专利名称：矢量水听器用抗流噪声型敏感体的制作方法
技术领域：
本发明涉及MEMS传感器领域中的矢量水听器，具体是一种矢量水听器用抗流噪 声型敏感体。
背景技术：
声纳是江河湖海中舰潜艇行进、实施导弹发射的耳目，其重要组成部分-矢量水 听器是声纳的感知及转换部分，是决定声纳性能好坏的关键部件。矢量水听器的作用是 感知水下有用声信号，用以确定目标声源的准确位置，而江河湖海中有各种各样背景噪声， 包括流噪声、海浪声、鱼等水下生物及民用船只的活动声音等等，以大海来说，大海本是无 风三尺浪，即使是表面风平浪静，其实水下是暗流涌动，所以在这众多的背景噪声中要数 流噪声对矢量水听器测量结果的影响最为严重。一旦矢量水听器拾取了含有大量流噪声 的声信号，要想在后续的电路处理中滤除流噪声，是极为困难和麻烦的。例如专利号为 “200910073993. 4”的中国发明专利公开了一种“微机电矢量水听器”，该矢量水听器在理想 的消声水池中有很好的灵敏度和频响效果。但一经海试才发现，当目标信号源有一定距离， 信号本比较微弱(如超静音潜艇)时，在经过一定距离的衰减之后，便被湮没在流噪声之 中。背景噪声中的流噪声成为了有用信号的掩护，严重制约了矢量水听器的性能优化发展 和工程应用。此外，矢量水听器的安装方式同样是影响其测量结果的因素之一，其安装方式包 括硬连接和软连接，硬连接指矢量水听器直接硬性安装于舰船上，无法避免舰船自身发动 机震动、风浪下船体摇摆对矢量水听器的影响；软连接指矢量水听器借助弹性介质实现其 与舰船的固定，基于弹性介质的减震作用，能大大提高矢量水听器抗流噪声的能力，但软连 接无法实现微型化，而且在实现水听器阵列组成时，无法保证各水听器的一致性和稳定性。

发明内容
本发明为了解决现有矢量水听器抗流噪声能力弱的问题，提供了一种矢量水听器 用抗流噪声型敏感体，用以提高矢量水听器的整体性能。本发明是采用如下技术方案实现的矢量水听器用抗流噪声型敏感体，包括用于 敏感水声信号的敏感结构，所述敏感结构包含半导体框架、架设于半导体框架中央的十字 形悬臂梁、垂直固定于十字形悬臂梁中央(即四梁交叉处)的微型柱状体，十字形悬臂梁的 四梁端部分别设置有应变敏感元件(例如压敏电阻、共振隧穿二极管RTD等)，并连接组 成用于测量水声信号的惠斯通电桥；所述敏感结构由采用MEMS微加工技术加工获得的双 框结构支撑固定，所述双框结构包含外框、悬置于外框内的内框，内框的两正对边框分别通 过伸缩方向一致的折叠式弹簧与外框连接固定；敏感结构悬置于内框内，敏感结构半导体 框架的两正对边框分别通过伸缩方向一致的折叠式弹簧与内框连接固定，且敏感结构半导 体框架与内框间折叠式弹簧的伸缩方向(即设置方向)、及外框与内框间折叠式弹簧的伸 缩方向呈垂直关系。
所述敏感结构的半导体框架、十字形悬臂梁和双框结构采用现有MEMS加工工艺 同时加工获得，保证了敏感体的一致性和稳定性。与现有技术相比，本发明在敏感结构外增设独特的双框结构，以双框结构实现对 敏感结构的支撑固定，双框结构中合理应用了折叠式弹簧结构-芯片级减振弹簧，使得本 发明所述敏感体在应用时，如遇到水流较急(即流噪声较大时)，双框结构中的折叠式弹簧 会发生形变，像减震器一样有效的缓减水流的压力，进而大大提高矢量水听器的抗流噪声 能力。对本发明所述敏感体进行有限元仿真分析1、分析双框结构中折叠式弹簧的尺寸运用控制变量法，分别只改变弹簧的垂直厚度、水平宽度、单侧长度和匝数，测试 弹簧的劲度(倔强)系数，得到如下结论弹簧的劲度(倔强)系数与垂直厚度成正比，与水平宽度的三次方成正比，与弹簧 单侧长度的m次方成反比，其中2 <m < 3，与弹簧匝数成反比。弹簧越长越细，劲度(倔强)系数越小，即越容易发生形变，冲击力越容易转化为 弹簧的弹力，核心结构越不易随之相对振荡，即梁上应力越小，减振效果越理想；但同时也 意味着弹性限度越小，即越难支持内部的核心敏感结构(因为有重力的作用)，而且因正常 冲击导致弹簧断裂的可能性越大，同时冲击造成的弹簧的弹性恢复力亦越有限，造价越高。以外框与内框间的X轴向上弹簧尺寸的设计为例，因为弹簧的劲度(倔强)系数 与弹簧单侧长度的m次方成反比，其中2 <m< 3，又不能超过外框的边长；以外框的边长 为1 = 6400um时，故设计弹簧的单侧长度1 = 3000um ；因为弹簧的劲度(倔强)系数与水 平宽度的三次方成正比，而与其他的都只成一次方比，所以水平宽度是主要决定因素，故设 计水平宽度w = 30um;结合劲度(倔强)系数k 5N/m综合考虑，设计弹簧的折叠匝数为 2，垂直厚度为d = 150um。综合设计弹簧尺寸为1 = 3000um,w = 30um,n = 2，d = 150um, 此时弹簧的劲度(倔强)系数k 5N/m。