本發(fā)明專利涉及超聲波傳感和磁探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種新型的艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器，主要用于海岸防御、反潛和艦艇探測(cè)等方面。

背景技術(shù)：

水中大型目標(biāo)(潛艇、核潛艇、暗礁等)的探測(cè)可以借助聲吶、雷達(dá)、激光、磁探測(cè)等手段實(shí)現(xiàn)。其中，聲吶技術(shù)是最早被采用的水下探測(cè)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于海軍水下活動(dòng)的各個(gè)方面，是潛艇探測(cè)、偵察和導(dǎo)航的主要手段。水聲換能器作為聲納系統(tǒng)的重要組成部分，是進(jìn)行電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的器件，其原理是利用聲波在水中的傳播特性，通過(guò)壓電材料或磁致伸縮材料實(shí)現(xiàn)電聲能量轉(zhuǎn)換，探測(cè)水下潛艇等目標(biāo)。根據(jù)水聲換能器的功能可以分為兩種，將聲能轉(zhuǎn)換為電能的接收型水聲換能器和將電能轉(zhuǎn)換為聲能的發(fā)射型水聲換能器。發(fā)射型水聲換能器在水下探測(cè)時(shí)往往容易將本身的位置暴露給對(duì)方，而接收型水聲換能器則要求被識(shí)別目標(biāo)發(fā)出較大的噪聲才能對(duì)其進(jìn)行探測(cè)并確定聲源位置。

隨著隱身技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，幾年來(lái)不斷推出“安靜型潛艇”、“無(wú)噪聲航速”、“隱身潛艇”等低可探測(cè)目標(biāo)，這使得利用聲吶技術(shù)很難對(duì)潛艇進(jìn)行發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和反潛。磁探測(cè)技術(shù)是各種非聲探測(cè)中發(fā)展較早、技術(shù)成熟的一種探測(cè)方法，在探測(cè)、定位與攻擊潛艇手段中，磁探潛法相比聲吶技術(shù)具有識(shí)別能力優(yōu)越、運(yùn)行時(shí)間短、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

海洋磁場(chǎng)探測(cè)的儀器目前主要有磁通門磁力儀、質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀、光泵式磁力儀、超導(dǎo)量子干涉磁力儀(SQUID)、全張量磁力梯度測(cè)量系統(tǒng)等幾種儀器：

(1)磁通門磁力儀是利用具有高磁導(dǎo)率的軟磁鐵芯在外磁場(chǎng)作用下的電磁感應(yīng)現(xiàn)象測(cè)定外磁場(chǎng)的儀器，其分辨率一般可以達(dá)到1～10nT，特殊制造的磁通門磁力儀的分辨率可以達(dá)到0.001nT，磁通門磁力儀的體積和功耗均較大。

(2)質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀是利用質(zhì)子在地磁場(chǎng)中的旋進(jìn)現(xiàn)象根據(jù)磁共振原理研制而成的，其優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)精度高，一般在0.1～10nT范圍內(nèi)，穩(wěn)定性好，工作速度快，可直讀地磁場(chǎng)nT值，缺點(diǎn)是極化功率高，只能進(jìn)行快速點(diǎn)測(cè)，且受磁場(chǎng)梯度影響較大。

(3)光泵式磁力儀是根據(jù)原子核內(nèi)的原子躍遷原理制成的磁力儀，具有靈敏度高，可以達(dá)到0.001nT，無(wú)零點(diǎn)漂移，不需定向，對(duì)周圍磁場(chǎng)梯度要求不嚴(yán)以及可以連續(xù)觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，檢測(cè)時(shí)需要高精度的頻率測(cè)量。

(4)超導(dǎo)量子干涉磁力儀(SQUID)根據(jù)超導(dǎo)原理制造，是目前為止測(cè)量磁場(chǎng)靈敏度最高的儀器，靈敏度高達(dá)10-5～10-6nT，但制造超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)工藝較為困難，同時(shí)需要低溫制冷設(shè)備，技術(shù)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。

