專利名稱：矢量水聽器用抗流噪聲型敏感體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEMS傳感器領(lǐng)域中的矢量水聽器，具體是一種矢量水聽器用抗流噪 聲型敏感體。
背景技術(shù)：
聲納是江河湖海中艦潛艇行進(jìn)、實施導(dǎo)彈發(fā)射的耳目，其重要組成部分-矢量水 聽器是聲納的感知及轉(zhuǎn)換部分，是決定聲納性能好壞的關(guān)鍵部件。矢量水聽器的作用是 感知水下有用聲信號，用以確定目標(biāo)聲源的準(zhǔn)確位置，而江河湖海中有各種各樣背景噪聲， 包括流噪聲、海浪聲、魚等水下生物及民用船只的活動聲音等等，以大海來說，大海本是無 風(fēng)三尺浪，即使是表面風(fēng)平浪靜，其實水下是暗流涌動，所以在這眾多的背景噪聲中要數(shù) 流噪聲對矢量水聽器測量結(jié)果的影響最為嚴(yán)重。一旦矢量水聽器拾取了含有大量流噪聲 的聲信號，要想在后續(xù)的電路處理中濾除流噪聲，是極為困難和麻煩的。例如專利號為 “200910073993. 4”的中國發(fā)明專利公開了一種“微機電矢量水聽器”，該矢量水聽器在理想 的消聲水池中有很好的靈敏度和頻響效果。但一經(jīng)海試才發(fā)現(xiàn)，當(dāng)目標(biāo)信號源有一定距離， 信號本比較微弱(如超靜音潛艇)時，在經(jīng)過一定距離的衰減之后，便被湮沒在流噪聲之 中。背景噪聲中的流噪聲成為了有用信號的掩護(hù)，嚴(yán)重制約了矢量水聽器的性能優(yōu)化發(fā)展 和工程應(yīng)用。此外，矢量水聽器的安裝方式同樣是影響其測量結(jié)果的因素之一，其安裝方式包 括硬連接和軟連接，硬連接指矢量水聽器直接硬性安裝于艦船上，無法避免艦船自身發(fā)動 機震動、風(fēng)浪下船體搖擺對矢量水聽器的影響；軟連接指矢量水聽器借助彈性介質(zhì)實現(xiàn)其 與艦船的固定，基于彈性介質(zhì)的減震作用，能大大提高矢量水聽器抗流噪聲的能力，但軟連 接無法實現(xiàn)微型化，而且在實現(xiàn)水聽器陣列組成時，無法保證各水聽器的一致性和穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有矢量水聽器抗流噪聲能力弱的問題，提供了一種矢量水聽器 用抗流噪聲型敏感體，用以提高矢量水聽器的整體性能。本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的矢量水聽器用抗流噪聲型敏感體，包括用于 敏感水聲信號的敏感結(jié)構(gòu)，所述敏感結(jié)構(gòu)包含半導(dǎo)體框架、架設(shè)于半導(dǎo)體框架中央的十字 形懸臂梁、垂直固定于十字形懸臂梁中央(即四梁交叉處)的微型柱狀體，十字形懸臂梁的 四梁端部分別設(shè)置有應(yīng)變敏感元件(例如壓敏電阻、共振隧穿二極管RTD等)，并連接組 成用于測量水聲信號的惠斯通電橋；所述敏感結(jié)構(gòu)由采用MEMS微加工技術(shù)加工獲得的雙 框結(jié)構(gòu)支撐固定，所述雙框結(jié)構(gòu)包含外框、懸置于外框內(nèi)的內(nèi)框，內(nèi)框的兩正對邊框分別通 過伸縮方向一致的折疊式彈簧與外框連接固定；敏感結(jié)構(gòu)懸置于內(nèi)框內(nèi)，敏感結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體 框架的兩正對邊框分別通過伸縮方向一致的折疊式彈簧與內(nèi)框連接固定，且敏感結(jié)構(gòu)半導(dǎo) 體框架與內(nèi)框間折疊式彈簧的伸縮方向(即設(shè)置方向)、及外框與內(nèi)框間折疊式彈簧的伸 縮方向呈垂直關(guān)系。
所述敏感結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體框架、十字形懸臂梁和雙框結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)有MEMS加工工藝 同時加工獲得，保證了敏感體的一致性和穩(wěn)定性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在敏感結(jié)構(gòu)外增設(shè)獨特的雙框結(jié)構(gòu)，以雙框結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對 敏感結(jié)構(gòu)的支撐固定，雙框結(jié)構(gòu)中合理應(yīng)用了折疊式彈簧結(jié)構(gòu)-芯片級減振彈簧，使得本 發(fā)明所述敏感體在應(yīng)用時，如遇到水流較急(即流噪聲較大時)，雙框結(jié)構(gòu)中的折疊式彈簧 會發(fā)生形變，像減震器一樣有效的緩減水流的壓力，進(jìn)而大大提高矢量水聽器的抗流噪聲 能力。