同轴封装姿态自校准MEMS矢量水听器

同轴封装姿态自校准mems矢量水听器
技术领域
1.本发明属于接收换能器技术领域，涉及一种用压电装置检测声波的装置，具体涉及一种同轴封装姿态自校准mems矢量水听器。


背景技术：

2.海洋的探索、开发、控制、管理越来越被重视，这些都是基于对海洋信息的采集，目前已有的一些设备，例如水下摄影机、磁异常探测仪等，只适合近距离探测。要想探测更远的距离，基于声波在水下良好的传播特性，就必须使用声呐设备，通过声音信号和电信号的相互转换及信号处理技术，可以完成水下目标探测，进行水下通讯、遥测、遥感。海洋声呐系统可以获得各种海洋环境信息，水声换能器作为声呐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声呐技术发展的一个关键内容。水声换能器是水下各种发射、接收测量传感器的总称，它将水下的声信号转换成电信号(接收换能) ，或将电信号转换成水下的声信号(发射换能器) ，它是声呐的重要组成部分。其水下工作的性能直接关系到声呐系统的定位精度和探测距离。
3.为了能够在低频、小尺度阵形下获得一定的空间增益，且能给出水下目标精确的方位信息，矢量水声传感器是一种最佳的选择。它具有宽带一致的偶极子指向性及低频、小尺寸等特点。在水声测量系统中，矢量水声传感器的采用使系统的抗干扰能力和线普检测能力得以提高。在噪声场中矢量水声传感器具有各向同性噪声抵消的优点，因此可以在极其恶劣的环境中进行目标探测，并可借助相对来说较小的传感器基阵，实现低频、远距离、多目标的识别等。在基于矢量水声传感器被动测向原理的水下目标定位技术中，提高矢量传感器的测向精度是保证定位精度的关键。
4.电子罗经是以陀螺仪为核心元件，指示船舶航向的导航设备。陀螺是一种即使无外界参考信号也能探测出运载体本身姿态和状态变化的内部传感器，其功能是测定敏感运动体的角度、角速度和角加速度。能够测量相对惯性空间的角速度和角位移。它可以自动根据角加速度的变化来调整指向，保持指向不变，是矢量水听器工作时不可或缺的一部分。


