一种MEMS尾流探测传感器

一种mems尾流探测传感器
技术领域
1.本发明属于尾流探测技术领域，涉及传感器，具体为一种mems尾流探测传感器。


背景技术：

2.随着潜航器静音技术的发展，单纯声自导不能满足自导探潜需求。便需要寻求其他的非声探测技术，而uuv 即水下无人驾驶运载器在水下航行时，由于推进系统的作用,潜航器后将伴随着流动特性和物理特性与周围海水明显不同的湍流尾流区。气泡尾流以及湍流尾流，都可以被用作uuv探测的信号源。利用声、光方法针对气泡尾流可进行uuv自导，气泡尾流是舰船航行时螺旋桨转动产生的。水面舰船产生气泡尾流严重，而在深水中气泡尾流只有几十米，利用气泡尾流探测就无实际意义。利用湍流尾流同样可以检测、识别、定位和跟踪水下潜航器，只要和海水发生了相对运动，不可避免地会发生绕流和涡旋，进而在尾部留下一串湍流，可以持续很长的距离，湍流尾流探测适合于水下无人系统自导，但目前缺少一种探测湍流尾流的传感器，该问题的解决将对水下无人驾驶运载器的自导探潜有重要意义。


技术实现要素：

3.本发明旨在解决目前缺少一种探测湍流尾流的传感器的技术问题，提供了一种mems尾流探测传感器。
4.本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种mems尾流探测传感器，包括纤毛式mems矢量水听器、中间连接体、仿鱼类侧线保护罩和用于容纳电信号放大电路板的保护筒体；中间连接体的顶部中央开有用于安装纤毛式mems矢量水听器的第一槽体，第一槽体的底部开有贯穿中间连接体的第一通孔，纤毛式mems矢量水听器外部镀有parylene薄膜，纤毛式mems矢量水听器的纤毛朝上设置且位于中间连接体的轴线上，纤毛式mems矢量水听器的底座与第一槽体固定连接后将第一通孔覆盖使中间连接体上下隔绝，中间连接体与仿鱼类侧线保护罩之间形成用于注水的腔体，纤毛式mems矢量水听器的导线穿过第一通孔后与电信号放大电路板电连接，仿鱼类侧线保护罩将纤毛式mems矢量水听器罩设其中且与中间连接体的顶端固定连接；仿鱼类侧线保护罩的顶部开有四个侧线孔，四个侧线孔均匀分布至以仿鱼类侧线保护罩的顶面中心点为圆心的圆周上，仿鱼类侧线保护罩的顶面中心点位于中间连接体的轴线上；保护筒体由内到外依次包括固定连接的内筒体、减振橡胶套筒和外筒体，保护筒体的顶端与中间连接体的底端密封连接，保护筒体的底端沿水平方向向内延伸形成用于穿置电信号放大电路板引线的第二通孔，引线与第二通孔之间密封连接。
5.纤毛式硅基mems矢量水听器可以探测二维水声信号，并对水声在水下远场探测的重要作用有着充分认识。纤毛式硅基mems矢量水听器中的纤毛-十字梁换能微结构中，纤毛用于模仿毛细胞感受声波，十字梁及根部压敏电阻用于模仿毛细胞实现声电转换。纤毛-十字梁换能微结构的具体工作原理为：当声波引起纤毛的振动，使十字梁微结构根部产生应力应变，从而导致集成于十字梁根部压敏电阻阻值的变化，利用惠斯通桥提取x轴和y轴压
敏电阻、电压的变化，从而获得声源的方位和强度信息。
6.水下目标在运动的时候周身所产生的压力场扰动是可被鱼类侧线管神经丘捕捉到的目标特征信息。具体为，当环境中出现与鱼体存在相对运动的目标时，该目标对鱼类的先验压力场产生影响，鱼类的侧线管神经丘通过压强差来感知压力梯度特性，反推侧线对压力的处理方式是研究侧线的模型之一，基于此构造人造侧线系统。
