专利摘要

本实用新型公开了一种具有双圆柱增敏结构的MEMS矢量水听器。本实用新型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。本实用新型运用双圆柱结构来提高矢量水听器的灵敏度，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，并且设计串联式的镜像电桥前置放大电路，提高了信噪比。

权利要求

1.一种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。

2.根据权利要求1所述的MEMS矢量水听器，其特征在于：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。

说明书

技术领域

本实用新型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。

背景技术

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。

发明内容

本实用新型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，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型包括聚氨酯外套、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。

与背景技术相比，本实用新型具有的有益效果是：

本实用新型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为本实用新型的X轴方向示意图：

图2为本实用新型的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

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

本实用新型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：本实用新型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。

以下为本实用新型的具体实施例：

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加工工艺刻蚀完成，二端固定在硅片电极上。

为了提高灵敏度，设计一种双圆柱结构的敏感单元增敏结构，其基本原理是在声波入射方向，增加敏感单元附近质点振动速度，用Fluent软件初步仿真的结果如图3所示，当圆柱半径与圆柱之间间距之比R/d＝3时，可以获得较好的灵敏度增益，大致可获得3倍(10dB)的增益。

步骤2)前置放大电路设计研究方案。

在敏感单元设计完成之后，需要有专门的前置放大电路将质点振速信息转换为电信号，其目的有两点：一是将热丝加热到一定温度，二是将热丝的温度差转换为电压信号，因此需要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。通常利用惠斯通电桥加上外部的减法电路可实现电阻差的测量，但由于桥臂上电阻的精度问题，很难保证流经两热丝上的电流的一直性，进而引入直流失调误差，另外额外的减法电路也容易引入噪声。

本实用新型根据镜像电流源电路的特性，设计前置放大电路，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。具体实现原理如图4所示，电桥中R1和R2为传感器的两根热丝，R3和R4是控制电流的作用。镜像电流电桥是基于Widlar电流镜原理实现的，通过单电源供电实现对电阻差值变化的测量。电桥通过两个PNP晶体管，两个集电极电阻实现的。因为电桥在实现信号转换的同时，需要对热丝进行加热，通过电流加热热丝，电流不能过大，因此发射极串联的两个电阻起到限流的作用。假设静态时，R＝R1＝R2，Δ R1＝-ΔR2，电桥的两端电流为I，电桥输出交流电压信号为：

步骤3)敏感单元与前置放大电路一体化封装的结构与工艺研究方案。

在进行敏感单元与转换电路一体化灌封工艺时需要考虑密封、耐压、声阻抗匹配、实现工艺、抗冲击等要求，首先选择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，在该外壳内选择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，且需要进行脱气处理。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，前置放大器放置于上部的屏蔽壳体内，减小外接辐射噪声的干扰，经过电路转换后的电压信号通过三芯屏蔽电缆与外界连接，完成供电与信号传输功能。

2)矢量水听器性能评价

步骤1)指向性测试。

根据国家矢量水听器校准规范，进行矢量水听器的指向性测试。测试在715 国防一级计量站测试，按照驻波场比较法测试，如图5所示，测试频率范围为 20Hz～2kHz，下面给出频率为100HZ、200HZ、1000HZ下的指向性图，如图,6、图7、图8所示,指向性呈‘8’字，表示指向性良好。

步骤2)灵敏度测试。

根据国家矢量水听器校准规范，进行矢量水听器的灵敏度测试。测试在715 国防一级计量站测试，按照驻波场比较法测试，如图5，测试频率范围为20Hz～ 2kHz，如下表：

如图9所示，灵敏度曲线基本平稳，带宽较大，灵敏度良好。

一种具有双圆柱增敏结构的MEMS矢量水听器专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。