具有双圆柱增敏结构的MEMS矢量水听器制造技术

本发明专利技术公开了一种具有双圆柱增敏结构的MEMS矢量水听器。本发明专利技术在金属屏蔽壳与聚氨酯外套中间夹有密封圈，金属屏蔽壳里面放置前置放大器，聚氨酯外套内设置敏感单元，敏感单元矢量方向位置按照设定的角度摆放并在外部进行标记，敏感单元贴在双圆柱增敏结构的内壁上，通过屏蔽导线与前置放大器进行电气连接，屏蔽导线穿过导线连接孔，导线连接孔旁边为出油孔，双圆柱增敏结构设置在聚氨酯外套的底座上，聚氨酯外套与双圆柱增敏结构中间充满脱气蓖麻油。本发明专利技术运用双圆柱结构来提高矢量水听器的灵敏度，并针对水下应用环境，提出了敏感单元与前置放大电路一体化封装的结构与工艺，并且设计串联式的镜像电桥前置放大电路结构，提高了信噪比。

【技术实现步骤摘要】
具有双圆柱增敏结构的MEMS矢量水听器
本专利技术主要涉及新型的热丝式MEMS矢量水听器，特别涉及一种具有双圆柱增敏结构的MEMS矢量水听器。
技术介绍
众所周知，声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动，因此在海洋测量领域依赖的基础是水下的各种声学传感器，即水听器。在海战中，声纳是海上作战个体(各种舰、艇)的五官，所有的水下战场侦察都要以声纳为媒体，缺之不可。水声换能器作为声纳系统的重要部件之一，是水声学的一个重要研究方向，新型水声换能器的研究是海军声纳技术发展的一个关键内容，其研究工作具有重要战略意义。要描述一个完整的声场，不仅需要标量的声压，还需要矢量的质点振速，同时测量标量信息和矢量信息即声压和质点振速才能获得完整的声场信息。目前所使用的矢量水听器一般采用压电陶瓷制作而成，利用两个声压水听器，通过计算声压梯度而间接得到质点振速，由于其原理是直接测量空间小尺度上的多点声压标量，然后通过线路的反相并联或串联来得到声压梯度的有限差分近似，其并不是真正意义上的质点振速测量。由于水下测量频率较低，通常的矢量水听器体积较大，不便于形成阵列，且由于两个水听器的相位一致性不易控制，限制了其应用。在水声探测领域，对于基于远场目标检测和隐身潜艇探测而言，低频检测、高信噪比检测一直是声纳系统的一个发展趋势，而对于基于阵列检测，高性能、小型化一直是工程应用追求的目标。MEMS技术是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉前沿研究领域,现已成为世界瞩目的重大科技领域之一。基于MEMS技术的矢量水听器，体积非常小，易于小型化，成阵也比较方便。目前，应用比较广泛的是同振球型矢量水听器，同振球型矢量水听器由于体型比较大，做成矢量阵进行应用时必须漂流在水面，难以控制，并且在安装球型阵元时，需要用多个支架进行固定，工艺比较复杂；还有中北大学的基于仿生学的MEMS压阻式矢量水听器，它是仿效鱼的侧线机械传感细胞(声毛细胞)感知水运动的原理，提出一种人工毛细胞矢量水听器的结构设计，当声波透过封装外壳作用于中央纤毛(刚硬塑料柱体制成)，刚硬塑料柱体与其所处的介质质点同振，从而将感受到的声信号传递给压阻敏感单元，使梁产生应力变化，植入其上的压敏电阻的电阻值便发生变化，通过金属导线以及相应的电路信号检测单元，即可以实现水下声信号的矢量探测。热丝式MEMS矢量水听器与仿生学的MEMS压阻式矢量水听器原理不同，并且仿生纤毛难以制作。热丝式MEMS矢量传感器已有人应用于空气中，并且已发表专利介绍了敏感元件加工工艺。但是在同声压下，水中引起的质点振速远小于在空气中，灵敏度比相同结构参数下空气中的声传感器小得多，水的密度又比空气大的多，因此单位体积内有更多的粒子传播热量，因此在水下应用时，需研究水下环境中相对于空气中，其灵敏度如何变化，而如何提高传感器的灵敏度和信噪比成为了设计的关键。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有双圆柱增敏结构的MEMS矢量水听器，以解决上述背景中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：本专利技术包括聚氨酯外套、金属屏蔽壳，在金属屏蔽壳与聚氨酯外套中间夹有密封圈，金属屏蔽壳里面放置前置放大器，聚氨酯外套内设置敏感单元，敏感单元矢量方向位置按照设定的角度摆放并在外部进行标记，敏感单元贴在双圆柱增敏结构的内壁上，通过屏蔽导线与前置放大器进行电气连接，屏蔽导线穿过导线连接孔，导线连接孔旁边为出油孔，双圆柱增敏结构设置在聚氨酯外套的底座上，聚氨酯外套与双圆柱增敏结构中间充满脱气蓖麻油。进一步说，所述的敏感单元采用两根平行设置的铂丝，两根铂丝上的温度差用于振速的测量，两根铂丝通过MEMS加工工艺刻蚀完成。进一步说，所述的前置放大器是根据镜像电流源电路的特性设计而成，实现对两个铂丝加载相同电流的同时，检测两铂丝的阻值差。与
