MEMS仿生矢量水听器的桔瓣式封装结构

摘要

本发明为一种MEMS仿生矢量水听器的桔瓣式封装结构，该结构可进一步提高水听器的各性能指标。本发明包括支撑管，支撑管顶部设有缩颈细管，缩颈细管的顶部设有支撑盘，支撑盘边缘开设环形卡槽，环形卡槽内固接有透声帽，支撑管底部管口设有堵头和锁紧螺母，其中，透声帽内还设有固定在支撑盘上的支撑台、支撑台上螺纹连接有桔瓣式金属支架，支撑台和桔瓣式金属支架之间卡接有置放四梁-纤毛式敏感体的软支架，透声帽、桔瓣式金属支架、四梁-纤毛式敏感体、软支架、支撑台之间紧密结合且无缝隙。与现有封装结构的水听器相比，采用该封装结构的水听器的共振频率提高近3倍，灵敏度提高20dB，水听器的可靠性和抗冲击能力也得到了明显提高。

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS仿生矢量水听器，具体是一种MEMS仿生矢量水听器的桔瓣式封装结构。

背景技术

MEMS矢量水听器是当前国内外声换能器领域研究的热点之一。专利申请号为200610012991.0的中国发明专利申请公开了一种“共振隧穿仿生矢量水声传感器”，因其具有体积小、矢量性和可刚性安装等优势，在国内外得到一定的认可，但将其实现工程化应用还必须进一步提高其封装结构的性能和可靠性。目前，虽然用于MEMS矢量水听器的封装结构种类繁多，但是这些封装结构还是具有一定的改进空间的，改进后的封装结构对于提高矢量水听器的各性能指标，还是有很大帮助的。为此，本发明在现有MEMS仿生矢量水听器封装结构的基础上，基于流体连续性方程提出了用于MEMS仿生矢量水听器的一种“桔瓣式”封装结构，采用该封装结构的水听器灵敏度比采用现有封装结构的水听器灵敏度提高20dB，抗流噪声能力也得到了显著提高，可靠性也大大提高，频带拓宽了将近3倍，为其工程化应用奠定良好基础。

发明内容

本发明的目的是通过对现有封装结构进行改进以进一步提高MEMS矢量水听器的各性能指标，而提供一种MEMS仿生矢量水听器的桔瓣式封装结构。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种MEMS仿生矢量水听器的桔瓣式封装结构，包括用于安置信号处理电路的支撑管，支撑管顶部延设有内置引线的缩颈细管，缩颈细管的顶部固接有开设中心通孔的支撑盘，支撑盘上靠近边缘的位置设有环形卡槽，环形卡槽内固接有透声帽；支撑管底部管口内插接有开设电缆通孔的堵头，管口外螺纹连接有锁紧螺母，其中，透声帽内还设有支撑台、软支架和桔瓣式金属支架，支撑台固定在支撑盘上表面中心处，支撑台上开设有轴向的第一引线孔和轴向的注油通孔，支撑盘上对应注油通孔的位置开设有相应的注油口，注油口内螺纹连接有密封螺钉；软支架固定在支撑台上表面中心处，软支架上表面中心处开设有用于安置四梁-纤毛式敏感体的安装槽、底面中心处设有凸台，安装槽内开设有轴向的第二引线孔；桔瓣式金属支架包括连接环，连接环上表面垂直固接有呈对称桔瓣状的十字交叉肋板，十字交叉肋板底部开设有用于卡接软支架及四梁-纤毛式敏感体的卡接槽，十字交叉肋板的相交棱上掏设有一端与卡接槽相通并用于置放四梁-纤毛式敏感体的纤毛的空心柱体，空心柱体的侧壁同时也与被十字交叉肋板分割成的四个空间部分相通，四梁-纤毛式敏感体的纤毛置于空心柱体的轴线上，桔瓣式金属支架通过其连接环与支撑台螺纹连接，桔瓣式金属支架的外形与透声帽内表面尺寸形状完全相同，且二者之间紧密粘合，透声帽、桔瓣式金属支架、四梁-纤毛式敏感体、软支架、支撑台之间都紧密结合且无缝隙。