(5)全張量磁力梯度測(cè)量系統(tǒng)多是基于SQUID研制而成，其測(cè)量的對(duì)象是磁場(chǎng)矢量分量的梯度，不受總場(chǎng)測(cè)量的限制，所測(cè)量的結(jié)果能夠反映目標(biāo)體的矢量磁矩信息，由于張量元素受地磁場(chǎng)的傾角、偏角影響小，由它們計(jì)算得到的張量不變量不需要額外的處理且磁力梯度張量反演能夠很好地描述磁場(chǎng)源體的磁化方向和幾何形態(tài)，但是該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)要求高，體積大，成本高。

以上海洋磁力儀靈敏度均很高，但也存在著體積大、功耗大、成本高等問(wèn)題，同時(shí)磁探測(cè)方法要受到磁異常源本身的磁性強(qiáng)弱和距磁異常源的深度兩個(gè)因素的制約。隨著測(cè)量深度的增加，磁異常幅度會(huì)迅速減小，測(cè)量點(diǎn)距離磁源的深度超過(guò)一定值時(shí)，磁異常將消失在背景磁場(chǎng)中難以探測(cè)。由于潛艇尺寸較大，本身由鋼鐵材料制造，在地磁場(chǎng)作用下將會(huì)對(duì)周圍一定區(qū)域內(nèi)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度分布產(chǎn)生較大的影響，即引起磁異常，通過(guò)探測(cè)潛艇引起的磁異常信號(hào)來(lái)判斷在其有效探測(cè)范圍內(nèi)有無(wú)潛艇等目標(biāo)的存在。潛艇所處的背景磁場(chǎng)——地磁場(chǎng)總強(qiáng)度一般在20～60μT，以潛艇材料磁導(dǎo)率為200、長(zhǎng)100m、寬60m的潛艇為例，根據(jù)橢球體磁矩計(jì)算公式可以算得其磁矩?cái)?shù)量級(jí)為107～108Am2，則可估算磁化場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)量級(jí)為109/r3nT，若磁探測(cè)儀距離潛艇的距離為100m，則磁化場(chǎng)強(qiáng)度約為1000nT。因此，對(duì)于潛艇、核潛艇等水中大型目標(biāo)，并不需要特別高的靈敏度，也能實(shí)現(xiàn)磁探測(cè)。

綜上所述，目前用于海岸潛艇探測(cè)的聲納系統(tǒng)或者磁力儀均未能較好的解決探測(cè)的快速準(zhǔn)確性以及體積、功耗、成本、大規(guī)模生產(chǎn)等方面的問(wèn)題，且這些傳統(tǒng)器件要么通過(guò)超聲探測(cè)，要么通過(guò)磁探測(cè)，目前尚沒(méi)有研究將二者綜合起來(lái)或者將二者有機(jī)互補(bǔ)地結(jié)合起來(lái)。本發(fā)明試圖將MEMS(Micro-Electromechanical Systems)技術(shù)、超聲波傳感技術(shù)以及磁探測(cè)技術(shù)相結(jié)合，提出一種新型的艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器。利用MEMS技術(shù)制作電容微加工超聲換能器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,cMUT)，并在電容空腔內(nèi)注入對(duì)磁場(chǎng)敏感的磁液或磁流變液作為超聲波傳輸媒介，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的超聲探測(cè)和磁探測(cè)，并達(dá)到微型化、低功耗、低成本、可批量化生產(chǎn)的目標(biāo)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)背景技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種新型的艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器，其創(chuàng)新在于：將超聲探測(cè)與磁探測(cè)方式結(jié)合起來(lái)，克服了傳統(tǒng)器件要么超聲探測(cè)要么磁探測(cè)的功能單一性；在短距離范圍內(nèi)，采用超聲傳感即聲吶感知，且聲吶頻率和能量密度可控，在遠(yuǎn)距離情況下，采用磁探測(cè)和聲吶技術(shù)相結(jié)合，當(dāng)磁場(chǎng)變化時(shí)超聲頻率發(fā)生變化，進(jìn)而通過(guò)調(diào)節(jié)超聲的頻率和功率，準(zhǔn)確快速地定位和判別引起磁異常的目標(biāo)；超聲在靜默狀態(tài)下，傳感器采用被動(dòng)模式運(yùn)行，只有當(dāng)發(fā)現(xiàn)磁異常時(shí)才切換為主動(dòng)模式，能耗小，隱蔽性高。