技术实现要素：

5.发明目的：提供一种新型的接收换能器，可以更精确地收发水下声音信号，利用mems微加工工艺设计矢量水声传感器，电子罗经和矢量水声传感器采用同轴封装技术用以确定水下目标的真方位，实现矢量水听器的精准定位。
6.技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供同轴封装姿态自校准mems矢量水听器，包括同轴布置的电子罗经与mems矢量水声传感器，所述mems矢量水声传感器密封固定在托台顶面，所述托台固定安装在罗经承载仓帽上，压电陶瓷管固定在托台与罗经承载仓帽之间，在罗经承载仓内固定安装电子罗经，所述电子罗经的指北方向与mems矢量水声传感器的x轴方向重合。
7.在罗经承载仓底部连通管体，管体尾部具有线缆接口，管体的内腔中固定有微弱
信号调理电路，微弱信号调理电路与mems矢量水声传感器、压电陶瓷管、电子罗经及线缆接口中的缆线相连接。实现微弱信号的放大滤波，电路中的阻抗匹配模块可以减少信号的损耗。压电陶瓷管作为声压探测通道，可以与mems矢量水声传感器同步获取声场声压信息，能够解决水下定位时的左右舷模糊不清问题。在线缆接口处安装锁紧扣，保证缆线被紧密固定。在罗经承载仓帽于罗经承载仓之间安装密封圈。在密封圈的作用下紧密贴合，防止水听器在海下工作中出现渗水的情况。
8.发明原理：本发明提供的同轴封装姿态自校准mems矢量水听器，包括mems矢量水声传感器、托台、罗经承载仓帽、罗经承载仓、管体、线缆接口、锁紧扣、密封圈、电子罗经；mems矢量水声传感器被置于托台上并用甲乙胶1:1混合后密封固定；压电陶瓷管被套在托台的圆管处，并用甲乙胶1:1混合后固定在托台与罗经承载仓帽之间。电子罗经固定在罗经承载仓内，仓中设有引线孔，罗经承载仓帽通过密封圈与罗经承载仓实现紧密贴合；管体的内腔中固定有微弱信号调理电路，电路与罗经承载仓处引出的导线相连接，通过管体后端的通孔与线缆接口中的缆线相连接；锁紧扣保证缆线被紧密固定。meme矢量水声传感器用soi硅圆片作为加工材料，采用mems半导体微加工技术加工而成，具体操作方法是在硅衬底上利用icp等离子刻蚀技术刻蚀得到中心质量块、支撑框架以及四根对称的悬臂梁，对称的悬臂梁用来连接中心质量块和支撑框架，在每根悬臂梁上都分别利用等离子注入技术注入硼离子形成压敏电阻，八个压敏电阻的阻值相等，并且八个电阻通过金属引线相连接形成一个可以检测声音信号的惠斯通电桥电路。mems矢量水声传感器与电子罗经采用同轴封装技术，实现水下真方位的探测，二者的导线通过引线孔引出，与后续调理电路相连接，实现微弱信号的放大滤波，再通过管体底部通孔处与线缆相连接。
9.meme矢量传感器用soi硅圆片作为加工材料，采用mems半导体微加工技术加工而成，具体操作方法是在硅衬底上利用icp等离子刻蚀技术刻蚀得到中心质量块、支撑框架以及四根对称的悬臂梁，对称的悬臂梁用来连接中心质量块和支撑框架，在每根悬臂梁上都分别利用等离子注入技术注入硼离子形成压敏电阻，八个压敏电阻的阻值相等，并且八个电阻通过金属引线相连接形成一个可以检测声音信号的惠斯通电桥电路。水下声音信号传递到中心质量块上的纤毛，引起悬臂梁的变形，悬臂梁的变形会导致其上压敏电阻阻值发生改变，通过惠斯通电桥把阻值的变化以交流电压的形式输出，从而实现了对水下平面声场内声学目标信号的探测。
10.电子罗经用于矢量水声传感器侧向误差校准，主要是采用高精度的电子罗经与矢量传感器同轴一体化封装技术，将mems矢量水听器x轴方向与指北方向相重合，利用动态校准测试获得的数据对矢量测向误差进行补偿修正，给出水下目标的真方位，从而提高矢量水听器的测向精度，满足水下目标高精度方位估计需要，同时罗经数据还可作为测向浮标姿态监控信息。