7.传统技术中，纤毛式硅基mems矢量水听器适用于探测水声信号的，本技术创造性得将仿鱼类侧线系统和纤毛式硅基mems矢量水听器结合， 组合成了能够测量湍流尾流的传感器。在中间连接体与仿鱼类侧线保护罩之间的腔体中注入水的作用是，当尾流经过侧线孔时会在侧线孔之间产生压力差导致仿鱼类侧线保护罩内液体流动从而带动纤毛发生弯曲，进而捕获目标的运动信息，具体包括移速及方向，检测数据准确且灵敏度高，仿鱼类侧线保护罩大大减少了纤毛-十字梁换能微结构被异物碰撞的几率，同时降低了海水冲击的影响，进一步提高了传感器探测尾流信号的准确性。中间连接体与保护筒体之间的腔体为密封结构，用于容纳电信号放大电路板，防止液体浸入。本技术所述传感器的外部封装结构可以在感知尾流信号的同时，能防止海水冲击及异物碰撞对传感器破坏性影响；保护筒体利用减振橡胶套筒与内筒体和外筒体之间形成“三明治”式夹层结构，有效降低了载体自身振动到传感器的传递率；在纤毛式硅基mems矢量水听器外部通过保形均匀淀积parylene薄膜可以达到电绝缘和防腐蚀的效果，而且能够加固纤毛与十字梁的粘连强度。parylene薄膜即为派瑞林薄膜。
8.优选的，中间连接体的顶部沿其外周设有
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l形”缺口环，仿鱼类侧线保护罩插入“l形”缺口环中，从而仿鱼类侧线保护罩的侧壁和中间连接体的顶部之间形成嵌套式连接结构。这是为了保证中间连接体与仿鱼类侧线保护罩之间能密封连接，且连接结构更加牢固。
9.优选的，中间连接体的底部中央开有第二槽体，第一通孔将第一槽体和第二槽体的槽底贯通，保护筒体的内筒体顶部向上延伸至第二槽体的槽底且二者固定连接，保护筒体的外筒体以及减振橡胶套筒的顶部均与第二槽体之外的中间连接体的底端固定连接，从而保护筒体的顶部和中间连接体的底部之间形成嵌套式连接结构。这是为了保证中间连接体和保护筒体之间密封连接，而且连接结构更加牢固。
10.优选的，仿鱼类侧线保护罩插、中间连接体以及保护筒体的外壁齐平。这样设置结构合理，而且传感器外部整体平滑，可以减弱湍流的冲击。
11.优选的，纤毛式mems矢量水听器的底座与第一槽体通过ab胶固定连接。这样设置连接牢固紧密。
12.优选的，仿鱼类侧线保护罩、保护筒体与中间连接体之间分别通过ab胶固定连接。这样设置连接牢固紧密。
13.优选的，保护筒体中，内筒体、减振橡胶套筒和外筒体之间通过ab胶固定连接。这样设置连接牢固紧密。
14.优选的，parylene薄膜的厚度为6微米。这样设置结构合理，在这个厚度下的parylene薄膜能够有效达到电绝缘和防腐蚀的效果。
15.优选的，减振橡胶套筒由丁腈橡胶制备而成。这种材料可满足减震要求。
16.优选的，中间连接体、仿鱼类侧线保护罩以及保护筒体的内筒体和外筒体均由316
不锈钢制成。316不锈钢的防锈、防腐蚀性较好，而且强度满足要求，符合对传感器结构的要求。
17.本发明的有益效果是：本技术创造性得将仿鱼类侧线系统和纤毛式mems矢量水听器结合， 组合成了能够测量湍流尾流的传感器，仿鱼类侧线保护罩大大减少了纤毛-十字梁换能微结构被异物碰撞的几率，同时降低了海水冲击的影响，进一步提高了传感器探测尾流信号的准确性；本技术所述传感器的外部封装结构可以在感知尾流信号的同时，能防止海水冲击及异物碰撞对传感器破坏性影响；保护筒体利用减振橡胶套筒与内筒体和外筒体之间形成“三明治”式夹层结构，有效降低了载体自身振动到传感器的传递率；且设置parylene薄膜可以使纤毛式mems矢量水听器达到电绝缘和防腐蚀的效果。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明所述一种mems尾流探测传感器去除电信号放大电路板的整体结构示意图。