技术介绍
相比，本专利技术具有的有益效果是：本专利技术运用双圆柱结构来提高矢量水听器的灵敏度，并针对水下应用环境，提出了敏感单元与前置放大电路一体化封装的结构与工艺，并且设计串联式的镜像电桥前置放大电路结构，提高了信噪比。附图说明图1为本专利技术的X轴方向示意图：图2为本专利技术的Y轴方向示意图；图3为Fluent软件初步仿真的结果图；图4为前置放大电路结构图；图5为驻波场比较法测试图；图6为频率为100HZ下的指向性图；图7为频率为200HZ下的指向性图；图8为频率为1000HZ下的指向性图；图9为灵敏度测试图。图中：1、前置放大器，2、密封圈，3、双圆柱增敏结构，4、底座，5、聚氨酯外套，6、金属屏蔽壳，7、出油孔，8、导线连接孔，9、铂丝敏感元件，10、脱气蓖麻油。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。本专利技术是通过两根热丝上的温度差来进行振速的测量。设计前置放大电路，根据镜像电流源电路的特性，实现对两个热丝加载相同电流的同时，检测两热丝的阻值差。为了提高矢量水听器的灵敏度和测量结果的准确性，提出应用双圆柱增敏结构来提高矢量水听器的灵敏度。最后进行敏感单元与前置放大电路一体化封装，用声阻抗系数与海水接近的聚氨酯材料作为传感单元的封装外壳，用与海水声阻抗参数以及热扩散系数最好的蓖麻油作为灌封油品，并进行脱气处理。选择设计合适的前置放大电路形式，一方面满足将热丝的温度差信息转换信号，另一方面控制电路的自噪声，满足高信噪比的要求。将敏感单元矢量方向位置按照约定的角度摆放并在外壳进行标记，敏感单元通过胶贴在双圆柱增敏结构的内壁上，通过屏蔽导线与前置放大器进行电气连接，前置放大器放置与上部的屏蔽壳体内，减小外接辐射噪声的干扰。如图1和图2所示：本专利技术包括一个聚氨酯外套5，上面连接金属屏蔽壳6，在金属屏蔽壳与聚氨酯外套中间夹有密封圈2，金属屏蔽壳里面放置前置放大器1，铂丝敏感元件9矢量方向位置按照约定的角度摆放并在外壳进行标记，敏感单元贴在双圆柱增敏结构3的内壁上，通过屏蔽导线与前置放大器进行电气连接，屏蔽导线穿过导线连接孔8，导线连接孔旁边为出油孔7，出油孔是为了保证了在蓖麻油里进行水听器安装时的气泡排除，双圆柱增敏结构连接上聚氨酯外套上的底座4，聚氨酯外套与双圆柱增敏结构中间充满脱气蓖麻油10。测量时，当声波透过聚氨酯封装外壳和已经脱气的蓖麻油后，作用到双圆柱增敏结构和敏感元件上，双圆柱曾增结构会增加透过双圆柱中间的声波流速。铂丝被加热到一定的温度，此时两根铂丝所在的空间温度场分布处于稳态，当声波作用时会引起质点振动，使靠近声源的第一根热丝上的温度降低，由热传递使介质获得一部分热量，第二根热丝上的温度也会降低，但相比第一根的温度降低的少。热丝上的温度变化使得热丝的阻抗发生变化，通过两根热丝的阻抗差值能够得到质点振速信息。由于流经敏感元件的声波流速增大，所以会提高矢量水听器的灵敏度。以下为本专利技术的具体实施例：1)矢量水听器的结构设计与制作步骤1)敏感单元关键参数设计研究方案在相同声压下，水中引起的质点振速约为空气中的1/3000，灵敏度比相同结构参数下空气中的声传感器小得多，但由于水的密度又比空气大的多，因此单位体积内有更多的粒子传播热量，因此在水下应用时，需要提高传感器的灵敏度和信噪比。一种具有双圆柱增敏结构的MEMS矢量水听器，测量原理类似于风速计和热式流量计，传感部分由两根平行铂丝构成，两根丝线通过MEMS本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有双圆柱增敏结构的MEMS矢量水听器，包括聚氨酯外套、金属屏蔽壳，在金属屏蔽壳与聚氨酯外套中间夹有密封圈，金属屏蔽壳里面放置前置放大器，聚氨酯外套内设置敏感单元，敏感单元矢量方向位置按照设定的角度摆放并在外部进行标记，敏感单元贴在双圆柱增敏结构的内壁上，通过屏蔽导线与前置放大器进行电气连接，屏蔽导线穿过导线连接孔，导线连接孔旁边为出油孔，双圆柱增敏结构设置在聚氨酯外套的底座上，聚氨酯外套与双圆柱增敏结构中间充满脱气蓖麻油。

【技术特征摘要】
1.具有双圆柱增敏结构的MEMS矢量水听器，包括聚氨酯外套、金属屏蔽壳，在金属屏蔽壳与聚氨酯外套中间夹有密封圈，金属屏蔽壳里面放置前置放大器，聚氨酯外套内设置敏感单元，敏感单元矢量方向位置按照设定的角度摆放并在外部进行标记，敏感单元贴在双圆柱增敏结构的内壁上，通过屏蔽导线与前置放大器进行电气连接，屏蔽导线穿过导线连接孔，导线连接孔旁边为出油孔，双圆柱增敏结构设置在聚氨酯外套的底...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭世旭，郝振宇，赵鹏，王月兵，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33