微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結構的製作方法

2023-05-30 09:46:46

專利名稱：微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及基於微納MEMS/NEMS加工技術與仿生學原理的微納仿生矢 量水聲傳感器，具體是一種微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結構。
背景技術：
科學技術發展到現今，人類所創造的技術裝置日益複雜和昂貴，體積龐大 而不可靠，不能滿足工業、農業、醫學和軍事技術越來越高的要求，這就迫使
人們去尋找新的技術原理。另一方面，生物在億萬年的進化過程中，通過嚴峻 的自然選擇，並在生物界的競爭中求得生存和發展，它們練就了一身獨特的本 領，特別是在視覺和聽覺器官上表現得極為發達，生物界由此形成的一套極為 精確的導航、定位、識別和能量轉化系統，使許多動物能在極其惡劣的條件下 繁衍生存至今。所以模仿生物體的某些天然奇特本領，有可能創造出意想不到 的新技術和新成果。
由生物學理論可知，如圖l-4所示，魚類的聽覺器官除了內耳外還有種特 殊的皮膚感覺器官，叫側線l;埋在皮下的側線管2上有呈節狀的神經丘感覺 器3。神經丘3浸潤在粘液中，不論是水內、水外的聲波9、振動波、水流速 度的改變等外力作用於水，都可使水的壓力產生變化，這種壓力通過側線孔4 進入管2內，傳遞於粘液，引起粘液流動，再由粘液傳遞到神經丘3，引起感 覺頂5發生偏斜，感覺頂5內的粘液10使可動纖毛6也發生偏斜，從而使感 覺細胞7獲得刺激，刺激通過感覺神經纖維，經側線神經8傳遞到延腦。魚類 側線器官可以感知水壓大小、水流速度、水流方向、水中物體的位置和其它各 種變化，它能感受聲波9。魚類側線這一特殊聽覺器官為設計具有定向性的仿 生矢量水聲傳感器提供了原型。
例如專利申請號為200610012991.0的中國發明專利申請公布了一種"共
振隧穿仿生矢量水聲傳感器"，即是模仿魚類側線內的纖毛與感覺細胞實現的，
如圖5、 6所示，該申請用固定於半導體襯底十字形懸臂梁ll中央的與水的密度 相近或相同的微型柱狀體12模仿可動纖毛6，且以固定在半導體襯底十字形懸 臂梁11上微型柱狀體12周圍的共振隧穿二極體13模仿可動纖毛6周圍的感覺細 胞7，模仿魚類側線聽覺原理，實現對水下聲波9的探測，同時由於採用微型柱 狀體12的密度與水的密度相近或相同，從而保證了微型柱狀體12與水質點同 振，最終通過共振隧穿二極體13測量微型柱狀體12的振速，實現對水下聲信號 的方位、聲壓大小的測量。在該申請中公開了共振隧穿仿生矢量水聲傳感器的 微結構，但其微結構並不能直接置於待測環境中進行測試，必須採用一定的封 裝結構才可以，即矢量水聲傳感器的性能指標除受其微結構影響外，還會受其 微結構外封裝結構的影響。
而且，隨著微納MEMS/NEMS加工技術的發展，尤其是NEMS加工工藝 的成熟，由微納MEMS/NEMS加工技術加工出的矢量水聲傳感器微結構突破 了常規矢量水聲傳感器的極限，不但體積小，而且具有靈敏度高、解析度高、 功耗低、可進行甚低頻檢測等優點，倍受國內外重視。

發明內容
本發明為了通過封裝結構進一步提高和完善矢量水聲傳感器的性能指標， 基於專利申請號為200610012991.0的中國發明專利申if"共振隧穿仿生矢量水 聲傳感器"，提供了模仿魚類側線感覺器官的一種微納仿生矢量水聲傳感器的 封裝結構。
本發明是採用如下技術方案實現的微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結 構，包括用於固定微納仿生矢量水聲傳感器的支持體、罩於微納仿生矢量水聲 傳感器外並與支持體密封固定的封裝殼體，封裝殼體內注滿有與水密度相同或 相近的絕緣液體，所述封裝殼體為採用高頻低衰減低滲水的聚氮酯灌封材料以 聲學灌封工藝製成的透聲橡膠帽。所述聲學灌封工藝是現有公知技術。
所述絕緣液體採用蓖麻油，通過查閱相關資料可以確定蓖麻油絕緣，且 與水的密度、波速以及特性阻抗都很接近。