前述方案的原理是：如圖1所示，利用電容式微加工超聲換能器(cMUT)作為水聲換能器(或聲吶)，同時(shí)在cMUT的空腔中注入對(duì)磁場(chǎng)敏感的低濃度磁液或磁流變液作為超聲波傳輸媒介，在無(wú)磁異常源存在的情況下傳感器以水聲換能器的方式工作，當(dāng)潛艇接近海岸時(shí)將在附近區(qū)域引起磁異常(圖2)，外加磁場(chǎng)將改變磁液或磁流變液的粘度，從而改變傳感器發(fā)射或接收的超聲頻率。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種新型的艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器，結(jié)構(gòu)包括硅襯底、金屬電極、絕緣層、壓電薄膜和充滿磁性液的空腔。該傳感器的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

所述的艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器，其特征在于：所述的金屬電極作為探測(cè)信號(hào)的激勵(lì)端或信號(hào)輸出端(取決于工作于超聲波發(fā)射狀態(tài)還是接收狀態(tài))，其中底部金屬電極沉積在硅基底的上面，所述的絕緣層覆蓋在底部電極上，所述的空腔位于壓電薄膜和絕緣層的中間，頂部金屬電極沉積在壓電薄膜上面。

所述的艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器以水聲換能器的方式工作時(shí)，其實(shí)質(zhì)是一種電容式微加工超聲換能器(cMUT)，在空腔為真空密封狀態(tài)時(shí)，傳感器工作的一階振動(dòng)頻率可表達(dá)為：其中，α_c1為cMUT工作時(shí)的振動(dòng)因子，t為壓電薄膜的厚度，a為壓電薄膜的邊長(zhǎng)(正多邊形)或半徑(圓形)，Y₀為壓電薄膜的楊氏模量，v為壓電薄膜的泊松比。在空腔內(nèi)充滿一定粘度的磁性液體時(shí)，由Kanazawa的模型(Kanazawa K K,Gordon J G.The oscillation frequency of a quartz resonator in contact with liquid[J].Analytica Chimica Acta,1985,175:99-105.)可得傳感器在液體中振動(dòng)的頻移，用公式表達(dá)為：其中，f₀為空腔真空下的工作頻率，ρ和η為液體的質(zhì)量密度和粘度，ρ_R和μ_R壓電薄膜的質(zhì)量密度和剪切模量。

所述的艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器以磁探測(cè)的方式工作時(shí)，其原理是利用磁性液體(磁液或磁流變液)在磁場(chǎng)作用下微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)行為會(huì)發(fā)生變化(Shah K,Upadhyay R V,Aswal V K.Influence of large size magnetic particles on the magneto-viscous properties of ferrofluid[J].Smart Materials and Structures,2012,21(7):075005.)，若所述的外磁場(chǎng)強(qiáng)度為H，則由其帶來(lái)的粘度變化量可表達(dá)為：其中，為磁性顆粒在磁性液體中占的體積分?jǐn)?shù)，η_c為磁性液體中基液的粘度，L(α)＝cothα-α^-1為L(zhǎng)angevin函數(shù)，α＝μH/k_BT，k_B為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度決定磁性液體粘度的變化量，同時(shí)由于溫度對(duì)磁性液體粘度有影響，工作時(shí)需使傳感器工作在恒溫環(huán)境下或?qū)鞲衅鬟M(jìn)行溫度補(bǔ)償。

所述的艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器，壓電薄膜為一層或由多層疊加而成，壓電材料選自壓電陶瓷、壓電單晶、壓電復(fù)合材料或壓電聚合物等。其中，壓電陶瓷可以是PZT、AlN、ZnO或者其他壓電材料。

所述的艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器，壓電薄膜結(jié)構(gòu)外形可以為圓形、方形或者多邊形平面元件，換能器的尺寸由工作頻率所決定。

所述的艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器，金屬電極材料沒(méi)有具體限定，可以是鋁、銀、鉑、金等金屬材料。

所述的艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器，磁性液體選用低濃度的磁液(Magnetic fluid,MF)或者磁流變液(Magneto-rheological fluid,MRF)，基體的粘度在200cP以內(nèi)。其中，磁液中的磁性懸浮顆粒尺寸一般在5～10nm，磁流變液中的磁性懸浮顆粒尺寸選用幾十nm的磁性顆粒。

在一些具體實(shí)施方式中，所述艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器可以為1D、2D等陣列傳感器，或者為單陣元傳感器或由多個(gè)陣元按同心圓的方式排列的傳感器。

