)，例如:專利號為200610012991.0的中國發(fā)明專利公開的“共振隧穿仿生矢量水聲傳感器”)，MEMS矢量水聽器的輸出端通過導(dǎo)線依次穿過軟支座底板上的第四引線孔、軟支座支撐柱體的通孔、支撐底盤的第三引線孔、軟支柱的第二引線孔、外支柱的第一引線孔后與外支柱安置腔內(nèi)的放大電路板輸入端連接，放大電路板的輸出端通過導(dǎo)線穿過堵頭后和輸出電纜連接；外支柱、軟支柱、支撐底盤、軟支座和透聲帽均位于同一軸線上。
[0006]所述的軟支座設(shè)計(jì)為環(huán)式彈性元件，在支撐柱體的側(cè)壁上開設(shè)有四個(gè)緩沖孔，這樣四個(gè)緩沖孔之間就形成了四個(gè)緩沖凸塊，與支撐柱體頂面上另外四個(gè)緩沖凸塊形成上下層分布、交叉45度的二級緩沖單元，并且能對應(yīng)成兩端固定、跨中受載的應(yīng)變梁。在力的作用下，該應(yīng)變梁可簡化成矩形超靜定梁，即支撐柱體側(cè)壁上的四個(gè)緩沖凸塊和頂面上的四個(gè)緩沖凸塊作為整體可簡化為由8個(gè)超靜定梁組成。根據(jù)超靜定梁定義，在受到集中載荷時(shí)，超靜定梁的自由端的端部只有移動，沒有轉(zhuǎn)動，即產(chǎn)生S形變形。因此，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能保證水聽器封裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
[0007]進(jìn)一步地，所述的外支柱頂部設(shè)有第一連接凸塊，軟支柱的底部設(shè)有第一連接凹槽，并且第一連接凸塊插入到第一連接凹槽內(nèi)后二者螺紋連接，外支柱頂部的側(cè)壁向上延設(shè)有加固槽，并且加固槽卡固在第一連接凹槽的外表面上，加固槽以保證外支柱和軟支柱之間的連接穩(wěn)定性；所述的支撐底盤底部設(shè)有第二連接凸塊，軟支柱的頂部設(shè)有第二連接凹槽，并且第二連接凸塊插入到第二連接凹槽后二者螺紋連接。
[0008]所述的軟支座上的底板、支撐底盤和外支柱都是采用303Se不銹鋼材料加工而成的，具有良好的耐腐蝕特性，結(jié)構(gòu)牢固耐用，采用303Se不銹鋼材料保證了水聽器封裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和牢固性，可承受外部撞擊等，起到了很好的保護(hù)作用；所述的透聲帽是采用聚氨酯橡膠材料加工而成的，不僅可以將MEMS矢量水聽器與外界水隔離，同時(shí)可確保外界聲信號能夠最大限度地透過外殼傳遞給MEMS矢量水聽器；所述的軟支座是采用彈性模量很小的“道康寧”硅橡膠制成的，所述的軟支柱是采用隔振效果良好的減震橡膠制成的，它們均具有成本低，易于加工等特點(diǎn)，以上兩結(jié)構(gòu)是隔振的核心單元。
[0009]使用時(shí)，將本發(fā)明裝置通過外支柱與工作平臺連接，工作平臺的振動噪聲將通過外支座向MEMS水聽器傳播，在傳播路徑上，噪聲將經(jīng)過軟支柱與軟支座兩個(gè)隔振結(jié)構(gòu)，其中，軟支柱采用減震橡膠制成，通過調(diào)節(jié)橡膠組分的配比和加工條件，可以將軟支柱的固有頻率控制在小于水聽器工作頻率的下限，從而使噪聲中高于軟支柱固有頻率的大部分噪聲成分被阻隔掉；對于軟支座結(jié)構(gòu)，在采用固有頻率很低的“道康寧”硅橡膠同時(shí)，其整體結(jié)構(gòu)又是鏤空設(shè)計(jì)，設(shè)有兩級緩沖單元和平衡單元(平衡單元為支撐柱體上緩沖孔與緩沖凸塊之間的部分)，根據(jù)彈性力學(xué)，該部分為一個(gè)二階隔振系統(tǒng)，未被軟支柱隔掉的振動噪聲經(jīng)過該部分時(shí)，在緩沖單元的作用下，進(jìn)一步地被濾除掉。工作平臺的振動噪聲在經(jīng)過軟支柱與軟支座兩個(gè)隔振結(jié)構(gòu)后基本被濾除，從而保證了水聽器不被工作平臺的振動噪聲影響。
[0010]將本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)的水聽器與現(xiàn)有封裝結(jié)構(gòu)的水聽器在相同條件下進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn):1)隔振效果測試