所述支持,分為外部支持體、由絕緣材料製成的用於直接固定微納仿生矢 量水聲傳感器的內部支持體，外部支持體分為固定支持體、通過防水接頭與固 定支持體連接固定的引線支持體，引線支持體內置與水聲傳感器相連的導線， 內部支持體固定於固定支持體上，引線支持體尾端設有與上述導線連接的引出 電纜。本發明通過內部支持體將水聲傳感器微結構固定在外部支持體上；將外 部支持體以固定支持體和弓I線支持體兩部分設置，是為了方便水聲傳感器微結 構的封裝；使用時，與水聲傳感器相連的導線穿過引線支持體，最後經由引線 支持體尾端的引出電纜引出，與相應的信號處理裝置連接即可。甚至可以將水 聲傳感器的相應信號處理單元封裝在引線支持體內。
所述微納仿生矢量水聲傳感器指釆用現有公知技術一標準微納加工工藝 加工製成的專利申請號為200610012991.0的中國發明專利申請"共振隧穿仿生 矢量水聲傳感器"，或其它同類型仿生矢量水聲傳感器。
以共振隧穿仿生矢量水聲傳感器為例，在應用本發明所述封裝結構封裝 後，封裝結構中的透聲橡膠帽、蓖麻油、以及水聲傳感器微結構中的微型柱狀 體、壓阻敏感單元一共振隧穿二極體分別模仿了成魚類側線神經丘感覺器的感 覺頂、感覺頂內部的黏液、可動纖毛以及感覺細胞。因此，當有水下聲信號作 用於水聲傳感器封裝結構的"感覺頂"一透聲橡膠帽時，透聲橡膠帽將會通過 "黏液"一蓖麻油把相應的聲音信號傳遞給水聲傳感器的"可動纖毛" 一微型 柱狀體，微型柱狀體與其所處位置的介質質點同振，使十字形懸臂梁的四梁產 生應力變化，從而將感受到的聲信號傳遞給"感覺細胞" 一共振隧穿二極體， 四梁端部的共振隧穿二極體參數值會發生變化，然後通過相應的信號檢測單元 對共振隧穿二極體參數值的變化量進行檢測，即可實現水下、水平面內聲信號 的矢量探測。 與現有技術相比，本發明採用高頻低衰減低滲水的聚氨脂灌封材料製作成 透聲橡膠帽對水聲傳感器微結構進行封裝，並在透聲橡膠帽內注滿與水密度接 近而又絕緣的蓖麻油；透聲橡膠帽可以很好的解決耐水、耐壓等問題，實現對 水聲傳感器微結構的水下保護，同時又不會影響聲波的傳輸，進而聲波在蓖麻 油的傳導下，使水聲傳感器微結構的感知元件與其周圍介質質點同振，最終通 過測量水聲傳感器微結構感知元件的振動信息，對水下聲信號的方位、聲壓大 小的測量，實現了進一步提高和完善矢量水聲傳感器性能指標的目的。本發明 將仿生結構應用到了聲學探測傳感器的封裝結構上，將仿生學和微納加工技術 相結合，突破了現有矢量水聲傳感器性能極限，將聲納研究向仿生器件滲透， 無疑為聲納研究開創新的一頁。
本發明所述封裝結構根據仿生學原理設計，結構合理，在保護水聲傳感器 微結構的同時，不會影響和妨礙水聲傳感器微結構對聲信號的檢測，達到了進 一步提高和完善矢量水聲傳感器性能指標的目的。


圖l為魚類的側線位置圖； 圖2為魚類側線的結構圖3為魚類側線中神經丘感覺器的結構圖； 圖4為魚類側線器官的感覺傳導途徑圖5為微納仿生矢量水聲傳感器微結構的三維示意圖； 圖6為微納仿生矢量水聲傳感器微結構的實物圖7為微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結構與魚類側線中神經丘感覺器生
物結構的對比圖8為本發明所述封裝結構的結構圖9為應用本發明所述封裝結構的微納仿生矢量水聲傳感器的信號傳導途 徑圖10為應用本發明所述封裝結構的微納仿生矢量水聲傳感器的模型樣機 實物圖ll為應用本發明所述封裝結構的微納仿生矢量水聲傳感器的頻響曲線
圖12為應用本發明所述封裝結構的微納仿生矢量水聲傳感器的指向性圖； 圖中l-側線；2-側線管；3-神經丘感覺器；4-側線孔；5-感覺頂；6-可動 纖毛；7-感覺細胞；8-側線神經；9-聲波；lO-粘液；ll-十字形懸臂梁；12-微 型柱狀體；13-共振隧穿二極體；14-透聲橡膠帽；15-蓖麻油；16-內部支持體； 17-固定支持體；18-防水接頭；19-引線支持體；20-引出電纜。
具體實施例方式
