專(zhuān)利名稱(chēng)：微機(jī)電矢量水聽(tīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水聲傳感器，具體是一種微機(jī)電矢量水聽(tīng)器。
背景技術(shù)：
矢量水聽(tīng)器是聲納探測(cè)的重要組成部分，其性能好壞與敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)、 微弱信號(hào)提取電路、以及為適應(yīng)水下工作對(duì)敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)采用的封裝結(jié)構(gòu)有
關(guān)；其中，靈敏度和頻率響應(yīng)是水聽(tīng)器的兩個(gè)非常重要的指標(biāo)，靈敏度的高低、 頻響的好壞直接影響到水聽(tīng)器的性能。例如專(zhuān)利號(hào)為"200610012991.0"的 中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)了一種"共振隧穿仿生矢量水聲傳感器"，該矢量水聲傳感 器的敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)是基于納米薄膜共振隧穿效應(yīng)利用微納加工技術(shù)制作而 成，且其靈敏度及頻響效果己位于現(xiàn)有矢量水聽(tīng)器的前列；而目前對(duì)于該"共 振隧穿仿生矢量水聲傳感器"應(yīng)用的封裝結(jié)構(gòu)己在專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?200810079 372.2"、發(fā)明名稱(chēng)為"微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結(jié)構(gòu)"的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利 申請(qǐng)中予以公開(kāi)，該封裝結(jié)構(gòu)采用高頻低衰減低滲水的聚氨脂灌封材料制作成 透聲橡膠帽對(duì)敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，并在透聲橡膠帽內(nèi)注滿(mǎn)與水密度接近 而又絕緣的蓖麻油；利用透聲橡膠帽與蓖麻油結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)水下聲信號(hào)的傳遞， 但是在傳遞過(guò)程中存在聲波能量損失較大的缺陷，原因在于水下聲信號(hào)在傳 遞給敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)的過(guò)程中要經(jīng)過(guò)水、透聲橡膠帽、蓖麻油三層介質(zhì)兩次反 射(即水與透聲橡膠帽界面的反射，透聲橡膠帽與蓖麻油界面的反射)，雖然 在設(shè)計(jì)過(guò)程中已盡量保證透聲橡膠帽和蓖麻油與水的特性阻抗匹配，但是聲信號(hào)在經(jīng)介質(zhì)傳遞后必然導(dǎo)致聲信號(hào)的能量衰減，且經(jīng)過(guò)的介質(zhì)層數(shù)越多，聲信 號(hào)的能量衰減越大，從而也就影響了水聽(tīng)器敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)接收到聲信號(hào)的靈 敏度；而且，用于固定水聽(tīng)器敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)的支持體一般采用金屬外殼，在 聲信號(hào)作用下，易產(chǎn)生聲波散射，會(huì)對(duì)敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)微型柱狀體附近的聲場(chǎng) 產(chǎn)生影響，從而影響到矢量水聽(tīng)器的頻率響應(yīng)。
另外，經(jīng)實(shí)驗(yàn)論證、分析，盡管"共振隧穿仿生矢量水聲傳感器"所采用 的轉(zhuǎn)換元件一共振隧穿二極管RTD具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，但共振隧穿二極管 RTD受溫度影響大，導(dǎo)致"共振隧穿仿生矢量水聲傳感器"的敏感轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)存 在工藝兼容性不好、成品率低、成本高等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有矢量水聽(tīng)器的封裝結(jié)構(gòu)影響其整體性能提高的問(wèn)題， 提供了一種應(yīng)用新封裝結(jié)構(gòu)的微機(jī)電矢量水聽(tīng)器。