本发明封装结构与最接近的现有封装结构相比，改进在于在透声帽内增加了支撑台、软支架、桔瓣式金属支架结构，四梁-纤毛式敏感体固定在软支架上，四梁-纤毛式敏感体的纤毛正好放置于桔瓣式金属支架的空心柱体的轴线上，桔瓣式金属支架的外形与透声帽内表面尺寸形状完全相同，待该封装结构安装完毕后，桔瓣式金属支架和透声帽内表面之间要紧密粘合并且无缝隙，此外，支撑台、软支架、四梁-纤毛式敏感体、桔瓣式金属支架、透声帽之间也都要紧密结合且无缝隙，在结构尺寸上严格保证了各结构的整体紧凑性，这样明显提高了本发明封装结构的可靠性和抗冲击能力。桔瓣式金属支架从其安置槽到空心柱体成逐渐收口型，小口径的空心柱体可明显提高待测的声压和声速，进而使置于空心柱体内的四梁-纤毛式敏感体的纤毛更加灵敏。

进一步地，所述的软支架是采用美国道康宁184硅橡胶通过灌封工艺制备而成。美国道康宁184硅橡胶为公知技术，该胶是由液体组分组成的双组分套件产品，包括基本组分与固化剂。基本组分与固化剂按10:1重量比完全混合，中等粘度混合液的稠度与SAE 40机油相似。无论厚薄，混合液将固化成为具有韧性的透明弹性体，最适用于电子/电气方面的封装与灌封应用。该胶在25~150℃的温度范围内固化，无放热现象，无需二次固化。固化过程完成后，可立即在-55~200℃的温度范围内使用。灌封工艺为现有技术，是本领域技术人员所熟知的。

根据声波的波动方程：

                                                   （1） 

    （2）

        （3）                                                                                  

其中，式（1）为声波运动方程，式（2）为声波连续性方程，式（3）为声波物态方程，式中：为静态密度，为媒质密度增量，为声压，，为绝热体积压缩系数。由于该桔瓣式金属支架为逐渐收口型，四梁-纤毛式敏感体的纤毛所在空心柱体口径较小，可明显提高待测声压和声速，从而提高四梁-纤毛式敏感体的灵敏度。

根据理论知识，透声帽的结构共振频率为：

         （4） 

式中， K为系统刚度系数，m为结构质量。

当透声帽内部紧紧附加桔瓣式金属支架后，透声帽内部空间被等分成4部分，同时受桔瓣式金属支架的十字交叉肋板厚度的影响，每部分透声帽质量会是原来透声帽质量的1/4~1/5之间，由结构共振频率公式（4）可得每一部分透声帽共振频率会变为原来的2~3倍之间。

利用ANSYS Workbench分析软件建立仿真模型，分别对现有封装结构透声帽部分和内加桔瓣式金属支架的本发明封装结构透声帽部分进行模态仿真，得到其各自的一阶模态图（如图9和图10），得出其共振频率达到了2.4K，是现有封装结构透声帽共振频率的2.75倍，与理论相符，很好的避开了四梁-纤毛式敏感体的固有频率，拓宽了水听器的工作频带。

表1 本发明封装结构和现有封装结构透声帽部分的模态分析结果

 一阶模态二阶模态三阶模态四阶模态五阶模态六阶模态现有封装结构透声帽871.44871.441662.71824.71824.71877.8本发明封装结构透声帽2400.92824.22836.52907.83372.93431.6

由表1可以看出，对于各阶模态分析的数据结果，本发明封装结构透声帽的结果都比现有封装结构透声帽的结果高出很多，而且优势非常明显。

利用校准装置对采用本发明封装结构的水听器进行了灵敏度测试、振动试验、冲击试验，通过试验验证了利用本发明封装结构的水听器极具可行性，灵敏度提高20dB（如图11所示）、工作频带拓宽了将近三倍，抗流噪声能力强，水听器的灵敏度、可靠性和抗冲击能力得到了进一步地提高。