11.有益效果：本发明水听器具有低频响应好，灵敏度高，体积小，功耗低等优点，具体表现如下：（1）基于mems技术的矢量传感器具有体积小、灵敏度高、高集成度、多功能、可批量生产的优势，信号感应灵敏真实有效，可以明显的检测到水下声音信号；（2）电子罗经可以自动根据角加速度的变化来调整指向，保持指向不变，采用同轴封装技术将mems矢量水听器x轴方向与指北方向相重合，给出水下目标的真方位，保证水听
器工作时的定位更加精确。
附图说明
12.图1为mems矢量水声传感器微结构；图2为本发明的总体结构示意图；图3为本发明的局部结构示意图；图4为电子罗经的示意图；图5为本发明的总体尺寸示意图；图6为水听器芯片工艺流程图；图中：1-mems矢量水声传感器、2-托台、3-罗经承载仓帽、4-罗经承载仓、5-管体、6-线缆接口、7-锁紧扣、8-密封圈、9-电子罗经。
具体实施方式
13.实施例：本实施例的同轴封装姿态自校准mems矢量水听器如图2、图3和图5所示，包括mems矢量水声传感器1、托台2、罗经承载仓帽3、罗经承载仓4、管体5、线缆接口6、锁紧扣7、密封圈8和电子罗经9。
14.mems矢量水声传感器1放置在托台2上并用甲乙胶1:1配比后对传感器进行密封固定；压电陶瓷管被套在托台的圆管处，并用甲乙胶1:1混合后固定在托台与罗经承载仓帽之间；将罗经9放置在罗经承载仓4内，并用螺丝固定；将mems矢量水声传感器1、压电陶瓷管、罗经9的导线从罗经承载仓4的引线孔处引出导线，与管体5腔内的微弱信号调理电路相连接，再通过管体5底部通孔处与线缆接口6处的缆线相连接；锁紧扣7用来保证缆线不会滑落。
15.mems矢量水声传感器如图1所示，mems矢量水声传感器1是用n 型soi硅圆片作为加工材料，采用mems半导体微加工技术加工而成，具体操作方法是在硅衬底上利用icp等离子刻蚀技术刻蚀得到中心质量块、四根对称的悬臂梁以及支撑框架，对称的悬臂梁用来连接中心质量块和支撑框架，在每根悬臂梁上都分别利用等离子注入技术注入硼离子形成压敏电阻，八个压敏电阻的阻值相等，并且八个电阻通过金属引线相连接形成一个可以检测声音信号的惠斯通电桥。mems矢量水声传感器1被置于托台2上，并用甲乙胶1:1混合后进行密封固定。
16.其制备工艺如图6所示，具体操作方法是：（1）准备 4 英寸 n 型 soi 硅片，在 1000℃的氧化扩散炉中，对 soi 片器件层和衬底层进行双面氧化，作为压敏电阻离子注入的屏蔽层；（2）在反应离子刻蚀机中，使用 chf3 气体对氧化层进行刻蚀，形成压敏电阻条区域；（3）在压敏电阻区注入低浓度硼离子，在1050℃的退火炉中，为了修复离子注入后损伤的晶格进行退火；
（4）再次对 soi 片进行氧化，为制作欧姆接触区提供屏蔽层；（5）icp刻蚀，刻蚀出制作欧姆接触的浓硼掺杂区；（6）离子注入，注入高浓度硼离子，形成欧姆接触区，退火；（7）采用 pecvd 方法淀积氮化硅；（8）icp刻蚀，刻蚀出开窗口，露出欧姆接触区；（9）溅射金属、ibe 刻蚀，使用磁控溅射仪，先溅射 200 푛푚 cr 增加粘附性，再溅射 10
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的 au，离子束刻蚀 机刻蚀金属，形成金属引线。再进行退火处理，形成合金，完成欧姆接触；（10）正面刻蚀，对器件正面进行rie刻蚀，刻蚀出梁结构；（11）背面刻蚀，在深硅刻蚀机中，对器件背面进行深硅刻蚀，直至释放出梁结构。再经过划片，得到水听器芯片。
17.使用时，电子罗经9与mems矢量水声传感器1采用同轴一体化封装技术，将mems矢量水听器x轴方向与指北方向相重合，利用动态校准测试获得的数据对矢量测向误差进行补偿修正，给出水下目标的真方位。
18.结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