本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的微機(jī)電矢量水聽(tīng)器，包括敏感轉(zhuǎn)化微 結(jié)構(gòu)、用于固定敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)的支持體、罩于敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)外并與支持體 密封固定的封裝殼體，敏感轉(zhuǎn)化微結(jié)構(gòu)包含在半導(dǎo)體襯底中部采用半導(dǎo)體體刻 蝕技術(shù)刻蝕成的十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)、密度與水的密度相近的微型柱狀體，微型 柱狀體垂直固定于十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)的中央(即四梁交叉處)，十字形懸臂梁 結(jié)構(gòu)的四梁端部上設(shè)置有轉(zhuǎn)換元件，所述封裝殼體為采用高頻低衰減低滲水的 聚氨酯灌封材料以聲學(xué)灌封工藝制成的透聲橡膠帽，透聲橡膠帽頂部灌封有將 微型柱狀體頂端與透聲橡膠帽固定的聚氨酯。使用時(shí)，將本發(fā)明所述水聽(tīng)器置 于監(jiān)測(cè)水域中，由聲源發(fā)出的聲波首先經(jīng)水傳遞給所述水聽(tīng)器的透聲橡膠帽， 再由透聲橡膠帽直接傳遞給敏感轉(zhuǎn)化微結(jié)構(gòu)的微型柱狀體，微型柱狀體與水聽(tīng)器所處位置的水質(zhì)點(diǎn)同振，引起十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)的四梁發(fā)生形變，對(duì)四梁上 的轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生應(yīng)力作用，從而引起懸臂梁上轉(zhuǎn)換元件電學(xué)參數(shù)的變化。最后， 通過(guò)微弱信號(hào)提取電路對(duì)轉(zhuǎn)換元件的電學(xué)參數(shù)變化量進(jìn)行提取，從而完成水聽(tīng)
器對(duì)水下聲信號(hào)的矢量探測(cè)；在聲源向敏感轉(zhuǎn)化微結(jié)構(gòu)微型柱狀體的聲波傳遞 過(guò)程中僅經(jīng)過(guò)了水和透聲橡膠帽兩層介質(zhì)，與現(xiàn)有技術(shù)相比減少了一次聲波反 射，提高了聲波能量的傳遞效率；另外，透聲橡膠帽僅頂部灌封將微型柱狀體 頂端與透聲橡膠帽固定的聚氨酯，即未淹沒(méi)十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)，十字形懸臂梁 結(jié)構(gòu)暴露在透聲橡膠帽內(nèi)的氣體中，使得十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)在四梁形變的過(guò)程 中所受到的阻尼較小。
所述支持體上固定有與支持體端面垂直的支撐桿，支撐桿的另一端固定有 支撐托盤(pán)，敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)固定于支撐托盤(pán)上，且敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)與支撐托盤(pán) 之間以聚氨酯柔性固定；支持體上增設(shè)的支撐桿與支撐托盤(pán)的配合結(jié)構(gòu)，可以 減小支持體的聲波散射對(duì)微型柱狀體附近聲場(chǎng)的影響；敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)與支撐 托盤(pán)之間直接以聚氨酯柔性固定，可以減小支持體、支撐桿、支撐托盤(pán)的振動(dòng) 對(duì)敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)的影響，減小水聽(tīng)器的監(jiān)測(cè)誤差。
所述設(shè)置于十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)四梁端部上的轉(zhuǎn)換元件為硅微壓敏電阻；由 于硅微壓敏電阻的加工技術(shù)成熟，與共振隧穿二極管RTD作為轉(zhuǎn)換元件相比 要成本低、工藝兼容性好、成品率高；而且，硅微壓敏電阻所用硅材料半導(dǎo)體 的溫度系數(shù)小于共振隧穿二極管RTD所用GaAs基納米薄膜材料半導(dǎo)體的溫度 系數(shù)，硅微壓敏電阻與共振隧穿二極管RTD相比，受溫度影響要小得多，進(jìn) 而解決了熱噪聲問(wèn)題。因此，硅微壓敏電阻更適合作為敏感轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換元件。經(jīng)由國(guó)防科技工業(yè)水聲一級(jí)計(jì)量站715所對(duì)本發(fā)明所述水聽(tīng)器、以及采用 專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?200810079372.2"技術(shù)方案公開(kāi)的封裝結(jié)構(gòu)的"共振隧穿仿生 矢量水聲傳感器"進(jìn)行測(cè)試，靈敏度測(cè)試曲線如圖3、 4所示，信噪比結(jié)果如 表1所示，表明了本發(fā)明所述矢量水聽(tīng)器相比"共振隧穿仿生矢量水聲傳感器" 具有靈敏度適中(如圖4所示，達(dá)-160dB)、低頻高信噪比，頻率響應(yīng)好等特 點(diǎn)。 表l
頻率(Hz)共振隧穿仿生矢量水聲傳感器信噪比(dB)本發(fā)明信噪比(dB)差值(dB)
609134
12023263
70022321
1200-51116
7K10199
10K132913
20K3914-25
30K2717-10
