單片集成複合量程矢量水聽器的製作方法
2023-07-31 03:39:21
專利名稱：單片集成複合量程矢量水聽器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種MEMS矢量水聽器，具體是一種單片集成複合量程矢量水聽器。
背景技術：
矢量水聽器具有對水下聲源目標進行定位的作用，是適用於各類民用船隻避障、 漁業捕撈、海洋勘探的重要設備。隨著微機電MEMS產業的興起，矢量水聽器逐漸向微型化、 集成化方向發展，具有廣泛的軍事和民用前景。由於現有矢量水聽器的固有頻率和靈敏度之間的關係是相互制約的，即剛硬柱體的高度越高，矢量水聽器的靈敏度越高，但其固有頻率則越低，反之亦然。因此現有矢量水聽器為了兼顧其靈敏度和有效工作頻帶，其有效工作頻帶範圍窄，即低頻高靈敏度。但是在同一個測試過程中，往往會遇到很多所需測量的聲音信號的大小和頻率各不相同的情況，例如，在各類民用船隻避障中，各種障礙物的頻率是不一樣的，有的可能只有幾十赫茲，有的幾百赫茲等等，而且有的聲音信號大，有的聲音信號小。在這些場合中用一個矢量水聽器很難滿足測試要求。為了解決這樣的問題，提出了本設計。由於該複合量程矢量水聽器中各個傳感器具有不同的測試靈敏度，因此，將其運用於變頻率值的精確測量。
發明內容
本發明為了解決現有矢量水聽器由於靈敏度和有效工作頻帶的相互制約，有效頻帶範圍窄，從而不能滿足在同一個測試過程中測量各種頻率的信號的缺點，而提供了一種單片集成複合量程矢量水聽器。該矢量水聽器包括四個傳感器，可以有四個不同的測量量程，因此對水下聲源的檢測會更加準確。本發明是通過以下技術方案實現的
一種單片集成複合量程矢量水聽器，包括田字形支架，彈性梁以及通過彈性梁分別支懸于田字形支架的四個小框體中部的質量塊，每個質量塊的四邊分別通過一根彈性梁與田字形支架固定，每根彈性梁的端部和根部分別集成有一個阻值相等的壓敏電阻，且位於X 方向的兩根彈性梁上的四個壓敏電阻組成一個惠斯通電橋，位於Y方向的兩根彈性梁上的四個壓敏電阻組成一個惠斯通電橋；四個X方向的惠斯通電橋之間採用並聯設置，四個Y方向的惠斯通電橋之間採用並聯設置；四個質量塊中部分別垂直設有一根直徑相同的纖毛柱體第一纖毛柱體、第二纖毛柱體、第三纖毛柱體和第四纖毛柱體，四根纖毛柱體同側設置且長度關係為第一纖毛柱體 > 第二纖毛柱體 > 第三纖毛柱體 > 第四纖毛柱體，第一纖毛柱體和第二纖毛柱體對角線設置，第三纖毛柱體和第四纖毛柱體對角線設置，四個纖毛柱體的密度與水密度相同或相近。其中，田字形支架起載體晶片的作用。在具體測量時，纖毛柱體將感受到的聲音信號傳遞給敏感結構(即質量塊及其連接的四根彈性梁)，使彈性梁產生應力變化，從而引起彈性梁上壓敏電阻的變化，壓敏電阻的變化會引起該矢量水聽器上四個X方向和四個Y方向的惠斯通電橋的輸出變化，從而實現對水下聲信號的方位、聲壓大小的測量。CN 102426054 A
說明書