圖4和圖5分別為現(xiàn)有封裝結(jié)構(gòu)的水聽器和本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)的水聽器的隔振效果測試結(jié)果。從圖中可以看出，在相同的測試噪聲環(huán)境下，本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)的水聽器接收到的信號頻率明顯低于現(xiàn)有封裝結(jié)構(gòu)的水聽器接收到的信號頻率。因此，應(yīng)用隔振裝置(即本發(fā)明裝置中的軟支柱、軟支座)的水聽器封裝結(jié)構(gòu)可有效避免水聽器封裝結(jié)構(gòu)對水聽器芯片的影響，對水聽器安裝平臺等引起的振動噪聲產(chǎn)生有效隔離，具有明顯的隔振效果。
[0011]2)水聽器指向性測試
圖6和圖7分別為現(xiàn)有封裝結(jié)構(gòu)的水聽器和本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)的水聽器的指向性測試結(jié)果。從圖中可以看出，在相同的測試環(huán)境下，當(dāng)X方向接收信號最大時(shí)，Y方向接收信號在理想條件下應(yīng)為一條直線，即測試信號為O。顯然，本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)的水聽器(即應(yīng)用隔振裝置的水聽器)測試結(jié)果更接近于理想情況。因此，應(yīng)用隔振裝置的水聽器封裝結(jié)構(gòu)可提高水聽器的指向性。
[0012]本發(fā)明的有益效果有:
(1)、本發(fā)明裝置中的隔振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，易于制作及組裝。本發(fā)明裝置的研制不僅使隔振單元固有頻率遠(yuǎn)離了水聽器工作頻率范圍，即遠(yuǎn)離水聽器工作頻率下限，因此應(yīng)用隔振裝置的水聽器封裝結(jié)構(gòu)可有效避免水聽器封裝結(jié)構(gòu)對水聽器芯片的影響，產(chǎn)生明顯的隔振效果。同時(shí)，本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)是水聽器封裝結(jié)構(gòu)上的一個(gè)突破和創(chuàng)新，為水聽器的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)；
(2)、本發(fā)明裝置的核心器件采用固有頻率很低的“道康寧”硅橡膠加工而成，橡膠隔振器具有結(jié)構(gòu)緊湊、應(yīng)用方便、可靠性高、阻尼比高、工藝性好等特點(diǎn)，且橡膠隔振器的輸入和輸出之間存在很強(qiáng)的非線性關(guān)系，它可以在不降低隔振系統(tǒng)承載能力前提下降低系統(tǒng)剛度，實(shí)現(xiàn)低頻甚至超低頻隔振。因此，本發(fā)明裝置具有廣闊的應(yīng)用前景；
(3)、本發(fā)明裝置加工成本低，易于制作，適合工程化應(yīng)用及批量化生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明中軟支座的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3為本發(fā)明中軟支座的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖4為現(xiàn)有封裝結(jié)構(gòu)的水聽器的隔振效果測試結(jié)果。
[0017]圖5為本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)的水聽器的隔振效果測試結(jié)果。
[0018]圖6為現(xiàn)有封裝結(jié)構(gòu)的水聽器的指向性測試結(jié)果。