綜上所述，本發(fā)明提供了一種新型的艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器，選用cMUT作為水聲換能器進(jìn)行超聲探測(cè)，并在電容空腔內(nèi)注入低濃度的磁性液體作為對(duì)外磁場(chǎng)敏感的媒體介質(zhì)，基于磁性液體在外磁場(chǎng)下粘度顯著變化進(jìn)而影響超聲換能器的工作頻率的特性進(jìn)行磁探測(cè)。為了詳細(xì)說(shuō)明所設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)傳感器的特性，不妨先選定磁性液體粘度對(duì)外磁場(chǎng)強(qiáng)度的靈敏度為90cP/(kA/m)(Shah K,Upadhyay R V,Aswal V K.Influence of large size magnetic particles on the magneto-viscous properties of ferrofluid[J].Smart Materials and Structures,2012,21(7):075005.)，選用cMUT的工作頻率對(duì)液體粘度變化的靈敏度為-25kHz/cP(Hongbin Y,Liang L,Yuandong A G.Capacitive micromachined ultrasonic transducer(CMUT)based micro viscosity sensor[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2016,227:346-351.)，測(cè)量系統(tǒng)在液體中可測(cè)的最小頻移量為1kHz，則理論上該器件可以實(shí)現(xiàn)0.6μT的測(cè)試分辨率，即器件最小可以敏感到600nT的弱磁場(chǎng)。此外，若選擇測(cè)試粘度的傳感器采用FBAR代替cMUT，則傳感器的工作頻率對(duì)液體粘度變化的靈敏度可達(dá)-300kHz/cP左右(Weber J,Link M,Primig R,et al.High frequency viscosity sensing with FBARs[C]//2006 IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition.IEEE,2006:117-122.)，則器件最小可以敏感到100nT以下的弱磁場(chǎng)。

通過(guò)本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的新型的艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器，其對(duì)磁場(chǎng)的分辨率可以達(dá)到對(duì)水中大型目標(biāo)(潛艇、核潛艇等)磁探測(cè)的要求，且該傳感器還可以對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行超聲探測(cè)，形成了對(duì)目標(biāo)的雙重探測(cè)，具有優(yōu)越的識(shí)別能力，誤判率低。與現(xiàn)有的方法相比，本發(fā)明設(shè)計(jì)的艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器具有以下特點(diǎn)：

(1)該傳感器將超聲探測(cè)和磁探測(cè)方式結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)水中大型目標(biāo)的雙重探測(cè)與定位，克服了傳統(tǒng)器件要么超聲探測(cè)要么磁探測(cè)的功能單一性，雙重探測(cè)方式降低器件的誤判率，具有優(yōu)越的識(shí)別能力。

(2)在短距離范圍內(nèi)，采用超聲傳感即聲吶感知，且聲吶的頻率和能量密度可控；在遠(yuǎn)距離情況下，采用磁探測(cè)和聲吶技術(shù)相結(jié)合，當(dāng)磁場(chǎng)變化時(shí)超聲頻率發(fā)生變化，進(jìn)而通過(guò)調(diào)節(jié)超聲的頻率和功率，準(zhǔn)確快速地定位和判別引起磁異常的目標(biāo)。

(3)超聲在靜默狀態(tài)下，傳感器采用被動(dòng)模式運(yùn)行，只有當(dāng)發(fā)現(xiàn)磁異常時(shí)才切換為主動(dòng)模式，能耗小，隱蔽性高。

(4)采用先進(jìn)微納技術(shù)制作的cMUT，通過(guò)在電容空腔中注入低濃度的磁性液體，可以實(shí)現(xiàn)最小600nT的微弱磁場(chǎng)探測(cè)，并且若采用FBAR器件代替cMUT工作，有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)100nT以下的微弱磁場(chǎng)探測(cè)，靈敏度高。

(5)通過(guò)增加偏置磁場(chǎng)可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)傳感器工作頻率的可調(diào)控制，應(yīng)用靈活。

(6)本器件采用先進(jìn)微納技術(shù)制作，體積小，功耗低，頻帶寬，可以做成一維線陣列(1D)和二維面陣列(2D)，與前端電子電路兼容，有利于器件的批量化生產(chǎn)，器件成本低。

