一种全指向型水听器

本发明涉及mems水听器，具体是一种全指向型水听器。

背景技术：

1、早在1910年就提出了基于大体积压电陶瓷的水听器，此后基于大体积压电陶瓷的水听器一直主导着整个水听器市场。直到现在，市场上最先进的水听器都是使用传统的机密制造技术在庞大的压电陶瓷上制造的。基于压电陶瓷的水听器具有成本高、体积大等问题，阻碍了其在各种实际应用中的发展。

2、基于mems技术设计的水听器具有体积小、功耗低以及与cmos标准制造工艺兼容的显著特点。另外，基于电容式超声换能器（capacitive micromachined ultrasonictransducer, cmut）设计的水听器由于其高性能、结构紧凑以及与半导体批量制造工艺的良好兼容性而备受关注。

3、指向性是衡量水听器在不同角度下对外界声压敏感程度的一个重要的指标。传统的水听器只对自身某一个角度范围内的声压信号比较敏感，所以是否能够设计一种能够实现在水听器所在的平面360度范围内对声压信号具有同样敏感性的水听器就显得尤为重要了。

技术实现思路

1、本发明的目的为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种基于cmut的全指向型水听器。

2、本发明是通过如下技术方案实现的：

3、一种全指向型水听器，包括水听器敏感探头、数据采集模块、数据存储模块和电源管理模块；其中，水听器敏感探头的输出端与数据采集模块的输入端连接，数据采集模块的输出端与数据储存模块的输入端连接，电源管理模块分别与水听器敏感探头、数据采集模块和数据存储模块连接。

4、水听器敏感探头包括球形封装外壳、环形pcb板、前级信号处理电路和双向微机械超声波换能器；其中，环形pcb板安装在球形封装外壳内的中间位置处，前级信号处理电路集成在环形pcb板上，双向微机械超声波换能器安装在环形pcb板中间的安装槽内，双向微机械超声波换能器的输出端与前级信号处理电路的输入端连接，前级信号处理电路的输出端与数据采集模块的输入端连接；双向微机械超声波换能器及环形pcb板的整体将球形封装外壳的壳腔分隔为上部壳腔和下部壳腔，上部壳腔及下部壳腔中均填充封装胶进行声学封装。

5、进一步的，双向微机械超声波换能器包括衬底，衬底的顶面中心位置处设置有上部绝缘层，围绕上部绝缘层一圈设置有环状的上部下电极层，上部绝缘层的表面中心处设有凹槽，上部绝缘层上设置有上部器件层且将凹槽封闭形成上部真空腔体，上部器件层上设置有上部上电极层；衬底的底面中心位置处设置有下部绝缘层，围绕下部绝缘层一圈设置有环状的下部下电极层，下部绝缘层的表面中心处设有凹槽，下部绝缘层上设置有下部器件层且将凹槽封闭形成下部真空腔体，下部器件层上设置有下部上电极层；上部绝缘层、上部下电极层、上部器件层、上部真空腔体、上部上电极层的整体与下部绝缘层、下部下电极层、下部器件层、下部真空腔体、下部上电极层的整体以衬底对称设置。

6、进一步的，上部真空腔体和下部真空腔体为圆形腔体、方形腔体或正六边形腔体。

7、进一步的，双向微机械超声波换能器采用电容式换能器或压电式换能器。

8、进一步的，前级信号处理电路由依次连接的前级放大电路、带通滤波电路和二级放大电路组成。

9、进一步的，封装胶采用与水声学阻抗匹配的材料。

10、进一步的，封装胶采用聚乙烯、聚氨酯或硅胶。

11、本发明全指向型水听器设计科学，结构合理，使用效果好，实现了在水听器所在的平面360度范围内对声压信号具有同样敏感性的目的。本发明全指向型水听器通过mems技术，实现了敏感检测部分与信号处理电路的集成设计，所有这些都可以在芯片上规模完成，在一个衬底上将传感器，信号处理电路，执行器集成起来，具有体积小、结构简单、灵敏度高以及灵敏度可调等特点，结构简单使其在工艺上便于实现和操作，灵敏度高可提供声呐的探测能力。

技术特征：

1.一种全指向型水听器，其特征在于：包括水听器敏感探头、数据采集模块、数据存储模块和电源管理模块；其中，水听器敏感探头的输出端与数据采集模块的输入端连接，数据采集模块的输出端与数据储存模块的输入端连接，电源管理模块分别与水听器敏感探头、数据采集模块和数据存储模块连接；

2.根据权利要求1所述的一种全指向型水听器，其特征在于：双向微机械超声波换能器包括衬底，衬底的顶面中心位置处设置有上部绝缘层，围绕上部绝缘层一圈设置有环状的上部下电极层，上部绝缘层的表面中心处设有凹槽，上部绝缘层上设置有上部器件层且将凹槽封闭形成上部真空腔体，上部器件层上设置有上部上电极层；衬底的底面中心位置处设置有下部绝缘层，围绕下部绝缘层一圈设置有环状的下部下电极层，下部绝缘层的表面中心处设有凹槽，下部绝缘层上设置有下部器件层且将凹槽封闭形成下部真空腔体，下部器件层上设置有下部上电极层；上部绝缘层、上部下电极层、上部器件层、上部真空腔体、上部上电极层的整体与下部绝缘层、下部下电极层、下部器件层、下部真空腔体、下部上电极层的整体以衬底对称设置。

3.根据权利要求1所述的一种全指向型水听器，其特征在于：上部真空腔体和下部真空腔体为圆形腔体、方形腔体或正六边形腔体。

4.根据权利要求3所述的一种全指向型水听器，其特征在于：双向微机械超声波换能器采用电容式换能器或压电式换能器。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种全指向型水听器，其特征在于：前级信号处理电路由依次连接的前级放大电路、带通滤波电路和二级放大电路组成。

6.根据权利要求5所述的一种全指向型水听器，其特征在于：封装胶采用与水声学阻抗匹配的材料。

7.根据权利要求6所述的一种全指向型水听器，其特征在于：封装胶采用聚乙烯、聚氨酯或硅胶。

技术总结
本发明为一种全指向型水听器，包括水听器敏感探头、数据采集模块、数据存储模块和电源管理模块，水听器敏感探头包括球形封装外壳、环形PCB板、前级信号处理电路和双向微机械超声波换能器，双向微机械超声波换能器包括衬底，衬底的顶面和底面上设有对称设置的绝缘层、下电极层、器件层、真空腔体和上电极层。本发明全指向型水听器设计科学，结构合理，使用效果好，实现了在水听器所在的平面360度范围内对声压信号具有同样敏感性的目的。

技术研发人员：贾利成,张文栋,孟繁胜,张国军,王仁鑫,何常德,杨玉华,崔建功
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12