[发明专利]基于压阻效应的MEMS同振型球形振子矢量水听器

说明书

本发明公开了一种基于压阻效应的MEMS同振型球形振子矢量水听器，包括框型基座，所述框型基座上的四条边分别通过横梁连接环形连接体，所述环形连接体上安装球形拾振单元，所述球形拾振单元的密度为1g/cm³；四根横梁外侧分别设置有压敏电阻R₁₁、压敏电阻R₁₂、压敏电阻R₁₃和压敏电阻R₁₄，所述框型基座上设置有基准电阻R2、基准电阻R3和基准电阻R4；压敏电阻R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄串联后与基准电阻R2、R3和R4通过金属引线连接成惠斯通电桥结构。本发明从理论出发，设计并优化了一种微型化、良好低频特性、高灵敏度、宽工作频带、共模输出、差模抑制的同振型球形振子矢量水听器。

技术领域

本发明涉及MEMS传感器领域中的矢量水听器，具体是一种基于压阻效应的MEMS同振型球形振子矢量水听器。

背景技术

当前，国内外研制的矢量水听器总体上分为同振式和压差式两大类。对于压差性矢量水听器，由于其“8”字型余弦指向性凹点深度太浅，指向精度不高，从而限制了其水声领域的应用。对于同振式矢量水听器，根据质点振速水听器声波接收理论的不同可将同振型矢量水听器分为同振型柱体振子矢量水听器和同振型球形振子矢量水听器。常规同振型矢量水听器必须使用弹性悬挂元件(如橡胶绳或金属弹簧等)固定在刚性架上，悬挂原件的机械特性直接影响水听器的电声性能。该类矢量水听器都是在拾振单元中心或者是内部均匀布置一个或多个加速度传感器，来测量拾振单元振动的速度及加速度，从而得到声场中质点振速的相关信息。由于常规的设计及加工工艺带来的灵敏度低、质量大、声阻抗与水不匹配、难以在小体积平台上使用等问题。MEMS矢量水声传感器因其具有体积小、灵敏度高，矢量性和一致性好等一系列优点，同时，压阻传感器具有较好的低频甚至零频特性；基于此，本发明提出了一种基于压阻效应的MEMS同振型球形矢量水听器，以满足甚低频探测要求。

发明内容

本发明为解决现有采用常规设计及加工工艺等技术方案带来的球形振子矢量水声传感器抗流噪声性能差、灵敏度低、抗冲击性能差、质量大、声阻抗与水不匹配以及低频特性差等问题，提供了一种基于压阻效应的MEMS同振型球形振子矢量水听器。

本发明是采用如下的技术方案实现的：

一种基于压阻效应的MEMS同振型球形振子矢量水听器，包括框型基座，所述框型基座上的四条边分别通过横梁连接环形连接体，所述环形连接体上安装球形拾振单元，所述球形拾振单元密度为1g/cm³；四根横梁外侧分别设置有压敏电阻R₁₁、压敏电阻R₁₂、压敏电阻R₁₃和压敏电阻R₁₄，所述框型基座上设置有基准电阻R2、基准电阻R3和基准电阻R4；压敏电阻R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄串联后与基准电阻R2、R3和R4通过金属引线连接成惠斯通电桥结构。

本发明采用微纳加工技术，实现了球形振子矢量水听器的微型化。并将信号采集压敏电阻布置于连接球形振子的四根横梁上，可检测垂直于横梁方向上的声信号分量。当该水听器受到来自于Z方向上的声信号作用时，每根横梁上应力分布以及变化完全相同，通过串联的方式将压敏电阻R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄连接，等效为一个压敏电阻R1。应变电阻R1与基准电阻R2、R3、R4阻值相等，且压敏电阻与基准电阻组成惠斯通电桥；基准电阻R2、R3、R4分别作为惠斯通电桥的单边基准桥臂，压敏电阻R1作为惠斯通电桥单边应变桥臂。