對本發(fā)明所述敏感體進(jìn)行有限元仿真分析1、分析雙框結(jié)構(gòu)中折疊式彈簧的尺寸運用控制變量法，分別只改變彈簧的垂直厚度、水平寬度、單側(cè)長度和匝數(shù)，測試 彈簧的勁度(倔強)系數(shù)，得到如下結(jié)論彈簧的勁度(倔強)系數(shù)與垂直厚度成正比，與水平寬度的三次方成正比，與彈簧 單側(cè)長度的m次方成反比，其中2 <m < 3，與彈簧匝數(shù)成反比。彈簧越長越細(xì)，勁度(倔強)系數(shù)越小，即越容易發(fā)生形變，沖擊力越容易轉(zhuǎn)化為 彈簧的彈力，核心結(jié)構(gòu)越不易隨之相對振蕩，即梁上應(yīng)力越小，減振效果越理想；但同時也 意味著彈性限度越小，即越難支持內(nèi)部的核心敏感結(jié)構(gòu)(因為有重力的作用)，而且因正常 沖擊導(dǎo)致彈簧斷裂的可能性越大，同時沖擊造成的彈簧的彈性恢復(fù)力亦越有限，造價越高。以外框與內(nèi)框間的X軸向上彈簧尺寸的設(shè)計為例，因為彈簧的勁度(倔強)系數(shù) 與彈簧單側(cè)長度的m次方成反比，其中2 <m< 3，又不能超過外框的邊長；以外框的邊長 為1 = 6400um時，故設(shè)計彈簧的單側(cè)長度1 = 3000um ；因為彈簧的勁度(倔強)系數(shù)與水 平寬度的三次方成正比，而與其他的都只成一次方比，所以水平寬度是主要決定因素，故設(shè) 計水平寬度w = 30um;結(jié)合勁度(倔強)系數(shù)k 5N/m綜合考慮，設(shè)計彈簧的折疊匝數(shù)為 2，垂直厚度為d = 150um。綜合設(shè)計彈簧尺寸為1 = 3000um,w = 30um,n = 2，d = 150um, 此時彈簧的勁度(倔強)系數(shù)k 5N/m。同理，內(nèi)框與敏感結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體框架間的Y軸向上 彈簧尺寸設(shè)計為1 = 5000um, w = 30um, η = 2, d = 300um，此時彈簧的勁度(倔強)系數(shù) 也為 k ^ 5N/m。2、分析折疊式彈簧的位置為了使兩組彈簧單獨作用，互不耦合，即在施力方向上只體現(xiàn)切向剛度無法起作 用的、施力方向上的彈簧的作用，起到抗流噪聲的作用。設(shè)計彈簧位置如圖1所示。3、對比測試經(jīng)測試雙框結(jié)構(gòu)中折疊式彈簧在各種分析中耦合度很小，在X軸向上外圈彈簧 起減震作用(如圖2)，在Y軸向上內(nèi)圈彈簧起減震作用(如圖4)。整個結(jié)構(gòu)一直趨于靜止 (如圖3、圖5)，由圖6對比看出，原結(jié)構(gòu)(即未增設(shè)雙框結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐固定的敏感結(jié)構(gòu)) 是緩慢減小的三角波，可見本發(fā)明結(jié)構(gòu)(即優(yōu)化結(jié)構(gòu))使外部沖擊能量基本都由外阻尼作 用損耗，明顯起到了抗流噪聲的作用。由圖7、8比較可知，原結(jié)構(gòu)和本發(fā)明結(jié)構(gòu)的敏感結(jié)構(gòu) 中微型柱狀體單側(cè)受到同樣大小的聲壓作用時(P = 1 )，梁上應(yīng)力值基本相同，分別約為 2191 X IO2Pa和2205X IO2Pa,充分說明了本發(fā)明結(jié)構(gòu)不影響對有用信號的采集，即不影響 靈敏度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、緊湊，應(yīng)用了芯片級減振彈簧，使得矢量水聽器抑制流噪聲的能力大為增強，探測距離延長，并能一次集成加工完成，一致性好，性能更加優(yōu)異，更能適應(yīng)水 下惡劣的環(huán)境。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明受X向沖擊時的等效應(yīng)力云圖；圖3為本發(fā)明受X向沖擊時結(jié)構(gòu)的振動幅度變化圖；圖4為本發(fā)明受Y向沖擊時的等效應(yīng)力云圖；圖5為本發(fā)明受Y向沖擊時結(jié)構(gòu)的振動幅度變化圖；圖6為本發(fā)明與現(xiàn)有矢量水聽器敏感體受相同沖擊時梁上應(yīng)力變化的對比圖；圖7為現(xiàn)有矢量水聽器敏感結(jié)構(gòu)中微型柱狀體一側(cè)受1 聲壓時梁上應(yīng)力的變化 圖；圖8為本發(fā)明敏感結(jié)構(gòu)中微型柱狀體一側(cè)受IPa聲壓時梁上應(yīng)力的變化圖；圖中1-半導(dǎo)體框架；2-十字形懸臂梁；3-微型柱狀體；4-外框；5-內(nèi)框；6、7_折 疊式彈簧；8、9_折疊式彈簧。