与现有技术相比，本发明封装结构采用了在透声帽内部紧紧附加形似桔瓣状的金属支架，提高了透声帽部分的共振频率，避开了四梁-纤毛式敏感体的固有频率，从而拓宽了水听器的工作频带；桔瓣式金属支架中心轴线上掏设有空心柱体，使得四梁-纤毛式敏感体的纤毛正好处在该空心柱体轴线上，将水听器的灵敏度提高了20dB；同时，由于该封装结构在尺寸上严格保证透声帽内部各结构的整体紧凑性，同时使用软支架和桔瓣式金属支架，可靠性和抗冲击能力明显提高，为其工程化应用奠定了良好基础。

附图说明

图1为本发明封装结构的立体组合图。

图2为本发明封装结构的立体分解图。

图3为本发明封装结构的剖视图。

图4为本发明封装结构桔瓣式金属支架的立体图。

图5为本发明封装结构桔瓣式金属支架的俯视图。

图6为本发明封装结构桔瓣式金属支架的A-A剖视图。

图7为本发明封装结构软支架的剖视图。

图8为本发明封装结构支撑盘和支撑台剖视图。

图9为现有封装结构透声帽部分仿真模型的一阶模态图。

图10为本发明封装结构透声帽部分仿真模型的一阶模态图。

图11为本发明封装结构水听器的频响曲线图。

图中：1-支撑管、2-缩颈细管、3-支撑盘、4-透声帽、5-堵头、6-锁紧螺母、7-支撑台、8-软支架、9-桔瓣式金属支架、10-信号处理电路、11-引线、12-环形卡槽、13-第一引线孔、14-注油通孔、15-注油口、16-密封螺钉、17-四梁-纤毛式敏感体、18-安装槽、19-凸台、20-第二引线孔、21-连接环、22-十字交叉肋板、23-卡接槽、24-纤毛、25-空心柱体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述：

如图1至图8所示，一种MEMS仿生矢量水听器的桔瓣式封装结构，包括用于安置信号处理电路10的支撑管1，支撑管1顶部延设有内置引线11的缩颈细管2，缩颈细管2的顶部固接有开设中心通孔的支撑盘3，支撑盘3上靠近边缘的位置设有环形卡槽12，环形卡槽12内固接有透声帽4；支撑管1底部管口内插接有开设电缆通孔的堵头5，管口外螺纹连接有锁紧螺母6，其中，透声帽4内还设有支撑台7、软支架8和桔瓣式金属支架9，支撑台7固定在支撑盘3上表面中心处，支撑台7上开设有轴向的第一引线孔13和轴向的注油通孔14，支撑盘3上对应注油通孔14的位置开设有相应的注油口15，注油口15内螺纹连接有密封螺钉16；软支架8固定在支撑台7上表面中心处，软支架8上表面中心处开设有用于安置四梁-纤毛式敏感体17的安装槽18、底面中心处设有凸台19，安装槽18内开设有轴向的第二引线孔20；桔瓣式金属支架9包括连接环21，连接环21上表面垂直固接有呈对称桔瓣状的十字交叉肋板22，十字交叉肋板22底部开设有用于卡接软支架8及四梁-纤毛式敏感体17的卡接槽23，十字交叉肋板22的相交棱上掏设有一端与卡接槽23相通并用于置放四梁-纤毛式敏感体17的纤毛24的空心柱体25，空心柱体25的侧壁同时也与被十字交叉肋板22分割成的四个空间部分相通，四梁-纤毛式敏感体17的纤毛24置于空心柱体25的轴线上，桔瓣式金属支架9通过其连接环21与支撑台7螺纹连接，桔瓣式金属支架9的外形与透声帽4内表面尺寸形状完全相同，且二者之间紧密粘合，透声帽4、桔瓣式金属支架9、四梁-纤毛式敏感体17、软支架8、支撑台7之间都紧密结合且无缝隙。所述的软支架8是采用美国道康宁184硅橡胶通过灌封工艺制备而成。

具体实施时，本发明封装结构的各部分结构的尺寸设计必须严格透声帽4、桔瓣式金属支架9、四梁-纤毛式敏感体17、软支架8、支撑台7之间紧密接合，无缝隙，保证透声帽4内部整体结构的紧凑性，提高水听器的可靠性和抗冲击能力，本发明封装结构要严格保证四梁-纤毛式敏感体17的纤毛24在桔瓣式金属支架9中心的空心柱体25轴线上。