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明仍然采用透聲橡膠帽，但是不再向透聲橡膠帽內(nèi) 灌注蓖麻油，而是在透聲橡膠帽頂部灌封將微型柱狀體頂端與透聲橡膠帽固定 的聚氨酯，這樣，將聲波的傳遞由三層介質(zhì)(水、透聲橡膠帽、蓖麻油)變?yōu)?兩層介質(zhì)(水、透聲橡膠帽)，減少了一次聲信號(hào)反射，即減少了一次能量損 失，同時(shí)，與灌注有蓖麻油時(shí)十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)四梁的形變幅度相比，本發(fā)明 中的十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)四梁的形變幅度得到提高，進(jìn)而相應(yīng)地提高了微機(jī)電矢 量水聽(tīng)器的靈敏度。本發(fā)明在用于固定敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)的支持體上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改
進(jìn)，以改善敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)對(duì)某些頻率的響應(yīng)1、增設(shè)的支撐桿與支撐托盤(pán)的配合結(jié)構(gòu)，可以減小支持體的聲波散射對(duì)微型柱狀體附近聲場(chǎng)的影響；2、 在敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)與支撐托盤(pán)之間采用聚氨酯隔振，起到保護(hù)敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu) 的目的，同時(shí)可以減小支持體、支撐桿、支撐托盤(pán)的振動(dòng)對(duì)敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)的 影響。另外，以硅微壓敏電阻作為敏感轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換元件，硅微壓敏電阻及 相應(yīng)十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)自身的熱噪聲小，產(chǎn)品成品率高。
本發(fā)明通過(guò)對(duì)封裝結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和敏感轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換元件的替換，提高了水 聽(tīng)器的靈敏度、改善了水聽(tīng)器的頻響，低頻高信噪比，使得水聽(tīng)器能夠表現(xiàn)出 更加優(yōu)異的性能，更適應(yīng)于水下環(huán)境。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖3為共振隧穿仿生矢量水聲傳感器水下靈敏度測(cè)試曲線；
圖4為本發(fā)明水下靈敏度測(cè)試曲線；
圖中l(wèi)-支持體；2-十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)；3-微型柱狀體；4-轉(zhuǎn)換元件；5-透聲橡膠帽；6-聚氨酯；7-支撐桿；8-支撐托盤(pán)；9-聚氨酯；10-固定件。
具體實(shí)施例方式
微機(jī)電矢量水聽(tīng)器，包括敏感轉(zhuǎn)化微結(jié)構(gòu)、用于固定敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)的支 持體l、罩于敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)外并與支持體1密封固定的封裝殼體，敏感轉(zhuǎn)化 微結(jié)構(gòu)包含在半導(dǎo)體襯底中部采用半導(dǎo)體體刻蝕技術(shù)刻蝕成的十字形懸臂梁 結(jié)構(gòu)2、密度與水的密度相近的微型柱狀體3，微型柱狀體3垂直固定于十字 形懸臂梁結(jié)構(gòu)2的中央，十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)2的四梁端部上設(shè)置有轉(zhuǎn)換元件4， 所述封裝殼體為采用高頻低衰減低滲水的聚氨酯灌封材料以聲學(xué)灌封工藝制成的透聲橡膠帽5，透聲橡膠帽5頂部灌封有將微型柱狀體3頂端與透聲橡膠 帽5固定的聚氨酯6。所述支持體1上固定有與支持體1端面垂直的支撐桿7， 支撐桿7的另一端固定有支撐托盤(pán)8，敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)固定于支撐托盤(pán)8上， 且敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)與支撐托盤(pán)8之間以聚氨酯9柔性固定；所述設(shè)置于十字形 懸臂梁結(jié)構(gòu)2四梁端部上的轉(zhuǎn)換元件4為硅微壓敏電阻。
在制作好敏感轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、透聲橡膠帽的基礎(chǔ)上，組裝本發(fā)明所述微機(jī)電矢 量水聽(tīng)器的具體操作步驟為
1、 將敏感轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)2底面通過(guò)聚氨酯9粘合在支撐 托盤(pán)8上；聚氨酯是一種柔性膠，可以有效的解決金屬質(zhì)支持體l、支撐桿7、 支撐托盤(pán)8的輕微振動(dòng)對(duì)敏感轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的影響。