20.图2为图1的纵截面结构示意图。
21.图3为本发明所述一种mems尾流探测传感器的结构示意图。
22.图4为图3的俯视图。
23.图5为图3的纵截面结构示意图。
24.图6为中间连接体的整体结构示意图。
25.图7为图6的纵截面结构示意图。
26.图8为保护筒体的纵截面结构示意图。
27.图中：1、纤毛式mems矢量水听器；2、中间连接体；3、仿鱼类侧线保护罩；4、保护筒体；5、第一槽体；6、第一通孔；7、侧线孔；8、内筒体；9、减振橡胶套筒；10、外筒体；11、第二通孔；12、“l形”缺口环；13、第二槽体。
具体实施方式
28.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，术语
ꢀ“
第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.一种mems尾流探测传感器，如图1-图8所示，包括纤毛式mems矢量水听器1、中间连接体2、仿鱼类侧线保护罩3和用于容纳电信号放大电路板的保护筒体4；中间连接体2的顶部中央开有用于安装纤毛式mems矢量水听器1的第一槽体5，第一槽体5的底部开有贯穿中间连接体2的第一通孔6，纤毛式mems矢量水听器1中纤毛与十字梁通过uv胶固定连接，纤毛式mems矢量水听器1外部镀有parylene薄膜，具体实施例中，纤毛式硅基mems矢量水听器安装完成后，放入parylene薄膜淀积系统中，加入parylene颗粒到薄膜淀积系统的料槽中，开启机器，经过一段时间后，形成的parylene薄膜厚度为6微米；纤毛式mems矢量水听器1的纤毛朝上设置且位于中间连接体2的轴线上，纤毛式mems矢量水听器1的底座与第一槽体5通过ab胶固定连接后将第一通孔6覆盖使中间连接体2上下隔绝，中间连接体2与仿鱼类侧线保护罩3之间形成用于注水的腔体，纤毛式mems矢量水听器1的导线穿过第一通孔6后与电信号放大电路板电连接，仿鱼类侧线保护罩3将纤毛式mems矢量水听器1罩设其中且与中间连接体2的顶端通过ab胶固定连接，具体的，中间连接体2的顶部沿其外周设有
ꢀ“
l形”缺口环12，仿鱼类侧线保护罩3插入“l形”缺口环12中，从而仿鱼类侧线保护罩3的侧壁和中间连接体2的顶部之间形成嵌套式连接结构；仿鱼类侧线保护罩3的顶部开有四个侧线孔7，四个侧线孔7均匀分布至以仿鱼类侧线保护罩3的顶面中心点为圆心的圆周上，仿鱼类侧线保护罩3的顶面中心点位于中间连接体2的轴线上；保护筒体4由内到外依次包括通过ab胶固定连接的内筒体8、减振橡胶套筒9和外筒体10，减振橡胶套筒9由丁腈橡胶制备而成，中间连接体2的底部中央开有第二槽体13，第一通孔6将第一槽体5和第二槽体13的槽底贯通，保护筒体4的内筒体8顶部向上延伸至第二槽体13的槽底且二者通过ab胶固定连接，保护筒体4的外筒体10以及减振橡胶套筒9的顶部均与第二槽体13之外的中间连接体2的底端通过ab胶固定连接，从而保护筒体4的顶部和中间连接体2的底部之间形成嵌套式连接结构，连接完成之后，仿鱼类侧线保护罩3插、中间连接体2以及保护筒体4的外壁齐平，保护筒体4的底端沿水平方向向内延伸形成用于穿置电信号放大电路板引线的第二通孔11，引线与第二通孔11之间密封连接；中间连接体2、仿鱼类侧线保护罩3以及保护筒体4的内筒体8和外筒体10均由316不锈钢制成。
