[发明专利]具有双圆柱增敏结构的MEMS矢量水听器

说明书

本发明公开了一种具有双圆柱增敏结构的MEMS矢量水听器。本发明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。

技术领域

本发明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

本发明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，本发明提供如下技术方案：