專利名稱：一種硅基單片集成聲納基陣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲納技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種硅基單片集成聲納基陣。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代聲納普遍采用水聽器基陣來提高對目標的檢測和定位能力，陣列技術(shù)已經(jīng)成為當今聲納系統(tǒng)的核心關(guān)鍵技術(shù)。比如魚雷的自導(dǎo)頭、合成孔徑聲納的成像基陣、艦尾的拖曳線列陣等都采用水聽器組陣來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。然而傳統(tǒng)的聲納陣列的陣元組成都采用標量水聽器，完全沒有利用到聲波振速所具有的矢量特性。利用矢量水聽器組陣，可以在極大地減小陣列尺寸、提高接收信號的信噪比。目前矢量水聽器陣列技術(shù)屬于研究熱點。水聲主動成像系統(tǒng)利用水下目標對發(fā)射的水聲信號的反向散射信號，估計目標的方位和距離信息，并據(jù)此進行成像，從而對目標進行進一步的跟蹤和識別，水聲成像技術(shù)在海洋探測特別是軍事上許多水中兵器方面都有著廣泛的應(yīng)用。而水中成像的關(guān)鍵是設(shè)計合理的聲納陣列，既要保證必需的分辨力，又要盡可能的減小基陣尺寸。利用矢量水聽器組陣，可以消除各向同性的噪聲干擾，而目標輻射噪聲則不會抵消，可以提供更多的聲場信息，為形成更尖銳的波束提高成像分辨力提供了有力條件。微機電(Micro Electro Mechanical Systems)技術(shù)是在微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新技術(shù)，融合了硅微加工和精密機械加工等多種微加工技術(shù)，可以實現(xiàn)單芯片多種結(jié)構(gòu)的一次集成，適合大批量生產(chǎn)。利用MEMS技術(shù)制作出聲納基陣可以實現(xiàn)小體積、高靈敏、低功耗。目前工程應(yīng)用中的聲納都是采用多個標量水聽器組成測量基陣，標量水聽器是利用壓電陶瓷制成，能夠測量聲場中的聲壓大小，然后在利用多個同樣的水聽器組陣來實現(xiàn)聲目標方位測量。該技術(shù)的優(yōu)點是技術(shù)成熟，早已實現(xiàn)工程應(yīng)用。存在缺點是此類聲納的探測精度、探測距離與陣列孔徑相關(guān)，因此隨著水下目標聲隱身技術(shù)的發(fā)展和輻射噪聲頻率不斷的降低，使得此類聲納只有在增大陣列孔徑的情況下，才能夠有效地對目標進行方位估計，從而限制了在體積有限的魚雷、深水炸彈、智能水雷等要求有自導(dǎo)能力的水下武器上的應(yīng)用。而且傳統(tǒng)聲納基陣陣元從大批量器件中挑選出來的一致性很好的水聽器組成，無疑加大了制作成本，所以該類聲納只能裝備于軍用的大型艦船，對于民用船只的避障測距， 需要有成本較低的水聽器來實現(xiàn)。在矢量水聽器組陣的研究中，同振矢量水聽器起步較早。這類的矢量水聽器一般采用多個單軸的加速度計作為基本單元來構(gòu)成測試陣列，主要研究的難點在于一方面封裝后的矢量水聽器的探測靈敏度受制于加速度計所采用的敏感原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計，另一方面各個單軸加速度計的靈敏度、穩(wěn)定性以及溫度系數(shù)等指標很難一致。此外同振矢量水聽器陣列的安裝需要柔性懸掛，在工程應(yīng)用中極為不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種硅基單片集成聲納基陣，該基陣可以用于水下超聲成像或者超聲測距、魚雷的聲自導(dǎo)等裝置上，該探測基陣通過MEMS技術(shù)在單個硅片上集成多個水聽器組陣，既可以解決一致性問題還能很大程度的縮小基陣尺寸，采用剛性連接，易于在船上裝配，而且批量化制造的成本低。