[0019]圖7為本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)的水聽器的指向性測試結(jié)果。
[0020]圖中:1-外支柱、1-1-第一引線孔、1-2-安置腔、1-3-第一連接凸塊、1-4-加固槽、2-堵頭、3-放大電路板、4-軟支柱、4-1-第二引線孔、4-2-第一連接凹槽、4-3-第二連接凹槽、5-支撐底盤、5-1-第三引線孔、5-2-環(huán)形卡槽、5-3-第二連接凸塊、6-透聲帽、
7-硅油、8-軟支座、8-1-支撐柱體、8-2-通孔、8-3-緩沖孔、8_4_緩沖凸塊、8_5_底板、
8-6-第四引線孔、8-7-安裝槽、9-MEMS矢量水聽器、10-導(dǎo)線、11-輸出電纜。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
如圖1、2、3所示，一種具有隔振功能的MEMS矢量水聽器封裝結(jié)構(gòu)，包括外支柱1，外支柱I內(nèi)部設(shè)有軸向的第一引線孔1-1以及與第一引線孔1-1相通的安置腔1-2，安置腔1-2的腔口位于外支柱I底部，外支柱I的底部螺紋連接有用于封堵安置腔1-2的堵頭2，安置腔1-2內(nèi)安裝有放大電路板3 ;外支柱I的頂部螺紋連接有軟支柱4，軟支柱4內(nèi)部設(shè)有軸向的且與外支柱I內(nèi)第一引線孔1-1相通的第二引線孔4-1，軟支柱4的頂部螺紋連接有支撐底盤5，支撐底盤5上開設(shè)有與軟支柱4內(nèi)第二引線孔4-1相通的第三引線孔5-1，支撐底盤5上靠近邊緣的位置設(shè)有環(huán)形卡槽5-2，環(huán)形卡槽5-2內(nèi)固接有透聲帽6，透聲帽6內(nèi)注充有硅油7 ;其特征在于:透聲帽6內(nèi)還設(shè)有軟支座8，軟支座8包括支撐柱體8-1，支撐柱體8-1上開設(shè)有軸向的通孔8-2，支撐柱體8-1的側(cè)壁上均布有四個(gè)與通孔8-2相通的緩沖孔8-3，支撐柱體8-1的頂面上位于每個(gè)緩沖孔8-3正上方的位置各設(shè)有一個(gè)緩沖凸塊8-4，四個(gè)緩沖凸塊8-4頂部共同固定有一個(gè)底板8-5，底板8-5上開設(shè)有與支撐柱體8_1上通孔8-2相通的第四引線孔8-6，底板8-5上表面還設(shè)有安裝槽8-7 ;軟支座8的支撐柱體8-1底部固定在支撐底盤5上表面中心處，支撐柱體8-1的通孔8-2與支撐底盤5的第三引線孔5-1相通；軟支座8的底板8-5上位于安裝槽8-7內(nèi)的位置安裝有MEMS矢量水聽器9，MEMS矢量水聽器9的輸出端通過導(dǎo)線10依次穿過軟支座8底板8_5上的第四引線孔
8-6、軟支座8支撐柱體8-1的通孔8-2、支撐底盤5的第三引線孔5_1、軟支柱4的第二引線孔4-1、外支柱I的第一引線孔1-1后與外支柱I安置腔1-2內(nèi)的放大電路板3輸入端連接，放大電路板3的輸出端通過導(dǎo)線10穿過堵頭2后和輸出電纜11連接；外支柱1、軟支柱4、支撐底盤5、軟支座8和透聲帽6均位于同一軸線上。
[0022]具體實(shí)施時(shí)，所述的外支柱I頂部設(shè)有第一連接凸塊1-3，軟支柱4的底部設(shè)有第一連接凹槽4-2，并且第一連接凸塊1-3插入到第一連接凹槽4-2內(nèi)并螺紋連接，外支柱I頂部的側(cè)壁向上延設(shè)有加固槽1-4，并且加固槽1-4卡固在第一連接凹槽4-2的外表面上；所述的支撐底盤5底部設(shè)有第二連接凸塊5-3，軟支柱4的頂部設(shè)有第二連接凹槽4-3，并且第二連接凸塊5-3插入到第二連接凹槽4-3內(nèi)并螺紋連接。
[0023]所述的軟支座8上的底板8-5、支撐底盤5和外支柱I都是采用303Se不銹鋼材料加工而成的；所述的透聲帽6是采用聚氨酯橡膠材料加工而成的；所述的軟支座8上的支撐柱體8-1、緩沖凸塊8-4是采用彈性模量很小的“道康寧”硅橡膠制成的；所述的軟支柱4是采用隔振效果良好的減振橡膠制成的。
【權(quán)利要求】