具體實施例方式矢量水聽器用抗流噪聲型敏感體，包括用于敏感水聲信號的敏感結(jié)構(gòu)，所述敏感 結(jié)構(gòu)包含半導(dǎo)體框架1、架設(shè)于半導(dǎo)體框架1中央的十字形懸臂梁2、垂直固定于十字形懸 臂梁2中央(即四梁交叉處)的微型柱狀體3，十字形懸臂梁2的四梁端部分別設(shè)置有應(yīng)變 敏感元件(例如壓敏電阻、共振隧穿二極管RTD等)，并連接組成用于測量水聲信號的惠 斯通電橋；所述敏感結(jié)構(gòu)由采用MEMS微加工技術(shù)加工獲得的雙框結(jié)構(gòu)支撐固定，所述雙框 結(jié)構(gòu)包含外框4、懸置于外框4內(nèi)的內(nèi)框5，內(nèi)框5的兩正對邊框分別通過伸縮方向一致的 折疊式彈簧6、7與外框4連接固定；敏感結(jié)構(gòu)懸置于內(nèi)框5內(nèi)，敏感結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體框架1的兩 正對邊框分別通過伸縮方向一致的折疊式彈簧8、9與內(nèi)框5連接固定，且敏感結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體 框架1與內(nèi)框5間折疊式彈簧8、9的伸縮方向(即設(shè)置方向)、及外框4與內(nèi)框5間折疊式 彈簧6、7的伸縮方向呈垂直關(guān)系。
權(quán)利要求
1. 一種矢量水聽器用抗流噪聲型敏感體，包括用于敏感水聲信號的敏感結(jié)構(gòu)，所述敏 感結(jié)構(gòu)包含半導(dǎo)體框架(1)、架設(shè)于半導(dǎo)體框架(1)中央的十字形懸臂梁(2)、垂直固定于 十字形懸臂梁(2)中央的微型柱狀體(3)，十字形懸臂梁(2)的四梁端部分別設(shè)置有應(yīng)變敏 感元件，并連接組成用于測量水聲信號的惠斯通電橋；其特征在于所述敏感結(jié)構(gòu)由采用 MEMS微加工技術(shù)加工獲得的雙框結(jié)構(gòu)支撐固定，所述雙框結(jié)構(gòu)包含外框(4)、懸置于外框 (4)內(nèi)的內(nèi)框(5)，內(nèi)框(5)的兩正對邊框分別通過伸縮方向一致的折疊式彈簧(6、7)與外 框(4)連接固定；敏感結(jié)構(gòu)懸置于內(nèi)框(5)內(nèi)，敏感結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體框架(1)的兩正對邊框分別 通過伸縮方向一致的折疊式彈簧(8、9)與內(nèi)框(5)連接固定，且敏感結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體框架(1)與 內(nèi)框(5)間折疊式彈簧(8、9)的伸縮方向、及外框(4)與內(nèi)框(5)間折疊式彈簧(6、7)的伸 縮方向呈垂直關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明涉及MEMS傳感器領(lǐng)域中的矢量水聽器，具體是一種矢量水聽器用抗流噪聲型敏感體。解決了現(xiàn)有矢量水聽器抗流噪聲能力弱的問題，包括用于敏感水聲信號的敏感結(jié)構(gòu)，敏感結(jié)構(gòu)由雙框結(jié)構(gòu)支撐固定，雙框結(jié)構(gòu)包含外框、內(nèi)框，內(nèi)框的兩正對邊框分別通過折疊式彈簧與外框連接固定；敏感結(jié)構(gòu)懸置于內(nèi)框內(nèi)，敏感結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體框架的兩正對邊框分別通過折疊式彈簧與內(nèi)框連接固定，敏感結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體框架與內(nèi)框間折疊式彈簧的伸縮方向、及外框與內(nèi)框間折疊式彈簧的伸縮方向呈垂直關(guān)系。結(jié)構(gòu)合理、緊湊，應(yīng)用了芯片級減振彈簧，使得矢量水聽器抑制流噪聲的能力大為增強，探測距離延長，并能一次集成加工完成，一致性好，性能更加優(yōu)異，更能適應(yīng)水下惡劣的環(huán)境。
文檔編號G01S7/521GK102095489SQ201010582248
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月10日
發(fā)明者何常德, 關(guān)凌綱, 劉細(xì)寶, 張國軍, 張文棟, 熊繼軍, 王紅亮, 薛晨陽 申請人:中北大學(xué)