如圖8、 IO所示，微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結構，包括用於固定微 納仿生矢量水聲傳感器的支持體、罩於微納仿生矢量水聲傳感器外並與支持體 密封固定的封裝殼體，封裝殼體內注滿有與水密度接近的絕緣液體，所述封裝 殼體為採用高頻低衰減低滲水的聚氨酯灌封材料以聲學灌封工藝製成的透聲 橡膠帽14。所述絕緣液體採用蓖麻油15;所述支持體分為外部支持體、由絕緣 材料製成的用於直接固定微納仿生矢量水聲傳感器的內部支持體16，外部支持 體分為固定支持體17、通過防水接頭18與固定支持體17連接固定的引線支持體 19，引線支持體19內置與水聲傳感器相連的導線，內部支持體16固定於固定支 持體17上，引線支持體19尾端設有與上述導線連接的引出電纜20。
以共振隧穿仿生矢量水聲傳感器為例，如圖7所示，在應用本發明所述封 裝結構封裝後，封裝結構中的透聲橡膠帽14、蓖麻油15、以及水聲傳感器微結 構中的微型柱狀體12、壓阻敏感單元一共振隧穿二極體13分別模仿了成魚類側 線神經丘感覺器3的感覺頂5、感覺頂5內部的黏液10、可動纖毛6以及感覺細胞 7。因此，如圖9所示，當有水下聲波9作用於水聲傳感器封裝結構的"感覺頂" 一透聲橡膠帽14時，透聲橡膠帽14將會通過"黏液" 一蓖麻油15把相應的聲音
信號傳遞給水聲傳感器的"可動纖毛"一微型柱狀體12，微型柱狀體12與其所 處位置的介質質點同振，使十字形懸臂梁ll的四梁產生應力變化，從而將感受 到的聲信號傳遞給"感覺細胞" 一共振隧穿二極體13，四梁端部的共振隧穿二 極管13參數值會發生變化，然後通過相應的信號檢測單元對共振隧穿二極體13 參數值的變化量進行檢測，即可實現水下、水平面內聲信號的矢量探測。
具體實施時，內部支持體16採用具有良好絕緣特性的合成橡膠製成；外部 支持體採用鋁合金材料製成，該材料不但具有良好的耐腐蝕特性，而且不易沾 染汙垢，適合水底下的長期測試。
利用國防水聲一級計量站的測量裝置對採用本發明所述封裝結構的微納 仿生矢量水聲傳感器進行了校準實驗，通過實驗驗證了利用本發明所述封裝結 構封裝的微納仿生矢量水聲傳感器極具可行性，驗證的具體結果見圖ll、圖12。
權利要求
1、一種微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結構，其特徵在於包括用於固定微納仿生矢量水聲傳感器的支持體、罩於微納仿生矢量水聲傳感器外並與支持體密封固定的封裝殼體，封裝殼體內注滿有與水密度接近的絕緣液體，所述封裝殼體為採用高頻低衰減低滲水的聚氨酯灌封材料以聲學灌封工藝製成的透聲橡膠帽(14)。
2、 根據權利要求l所述的微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結構，其特徵在 於所述絕緣液體採用蓖麻油(15)。
3、 根據權利要求l所述的微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結構，其特徵在 於所述支持體分為外部支持體、由絕緣材料製成的用於直接固定微納仿生矢 量水聲傳感器的內部支持體(16)，外部支持體分為固定支持體(17)、通過防水接頭(18)與固定支持體(17)連接固定的引線支持體(19)，引線支持體 (19)內置與水聲傳感器相連的導線，內部支持體(16)固定於固定支持體(17) 上，引線支持體(19)尾端設有與上述導線連接的引出電纜(20)。
全文摘要
本發明涉及基於微納MEMS/NEMS加工技術與仿生學原理的微納仿生矢量水聲傳感器，具體是一種微納仿生矢量水聲傳感器的封裝結構。通過封裝結構進一步提高和完善了矢量水聲傳感器的性能指標，該封裝結構包括用於固定微納仿生矢量水聲傳感器的支持體、罩於微納仿生矢量水聲傳感器外並與支持體密封固定的封裝殼體，封裝殼體內注滿有與水密度相同或相近的絕緣液體，所述封裝殼體為採用高頻低衰減低滲水的聚氨酯灌封材料以聲學灌封工藝製成的透聲橡膠帽。根據仿生學原理設計，結構合理，在保護水聲傳感器微結構的同時，不會影響和妨礙水聲傳感器微結構對聲信號的檢測，達到了進一步提高和完善矢量水聲傳感器性能指標的目的。
文檔編號G01S7/521GK101354283SQ20081007937
公開日2009年1月28日 申請日期2008年9月8日 優先權日2008年9月8日
發明者張國軍, 張開銳, 張文棟, 張斌珍, 熊繼軍, 薛晨陽, 尚 陳 申請人:中北大學