[发明专利]中性浮力式MEMS矢量水听器

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS传感器领域中的矢量水听器，具体是一种高灵敏度的中性浮力式纳机电矢量水听器。

背景技术

随着水声技术的不断发展，在低频，小角度变化中获得空间增益，以及精确的给出水下目标的方位信息，矢量水听器成为一种必然的选择。由于水声探测环境的复杂性，所以MEMS矢量水听器的应用效果与很多因素密切相关，其中高灵敏度能对于它的应用效果具有重要的影响。

目前，MEMS水听器的技术已趋于成熟，但现有的微结构对水声信号的拾取能力不够，导致微结构灵敏度低，而且以往的聚氨脂透声帽的固有振动特性耦合作用于敏感检测微结构上，造成该水听器在低频段的灵敏度和频率响应不理想。

如专利号为200910073993.4的中国发明专利公开的“微机电矢量水听器”，此MEMS矢量水听器为目前灵敏度能最好的MEMS矢量水听器，但在水声环境中，该水听器对微弱信号的探测能力还是不够，需要从结构本身出发提高对灵敏度的探测，提高声电换能结构对微弱信号的敏感能力和转换能力。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有水听器灵敏度低、频率响应波动大等问题，而提供一种中性浮力式MEMS矢量水听器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种中性浮力式MEMS矢量水听器，包括内置信号处理电路板的不锈钢电路管壳，不锈钢电路管壳顶部延设有内置导线的缩颈管壳、底部管口插接有连接电缆的堵头，缩颈管壳内的导线与不锈钢电路管壳内的信号处理电路板的输入端连接，同时信号处理电路板的输出端通过导线与堵头上的电缆连接；缩颈管壳的顶部固接有开设中心通孔的固定圆盘，固定圆盘上开设有安装槽，安装槽内通过聚氨酯无缝隙地粘接安装有绝缘环形托盘，绝缘环形托盘上设有凸台，绝缘环形托盘上靠近边缘的位置设有环形卡槽，绝缘环形托盘上以其圆心为对称中心均匀开设有八个贯穿绝缘环形托盘及凸台的螺孔，其中任意两个螺孔为注油螺孔、剩余六个螺孔为信号螺孔，注油螺孔内安装有密封螺钉(密封螺钉起密封作用)、信号螺孔内安装有镀镍螺钉，并且各镀镍螺钉与缩颈管壳内的导线连接(镀镍螺钉不仅起到密封的作用，而且还起到传递数据的作用)；绝缘环形托盘上的凸台上安装有圆形PCB板(圆形PCB板即印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，简称印制板，以绝缘板为基材，切成一定尺寸，其上至少附有一个导电图形，并布有孔<如元件孔、紧固孔、金属化孔等>，用来代替以往装置电子元器件的底盘，并实现电子元器件之间的相互连接)，圆形PCB板上正对绝缘环形托盘上八个螺孔的位置同样开设有八个螺孔，并且圆形PCB板通过密封螺钉和镀镍螺钉固定于绝缘环形托盘的凸台上，圆形PCB板的中心处安装有水听器探测芯片(即：粘结敏感柱体的四梁微结构)；绝缘环形托盘上固接有厚度为0.1mm的透声帽，透声帽由乳胶-超弹性材料制成，该材料具有超强的透声性能，且赖磨、抗压，所述的透声帽包括空心圆柱体，空心柱体底部敞口、顶部由空心半球体封口，空心柱体底部的敞口端通过聚氨酯无缝隙地粘接在绝缘环形托盘的环形卡槽内；透声帽内还设有支撑架，所述的支撑架包括四个呈米字形交叉连接的U形架(四个U形架的交叉点位于U形架的弧形中心处，四个交叉的U形架俯视为一个米字型)，四个U形架的八个端部共同固定在一个连接环上，连接环螺纹连接在绝缘环形托盘的凸台上，支撑架的整体尺寸形状与透声帽内表面尺寸形状完全相同，且二者之间无缝隙的紧密结合；透声帽内充满硅油，不锈钢电路管壳、缩颈管壳、固定圆盘、绝缘环形托盘、凸台、水听器探测芯片、透声帽和支撑架均位于同一轴线上；所述的水听器探测芯片在其敏感柱体上套固有浮力球，所述的浮力球是采用低密度的PVC材料制作而成的实心球体，其密度远比硅油的密度小，并包裹固定在敏感柱体的中部，浮力球保证敏感柱体在硅油中形成中性浮力，其振动速度幅值V与敏感柱体几何中心处水质点的振动速度幅值V₀相同，这是具有中性浮力的水下加速度计设计的基本理论依据。

声学理论的研究表明，浸在水中的刚性运动柱体的振速为^[11-13]：

其中，v_x是刚硬柱体的振速幅值，F_x是x方向上作用在柱体上的力，Z_m是接收系统的机械阻抗，Z_s是二次辐射的辐射阻抗，a为柱体半径，P(a,φ)是柱面上任意一点处(a,φ)的声压，k＝ω/c是波数，P₀是入射波声压幅值，ρ₀是周围流体介质的密度。