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種硅基單片集成聲納基陣，包括懸臂梁式敏感陣列結(jié)構(gòu)、透聲護套、支撐結(jié)構(gòu)； 懸臂梁式敏感結(jié)構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)固定在支撐結(jié)構(gòu)上；懸臂梁式敏感結(jié)構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)設(shè)置在透聲護套內(nèi)，并固定，透聲護套內(nèi)注入絕緣介質(zhì)油，懸臂梁式敏感陣列結(jié)構(gòu)浸潤在絕緣介質(zhì)油；密封并且透聲護套整體做水密處理。所述的硅基單片集成聲納基陣，透聲護套采用聚氨酯透聲材料制作。所述的硅基單片集成聲納基陣，絕緣介質(zhì)油采用輕蠟油材料。所述的硅基單片集成聲納基陣，所述懸臂梁式敏感陣列結(jié)構(gòu)包括若干獨立陣元， 各獨立陣元包括硅梁、硅梁根部的壓敏電阻R1、支撐基座上的電阻R2、R3、R4連接構(gòu)成的惠斯通電橋、金屬引線。所述的硅基單片集成聲納基陣，所述相鄰兩個獨立陣元間距為所要接收信號的中心頻率對應(yīng)波長的二分之一。本發(fā)明的有益效果第一，所有結(jié)構(gòu)可以在單個硅片上實現(xiàn)，極大地縮小基陣尺寸；第二，采用MEMS工藝，實現(xiàn)批量化制造，制作的結(jié)構(gòu)一致性好，制作成本低；第三，通過改變結(jié)構(gòu)的結(jié)合尺寸可以制作出不同陣型、不同共振頻率的接收基陣， 可移植性強，適用于不同場合。綜上所述，將本發(fā)明作為聲納濕端探頭，再配合信息處理單元，能夠用在水下超聲成像、超聲測距方面；也可以用做魚雷聲自導(dǎo)裝置，將該基陣安裝于雷頭導(dǎo)流罩內(nèi)部，不僅能給魚雷攻擊提供導(dǎo)引，而且只占用很小空間；對于水下無人潛器(UUV)等水下小體積潛器都會有很大的應(yīng)用空間。本發(fā)明的成果對于科學(xué)研究、工程實踐的水中探測以及海域安全都具有積極地意義，其低成本、批量化的優(yōu)點可以取得巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。


圖1為聲納基陣整體結(jié)構(gòu)剖面圖(護套、芯片、介質(zhì)油、支撐結(jié)構(gòu))；圖2為懸臂梁式敏感陣列結(jié)構(gòu)1中單個陣元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為懸臂梁式敏感陣列結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為陣元制作的工藝流程圖(以單陣元加工為例)。
具體實施例方式以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。硅基聲納基陣包括懸臂梁式敏感陣列結(jié)構(gòu)1、透聲護套2、護套內(nèi)部的絕緣介質(zhì)油 3 (如圖1所示)，懸臂梁式敏感結(jié)構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)1固定在不銹鋼支撐結(jié)構(gòu)8上，焊接導(dǎo)線并通過導(dǎo)線孔9引出；將懸臂梁式敏感結(jié)構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)1放入事先做好的透聲護套2內(nèi)，并固定， 通過注油孔10注入輕蠟油3 ；密封注油孔并且整體做水密處理，硅基單片集成聲納基陣便制作完成。
透聲護套2采用聚氨酯透聲材料制作，整體水密處理，起到保護內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用。 護套2中內(nèi)部充滿絕緣介質(zhì)油3，絕緣介質(zhì)油采用輕蠟油材料，它與海水的聲阻抗以及密度接近，起到透聲和絕緣的作用。懸臂梁式敏感陣列結(jié)構(gòu)1浸潤介質(zhì)油2中。圖2為懸臂梁式敏感陣列結(jié)構(gòu)1中單個陣元的結(jié)構(gòu)示意圖，包括硅梁4、硅梁根部的壓敏電阻5(1 1)、支撐基座6上的電阻1 2、1 3、1 4連接構(gòu)成的惠斯通電橋、金屬引線7。