1.一種具有隔振功能的MEMS矢量水聽器封裝結(jié)構(gòu)，包括外支柱(1)，外支柱(I)內(nèi)部設(shè)有軸向的第一引線孔(1-1)以及與第一引線孔(1-1)相通的安置腔(1-2)，安置腔(1-2)的腔口位于外支柱(I)底部，外支柱(I)的底部螺紋連接有用于封堵安置腔(1-2)的堵頭(2)，安置腔(1-2)內(nèi)安裝有放大電路板(3);外支柱(I)的頂部螺紋連接有軟支柱(4)，軟支柱(4)內(nèi)部設(shè)有軸向的且與外支柱(I)內(nèi)第一引線孔(1-1)相通的第二引線孔(4-1)，軟支柱(4)的頂部螺紋連接有支撐底盤(5)，支撐底盤(5)上開設(shè)有與軟支柱(4)內(nèi)第二引線孔(4-1)相通的第三引線孔(5-1)，支撐底盤(5)上靠近邊緣的位置設(shè)有環(huán)形卡槽(5-2)，環(huán)形卡槽(5-2)內(nèi)固接有透聲帽(6)，透聲帽(6)內(nèi)注充有硅油(7);其特征在于:透聲帽(6)內(nèi)還設(shè)有軟支座(8)，軟支座(8)包括支撐柱體(8-1)，支撐柱體(8-1)上開設(shè)有軸向的通孔(8-2)，支撐柱體(8-1)的側(cè)壁上均布有四個(gè)與通孔(8-2)相通的緩沖孔(8-3)，支撐柱體(8-1)的頂面上位于每個(gè)緩沖孔(8-3)正上方的位置各設(shè)有一個(gè)緩沖凸塊(8-4)，四個(gè)緩沖凸塊(8-4 )頂部共同固定有一個(gè)底板(8-5 )，底板(8-5 )上開設(shè)有與支撐柱體(8-1)上通孔(8-2 )相通的第四引線孔(8-6 )，底板(8-5 )上表面還設(shè)有安裝槽(8-7 );軟支座(8 )的支撐柱體(8-1)底部固定在支撐底盤(5 )上表面中心處，支撐柱體(8-1)的通孔(8-2 )與支撐底盤(5 )的第三弓I線孔(5-1)相通；軟支座(8 )的底板(8-5 )上位于安裝槽(8-7 )內(nèi)的位置安裝有MEMS矢量水聽器(9)，MEMS矢量水聽器(9)的輸出端通過導(dǎo)線(10)依次穿過軟支座(8)底板(8-5)上的第四引線孔(8-6)、軟支座(8)支撐柱體(8-1)的通孔(8_2)、支撐底盤(5)的第三引線孔(5-1)、軟支柱(4)的第二引線孔(4-1)、外支柱(I)的第一引線孔(1-1)后與外支柱(I)安置腔(1-2 )內(nèi)的放大電路板(3 )輸入端連接，放大電路板(3 )的輸出端通過導(dǎo)線(10)穿過堵頭(2)后和輸出電纜(11)連接；外支柱(I)、軟支柱(4)、支撐底盤(5)、軟支座(8)和透聲帽(6)均位于同一軸線上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有隔振功能的MEMS矢量水聽器封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的外支柱(I)頂部設(shè)有第一連接凸塊(1-3)，軟支柱(4)的底部設(shè)有第一連接凹槽(4-2)，并且第一連接凸塊(1-3)插入到第一連接凹槽(4-2)內(nèi)并螺紋連接，外支柱(I)頂部的側(cè)壁向上延設(shè)有加固槽(1-4)，并且加固槽(1-4)卡固在第一連接凹槽(4-2)的外表面上；所述的支撐底盤(5)底部設(shè)有第二連接凸塊(5-3)，軟支柱(4)的頂部設(shè)有第二連接凹槽(4-3)，并且第二連接凸塊(5-3)插入到第二連接凹槽(4-3)內(nèi)并螺紋連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有隔振功能的MEMS矢量水聽器封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的軟支座(8)上的底板(8-5)、支撐底盤(5)和外支柱(I)都是采用303Se不銹鋼材料加工而成的；所述的透聲帽(6)是采用聚氨酯橡膠材料加工而成的；所述的軟支座(8)上的支撐柱體(8-1)、緩沖凸塊(8-4)是采用彈性模量很小的“道康寧”硅橡膠制成的；所述的軟支柱(4)是采用隔振效果良好的減振橡膠制成的。
【文檔編號】G01H3/00GK103528663SQ201310512073
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月26日
【發(fā)明者】張國軍, 何常德, 郭靜, 李振, 郭楠, 薛晨陽, 劉俊, 張文棟 申請人:中北大學(xué)