技术特征：
1.一种同轴封装姿态自校准mems矢量水听器，其特征在于：包括同轴布置的电子罗经与mems矢量水声传感器，所述mems矢量水声传感器密封固定在托台顶面，所述托台固定安装在罗经承载仓帽上，在罗经承载仓内固定安装电子罗经，所述电子罗经的指北方向与mems矢量水声传感器的x轴方向重合。2.根据权利要求1所述的同轴封装姿态自校准mems矢量水听器，其特征在于：罗经承载仓底部连通管体，管体尾部具有线缆接口，管体的内腔中固定有微弱信号调理电路，微弱信号调理电路与mems矢量水声传感器、压电陶瓷管、电子罗经及线缆接口中的缆线相连接。3.根据权利要求2所述的同轴封装姿态自校准mems矢量水听器，其特征在于：所述托台底部具有外螺纹，罗经承载仓帽上具有内螺纹。4.根据权利要求3所述的同轴封装姿态自校准mems矢量水听器，其特征在于：所述托台内部具有通道，所述通道与罗经承载仓及管体相连通。5.根据权利要求2所述的同轴封装姿态自校准mems矢量水听器，其特征在于：所述线缆接口处安装锁紧扣。6.根据权利要求1所述的同轴封装姿态自校准mems矢量水听器，其特征在于：所述mems矢量水声传感器粘贴固定在托台的凹槽内，在托台的圆管处套入压电陶瓷管，所述的压电陶瓷管位于托台与罗经承载仓帽之间。7.根据权利要求1所述的同轴封装姿态自校准mems矢量水听器，其特征在于：在罗经承载仓帽于罗经承载仓之间安装密封圈。8.根据权利要求1所述的同轴封装姿态自校准mems矢量水听器，其特征在于：所述的mems矢量水声传感器是用n 型soi硅圆片作为加工材料，采用mems半导体微加工技术加工而成，是在硅衬底上利用icp等离子刻蚀技术刻蚀得到中心质量块、四根对称的悬臂梁以及支撑框架，对称的悬臂梁用来连接中心质量块和支撑框架，在每根悬臂梁上都分别利用等离子注入技术注入硼离子形成压敏电阻，八个压敏电阻的阻值相等，并且八个电阻通过金属引线相连接成用于检测声音信号的惠斯通电桥。9.根据权利要求8所述的同轴封装姿态自校准mems矢量水听器，其特征在于：所述mems半导体微加工技术包括以下步骤：步骤1，准备 4 英寸 n 型 soi 硅片，在 1000℃的氧化扩散炉中，对 soi 片器件层和衬底层进行双面氧化，作为压敏电阻离子注入的屏蔽层；步骤2，在反应离子刻蚀机中，使用 chf3 气体对氧化层进行刻蚀，形成压敏电阻条区域；步骤3，在压敏电阻区注入低浓度硼离子，在1050℃的退火炉中，为了修复离子注入后损伤的晶格进行退火；步骤4，再次对 soi 片进行氧化，为制作欧姆接触区提供屏蔽层；步骤5，icp刻蚀，刻蚀出制作欧姆接触的浓硼掺杂区；步骤6，离子注入，注入高浓度硼离子，形成欧姆接触区，退火；步骤7，采用 pecvd 方法淀积氮化硅；步骤8，icp刻蚀，刻蚀出开窗口，露出欧姆接触区；步骤9，溅射金属、ibe 刻蚀，使用磁控溅射仪，先溅射 200 푛푚 cr 增加粘附性，再溅射 10
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的 au，离子束刻蚀 机刻蚀金属，形成金属引线；再进行退火处理，形成合金，完
成欧姆接触；步骤10，正面刻蚀，对器件正面进行rie刻蚀，刻蚀出梁结构；步骤11，背面刻蚀，在深硅刻蚀机中，对器件背面进行深硅刻蚀，直至释放出梁结构；再经过划片，得到水听器芯片。

技术总结
本发明提供了一种同轴封装姿态自校准MEMS矢量水听器。该水听器采用同轴封装技术，将高精度的电子罗经与MEMS矢量水声传感器一体化封装，将MEMS矢量水听器X轴方向与指北方向相重合，利用动态校准测试获得的数据对矢量测向误差进行补偿修正，给出水下目标的真方位。相比于普通的MEMS矢量水听器，本发明采用同轴封装技术，提高了定位精度，具有低频响应好，灵敏度高，体积小，功耗低等优点。功耗低等优点。功耗低等优点。


技术研发人员：缪旭弘 高晟耀 王雪仁 张国军 唐宇航 苏常伟 周涛 贾地 张洁 张文栋 朱珊 张一凡 张艳涛
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2022.07.16
技术公布日：2022/11/1