單個陣元工作機理是當有信號作用于硅梁4時，梁會產(chǎn)生應(yīng)力使得梁發(fā)生形變，從而導(dǎo)致梁根部設(shè)置的應(yīng)變壓敏電阻5阻值Rl發(fā)生變化，使由應(yīng)變壓敏電阻Rl與擴散在支撐基座6 上的基準電阻R2、R3、R4連接構(gòu)成的惠斯通電橋的輸出發(fā)生變化，利用金屬引線7將信號傳輸給后續(xù)處理電路。根據(jù)電橋的輸出變化，實現(xiàn)對水下聲信號的測量。當在同一硅片上同時制作出多個同樣結(jié)構(gòu)，按照一定形狀排布成各種陣型，就構(gòu)成了不同形狀的聲納基陣，、；圖3為懸臂梁式敏感陣列結(jié)構(gòu)示意圖，其中相鄰兩個陣元間距為所要接收信號的中心頻率對應(yīng)波長的二分之一。對設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行計算和仿真，取單個陣元為例，建立梁的振動模型，分析結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)。結(jié)構(gòu)的一階共振頻率可以利用式(1)計算得出，當梁上受到大小為F的外力時， 在梁的表面的應(yīng)力變化可以用式( 描述。/
權(quán)利要求
1.一種硅基單片集成聲納基陣，其特征在于，包括懸臂梁式敏感陣列結(jié)構(gòu)、透聲護套、 支撐結(jié)構(gòu)；懸臂梁式敏感結(jié)構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)固定在支撐結(jié)構(gòu)上；懸臂梁式敏感結(jié)構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)設(shè)置在透聲護套內(nèi)，并固定，透聲護套內(nèi)注入絕緣介質(zhì)油，懸臂梁式敏感陣列結(jié)構(gòu)浸潤在絕緣介質(zhì)油；密封并且透聲護套整體做水密處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基單片集成聲納基陣，其特征在于，透聲護套采用聚氨酯透聲材料制作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基單片集成聲納基陣，其特征在于，絕緣介質(zhì)油采用輕蠟油材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基單片集成聲納基陣，其特征在于，所述懸臂梁式敏感陣列結(jié)構(gòu)包括若干獨立陣元，各獨立陣元包括硅梁、硅梁根部的壓敏電阻R1、支撐基座上的電阻R2、R3、R4連接構(gòu)成的惠斯通電橋、金屬引線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅基單片集成聲納基陣，其特征在于，所述相鄰兩個獨立陣元間距為所要接收信號的中心頻率對應(yīng)波長的二分之一。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅基單片集成聲納基陣，包括懸臂梁式敏感陣列結(jié)構(gòu)、透聲護套、支撐結(jié)構(gòu)；懸臂梁式敏感結(jié)構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)固定在支撐結(jié)構(gòu)上；懸臂梁式敏感結(jié)構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)設(shè)置在透聲護套內(nèi)，并固定，透聲護套內(nèi)注入絕緣介質(zhì)油，懸臂梁式敏感陣列結(jié)構(gòu)浸潤在絕緣介質(zhì)油；密封并且透聲護套整體做水密處理。該基陣可以用于水下超聲成像或者超聲測距、魚雷的聲自導(dǎo)等裝置上，該探測基陣通過MEMS技術(shù)在單個硅片上集成多個水聽器組陣，既可以解決一致性問題還能很大程度的縮小基陣尺寸，采用剛性連接，易于在船上裝配，而且批量化制造的成本低。
文檔編號G01S7/521GK102176006SQ20111002489
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月24日
發(fā)明者關(guān)凌綱, 劉細寶, 張國軍, 張文棟, 熊繼軍, 王曉瑤, 薛晨陽, 許姣 申請人:中北大學(xué)