32.具体制作时，仿鱼类侧线保护罩3的尺寸为：壳体高度为13.46mm，外径为23mm，内径为20mm，侧壁厚度3mm，顶部厚度0.46mm，侧线控的直径为1.45mm，侧线孔7中心到保护罩顶部中心为5.1mm。中间连接体2的尺寸为：总体高为7 mm，总外径为23mm，“l形”缺口环12的高度为4mm，形成“l形”缺口环12后中间连接体2顶部的外径为20mm，第一槽体5的半径5mm且深度2mm，第一通孔6的半径为2mm，第二槽体13的深度为3mm且直径为19mm。减振橡胶套筒9的尺寸为：高54mm，外径21mm，厚度1mm；内筒体8的高度为56mm，外径为19mm，壁厚1mm，外筒体10高度为55mm，外径23mm，壳体壁厚1mm，内筒体8的底部向下延伸将减振橡胶套筒9和外筒体10的端部包裹在内，保护筒体4底部形成的第二通孔11孔径为10.4mm。
33.纤毛式mems矢量水听器1可以探测二维水声信号，并对水声在水下远场探测的重要作用有着充分认识。纤毛式mems矢量水听器中的纤毛-十字梁换能微结构中，纤毛用于模仿毛细胞感受声波，十字梁及根部压敏电阻用于模仿毛细胞实现声电转换。纤毛-十字梁换能微结构的具体工作原理为：当声波引起纤毛的振动，使十字梁微结构根部产生应力应变，从而导致集成于十字梁根部压敏电阻阻值的变化，利用惠斯通桥提取x轴和y轴压敏电阻、电压的变化，从而获得声源的方位和强度信息。
34.水下目标在运动的时候周身所产生的压力场扰动是可被鱼类侧线管神经丘捕捉到的目标特征信息。具体为，当环境中出现与鱼体存在相对运动的目标时，该目标对鱼类的先验压力场产生影响，鱼类的侧线管神经丘通过压强差来感知压力梯度特性，反推侧线对压力的处理方式是研究侧线的模型之一，基于此构造人造侧线系统。
35.传统技术中，纤毛式mems矢量水听器1适用于探测水声信号的，本技术创造性得将仿鱼类侧线系统和纤毛式mems矢量水听器1结合， 组合成了能够测量湍流尾流的传感器。在中间连接体2与仿鱼类侧线保护罩3之间的腔体中注入水的作用是，当尾流经过侧线孔7时会在侧线孔7之间产生压力差导致仿鱼类侧线保护罩3内液体流动从而带动纤毛发生弯曲，进而捕获目标的运动信息，具体包括移速及方向，检测数据准确且灵敏度高，仿鱼类侧线保护罩3大大减少了纤毛-十字梁换能微结构被异物碰撞的几率，同时降低了海水冲击的影响，进一步提高了传感器探测尾流信号的准确性。中间连接体2与保护筒体4之间的腔体为密封结构，用于容纳电信号放大电路板，防止液体浸入。本技术所述传感器的外部封装结构可以在感知尾流信号的同时，能防止海水冲击及异物碰撞对传感器破坏性影响；保护筒体4利用减振橡胶套筒9与内筒体8和外筒体10之间形成“三明治”式夹层结构，有效降低了载体自身振动到传感器的传递率；在纤毛式mems矢量水听器1外部通过保形均匀淀积parylene薄膜可以达到电绝缘和防腐蚀的效果，而且能够加固纤毛与十字梁的粘连强度。parylene薄膜即为派瑞林薄膜。
36.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。