同理，内框与敏感结构半导体框架间的Y轴向上 弹簧尺寸设计为1 = 5000um, w = 30um, η = 2, d = 300um，此时弹簧的劲度(倔强)系数 也为 k ^ 5N/m。2、分析折叠式弹簧的位置为了使两组弹簧单独作用，互不耦合，即在施力方向上只体现切向刚度无法起作 用的、施力方向上的弹簧的作用，起到抗流噪声的作用。设计弹簧位置如图1所示。3、对比测试经测试双框结构中折叠式弹簧在各种分析中耦合度很小，在X轴向上外圈弹簧 起减震作用(如图2)，在Y轴向上内圈弹簧起减震作用(如图4)。整个结构一直趋于静止 (如图3、图5)，由图6对比看出，原结构(即未增设双框结构进行支撑固定的敏感结构) 是缓慢减小的三角波，可见本发明结构(即优化结构)使外部冲击能量基本都由外阻尼作 用损耗，明显起到了抗流噪声的作用。由图7、8比较可知，原结构和本发明结构的敏感结构 中微型柱状体单侧受到同样大小的声压作用时(P = 1 )，梁上应力值基本相同，分别约为 2191 X IO2Pa和2205X IO2Pa,充分说明了本发明结构不影响对有用信号的采集，即不影响 灵敏度。本发明结构合理、紧凑，应用了芯片级减振弹簧，使得矢量水听器抑制流噪声的能力大为增强，探测距离延长，并能一次集成加工完成，一致性好，性能更加优异，更能适应水 下恶劣的环境。


图1为本发明的结构示意图；图2为本发明受X向冲击时的等效应力云图；图3为本发明受X向冲击时结构的振动幅度变化图；图4为本发明受Y向冲击时的等效应力云图；图5为本发明受Y向冲击时结构的振动幅度变化图；图6为本发明与现有矢量水听器敏感体受相同冲击时梁上应力变化的对比图；图7为现有矢量水听器敏感结构中微型柱状体一侧受1 声压时梁上应力的变化 图；图8为本发明敏感结构中微型柱状体一侧受IPa声压时梁上应力的变化图；图中1-半导体框架；2-十字形悬臂梁；3-微型柱状体；4-外框；5-内框；6、7_折 叠式弹簧；8、9_折叠式弹簧。
具体实施例方式矢量水听器用抗流噪声型敏感体，包括用于敏感水声信号的敏感结构，所述敏感 结构包含半导体框架1、架设于半导体框架1中央的十字形悬臂梁2、垂直固定于十字形悬 臂梁2中央(即四梁交叉处)的微型柱状体3，十字形悬臂梁2的四梁端部分别设置有应变 敏感元件(例如压敏电阻、共振隧穿二极管RTD等)，并连接组成用于测量水声信号的惠 斯通电桥；所述敏感结构由采用MEMS微加工技术加工获得的双框结构支撑固定，所述双框 结构包含外框4、悬置于外框4内的内框5，内框5的两正对边框分别通过伸缩方向一致的 折叠式弹簧6、7与外框4连接固定；敏感结构悬置于内框5内，敏感结构半导体框架1的两 正对边框分别通过伸缩方向一致的折叠式弹簧8、9与内框5连接固定，且敏感结构半导体 框架1与内框5间折叠式弹簧8、9的伸缩方向(即设置方向)、及外框4与内框5间折叠式 弹簧6、7的伸缩方向呈垂直关系。
权利要求
1. 一种矢量水听器用抗流噪声型敏感体，包括用于敏感水声信号的敏感结构，所述敏 感结构包含半导体框架(1)、架设于半导体框架(1)中央的十字形悬臂梁(2)、垂直固定于 十字形悬臂梁(2)中央的微型柱状体(3)，十字形悬臂梁(2)的四梁端部分别设置有应变敏 感元件，并连接组成用于测量水声信号的惠斯通电桥；其特征在于所述敏感结构由采用 MEMS微加工技术加工获得的双框结构支撑固定，所述双框结构包含外框(4)、悬置于外框 (4)内的内框(5)，内框(5)的两正对边框分别通过伸缩方向一致的折叠式弹簧(6、7)与外 框(4)连接固定；敏感结构悬置于内框(5)内，敏感结构半导体框架(1)的两正对边框分别 通过伸缩方向一致的折叠式弹簧(8、9)与内框(5)连接固定，且敏感结构半导体框架(1)与 内框(5)间折叠式弹簧(8、9)的伸缩方向、及外框(4)与内框(5)间折叠式弹簧(6、7)的伸 缩方向呈垂直关系。
全文摘要
本发明涉及MEMS传感器领域中的矢量水听器，具体是一种矢量水听器用抗流噪声型敏感体。解决了现有矢量水听器抗流噪声能力弱的问题，包括用于敏感水声信号的敏感结构，敏感结构由双框结构支撑固定，双框结构包含外框、内框，内框的两正对边框分别通过折叠式弹簧与外框连接固定；敏感结构悬置于内框内，敏感结构半导体框架的两正对边框分别通过折叠式弹簧与内框连接固定，敏感结构半导体框架与内框间折叠式弹簧的伸缩方向、及外框与内框间折叠式弹簧的伸缩方向呈垂直关系。结构合理、紧凑，应用了芯片级减振弹簧，使得矢量水听器抑制流噪声的能力大为增强，探测距离延长，并能一次集成加工完成，一致性好，性能更加优异，更能适应水下恶劣的环境。
文档编号G01S7/521GK102095489SQ201010582248
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者何常德, 关凌纲, 刘细宝, 张国军, 张文栋, 熊继军, 王红亮, 薛晨阳 申请人:中北大学