2、 通過(guò)聚氨酯把用于將透聲橡膠帽5和支持體1固定的固定件10、同透 聲橡膠帽5粘合為一體；
3、 倒置透聲橡膠帽5，并向透聲橡膠帽5灌注大約可淹沒(méi)1/3-2/3微型柱 狀體3高度、而不淹沒(méi)十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)2的聚氨酯9;透聲橡膠帽5灌裝的 聚氨酯與制作透聲橡膠帽所用材料完全相同，灌注時(shí)聚氨酯為液體，約12小 時(shí)凝固為固體；
4、 將固定有敏感轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的支撐托盤(pán)8伸入透聲橡膠帽5內(nèi)，使1/3-2/3 微型柱狀體3插入液態(tài)聚氨酯9中，同時(shí)將支持體1與透聲橡膠帽的固定件10 封閉固定，將整個(gè)水聽(tīng)器倒置12-24小時(shí)，直至聚氨酯9凝固，即完成本發(fā)明 所述微機(jī)電矢量水聽(tīng)器的組裝。
8
權(quán)利要求
1、一種微機(jī)電矢量水聽(tīng)器，包括敏感轉(zhuǎn)化微結(jié)構(gòu)、用于固定敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)的支持體(1)、罩于敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)外并與支持體(1)密封固定的封裝殼體，敏感轉(zhuǎn)化微結(jié)構(gòu)包含在半導(dǎo)體襯底中部采用半導(dǎo)體體刻蝕技術(shù)刻蝕成的十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)(2)、密度與水的密度相近的微型柱狀體(3)，微型柱狀體(3)垂直固定于十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)(2)的中央，十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)(2)的四梁端部上設(shè)置有轉(zhuǎn)換元件(4)，所述封裝殼體為采用高頻低衰減低滲水的聚氨酯灌封材料以聲學(xué)灌封工藝制成的透聲橡膠帽(5)，其特征在于透聲橡膠帽(5)頂部灌封有將微型柱狀體(3)頂端與透聲橡膠帽(5)固定的聚氨酯(6)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電矢量水聽(tīng)器，其特征在于所述支持體 (1)上固定有與支持體(1)端面垂直的支撐桿(7)，支撐桿(7)的另一端固定有支撐托盤(pán)(8)，敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)固定于支撐托盤(pán)(8)上，且敏感轉(zhuǎn)換 微結(jié)構(gòu)與支撐托盤(pán)(8)之間以聚氨酯(9)柔性固定。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電矢量水聽(tīng)器，其特征在于所述設(shè)置于 十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)(2)四梁端部上的轉(zhuǎn)換元件(4)為硅微壓敏電阻。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水聲傳感器，具體是一種微機(jī)電矢量水聽(tīng)器。解決了現(xiàn)有矢量水聽(tīng)器的封裝結(jié)構(gòu)影響其整體性能提高的問(wèn)題，包括敏感轉(zhuǎn)化微結(jié)構(gòu)、用于固定敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)的支持體、罩于敏感轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)外并與支持體密封固定的封裝殼體，敏感轉(zhuǎn)化微結(jié)構(gòu)含十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)、微型柱狀體，微型柱狀體垂直固定于十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)的中央，十字形懸臂梁結(jié)構(gòu)的四梁端部上設(shè)置有轉(zhuǎn)換元件，封裝殼體為采用聚氨酯灌封材料制成的透聲橡膠帽，透聲橡膠帽頂部灌封有將微型柱狀體頂端與透聲橡膠帽固定的聚氨酯。通過(guò)對(duì)封裝結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和敏感轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換元件的替換，提高了水聽(tīng)器的靈敏度、改善了水聽(tīng)器的頻響，低頻高信噪比，使得水聽(tīng)器能夠表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能。
文檔編號(hào)G01H11/00GK101514919SQ20091007399
公開(kāi)日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者關(guān)凌綱, 張國(guó)軍, 張文棟, 張斌珍, 熊繼軍, 王建平, 薛晨陽(yáng) 申請(qǐng)人:中北大學(xué)