(7)該器件可以用于海岸防御、反潛、艦艇探測(cè)、海洋地貌測(cè)量等方面。

附圖說(shuō)明

圖1：艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器工作原理圖

圖2：潛艇接近海岸時(shí)引起磁異常示意圖

圖3：艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖4：基于FBAR的艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

附圖中的標(biāo)號(hào)分別為：1、硅襯底，2、金屬電極，3、絕緣層，4、壓電薄膜，5、充滿磁性液的電容空腔。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種新型艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器，包括硅襯底1、金屬電極2、絕緣層3、壓電薄膜4和充滿磁性液的電容空腔5。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方法。

本實(shí)施例提供的一種新型的艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器，其具體的技術(shù)實(shí)施思路：利用MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)制作電容式微加工超聲換能器(cMUT)作為水聲換能器，其中電容空腔中注入對(duì)磁場(chǎng)敏感的低濃度磁性液體作為超聲波傳輸媒介，在無(wú)磁異常源存在的情況下傳感器以水聲換能器的方式工作，當(dāng)潛艇接近海岸時(shí)將在附近區(qū)域引起磁異常(圖1)，外加磁場(chǎng)將改變磁液或磁流變液的粘度，從而改變傳感器發(fā)射并接收的超聲波頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的超聲探測(cè)和磁探測(cè)。其工作原理如圖2所示。

在本實(shí)施例中，所述的電容空腔5位于懸浮的壓電薄膜4和硅襯底1的中間，一個(gè)金屬電極層2沉積在壓電薄膜的上表面作為頂部電極，另一個(gè)金屬電極2沉積在硅襯底1的上表面作為底部電極，絕緣層3沉積在底部電極上面，用于支撐壓電薄膜并防止壓電薄膜在強(qiáng)電壓下發(fā)生塌陷與底部電極短接。

在本實(shí)施例中，當(dāng)傳感器工作于發(fā)射模式時(shí)，在頂部電極和底部電極之間施加帶有直流電壓偏置的交流電壓信號(hào)，此時(shí)懸掛的壓電薄膜由于交變的靜電力而產(chǎn)生振動(dòng)向周圍媒介中發(fā)射超聲波；當(dāng)傳感器工作于接收模式時(shí)，在頂部電極和底部電極之間只施加偏置直流電壓信號(hào)，當(dāng)超聲波碰到薄膜時(shí)產(chǎn)生壓力迫使薄膜振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生電流信號(hào)輸出。

所述的壓電薄膜為一層或由多層疊加而成，壓電材料選自壓電陶瓷、壓電單晶、壓電復(fù)合材料或壓電聚合物等，其中，壓電陶瓷可以是PZT、AlN、ZnO或者其他壓電材料。壓電薄膜結(jié)構(gòu)外形可以為圓形、方形或者多邊形平面元件，厚度通常選取為0.1～3μm。

所述的金屬電極材料沒(méi)有具體限定，可以是鋁、銀、鉑、金等金屬材料，金屬電極的厚度通常選取為0.1～1μm。

所述的磁性液體選用低濃度的磁液(Magnetic fluid,MF)或者磁流變液(Magneto-rheological fluid,MRF)，基體的粘度在200cP以內(nèi)。其中，磁液中的磁性懸浮顆粒尺寸一般在5～10nm，磁流變液中的磁性懸浮顆粒尺寸選用幾十納米的磁性顆粒，磁性顆?？梢允囚驶F粉或者Co-Ni合金磁粉。

所述的艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器中的水聲換能器可以選用薄膜體聲波諧振器(Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR)來(lái)代替cMUT，如圖4所示，其結(jié)構(gòu)包括硅襯底1、金屬電極2、支撐層3、壓電薄膜4和充滿磁性液體的空腔5。

綜上所述，本發(fā)明設(shè)計(jì)的艦艇監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)傳感器能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)水中大型目標(biāo)的超聲探測(cè)和磁探測(cè)，具有優(yōu)越的識(shí)別能力，可以用于水下潛艇探測(cè)、反潛和海岸防御等方面

以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，并沒(méi)有詳細(xì)敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制本發(fā)明為所述的具體實(shí)施方式。顯然，根據(jù)本說(shuō)明書的內(nèi)容可以做很多修改和變型。倘若對(duì)于本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。