2/4頁本發明水聽器上設置的四根不同長度的纖毛柱體的測試靈敏度和有效工作頻帶都不一樣，因此可以應用在變頻率值的檢測中，從而拓寬了其有效工作頻帶。所述的彈性梁和質量塊採用SOI材料進過現有的MEMS微機械工藝加工而成；所述的壓敏電阻採用P型矽電阻條，電阻條按[110]晶向布置，且該壓敏電阻通過現有的擴散工藝加工而成。所述的彈性梁的梁長為SOOMffl、梁寬為200Mm、梁厚為30Mm;質量塊的邊長為 300Mm ；第一纖毛柱體長20000Mm，第二纖毛柱長ΙΟΟΟΟμπκ第三纖毛柱體長6000Mm、第四纖毛柱體長3000Mm，各纖毛柱體的半徑為ΙΟΟμπι。纖毛柱體的長度不同，其量程也不同，第一纖毛柱體到第四纖毛柱體的量程分別為60 Hz,300 Hz,2600Hz,7500Hzο根據理論知識，由質量塊、彈性梁及纖毛柱體組成的傳感器仿生微結構的共振頻率為
權利要求
1.一種單片集成複合量程矢量水聽器，其特徵在於包括田字形支架(1)，彈性梁(2) 以及通過彈性梁(2)分別支懸于田字形支架(1)的四個小框體中部的質量塊(3)，每個質量塊(3)的四邊分別通過一根彈性梁(2)與田字形支架(1)固定，每根彈性梁(2)的端部和根部分別集成有一個阻值相等的壓敏電阻(4)，且位於X方向的兩根彈性梁(2)上的四個壓敏電阻(4)組成一個惠斯通電橋，位於Y方向的兩根彈性梁(2)上的四個壓敏電阻(4)組成一個惠斯通電橋；四個X方向的惠斯通電橋之間採用並聯設置，四個Y方向的惠斯通電橋之間採用並聯設置；四個質量塊(3)中部分別垂直設有一根直徑相同的纖毛柱體第一纖毛柱體(5)、第二纖毛柱體(6)、第三纖毛柱體(7)和第四纖毛柱體(8)，四根纖毛柱體同側設置且長度關係為第一纖毛柱體(5) >第二纖毛柱體(6) >第三纖毛柱體(7) >第四纖毛柱體 (8)，第一纖毛柱體(5)和第二纖毛柱體(6)對角線設置，第三纖毛柱體(7)和第四纖毛柱體 (8)對角線設置，四個纖毛柱體的密度與水密度相同或相近。
2.根據權利要求1所述的單片集成複合量程矢量水聽器，其特徵在於所述的彈性梁 (2)和質量塊(3)採用SOI材料經過現有的MEMS微機械工藝加工而成；所述的壓敏電阻(4) 採用P型矽電阻條，電阻條按[110]晶向布置，且該壓敏電阻(4)通過現有的擴散工藝加工而成。
3.根據權利要求1或2所述的單片集成複合量程矢量水聽器，其特徵在於所述的彈性梁(2)的梁長為SOOMffl、梁寬為200Mm、梁厚為30Mm ；質量塊(3)的邊長為300Mm ；第一纖毛柱體(5)長20000Mm，第二纖毛柱體(6)長lOOOOMm、第三纖毛柱體(7)長6000Mm、第四纖毛柱體(8)長3000Mm，各纖毛柱體的半徑為lOOMm。
全文摘要
本發明為一種單片集成複合量程矢量水聽器，解決了現有矢量水聽器由於靈敏度和有效工作頻帶的相互制約而不能滿足在同一個測試過程中測量各種頻率信號的問題。本發明包括田字形支架，彈性梁以及通過彈性梁分別支懸于田字形支架的四個小框體中部的質量塊，每個質量塊的四邊分別通過一根彈性梁與田字形支架固定，每根彈性梁的端部和根部分別集成有一個阻值相等的壓敏電阻，四個質量塊中部分別垂直設有一根直徑相同的纖毛柱體，四根纖毛柱體長短不一。本發明可通過其上的四根不同長度的纖毛柱體，檢測到不同量程範圍內的聲信號，可用於變頻率值的測定，拓寬了其有效工作頻帶。
文檔編號G01H11/08GK102426054SQ20111033423
公開日2012年4月25日 申請日期2011年10月29日 優先權日2011年10月29日
發明者劉林仙, 張國軍, 張文棟, 熊繼軍, 葛曉洋, 薛晨陽 申請人:中北大學