[发明专利]基于磁致伸缩金属衬底的磁声纳传感器及其制备方法

说明书

一种基于磁致伸缩金属衬底的磁声纳传感器，属于磁声探测技术领域。包括两个磁声表面波谐振器单元组成的磁场探测部分和2×N个阵列排列的压电超声换能器单元组成的声压探测部分，其中，磁声表面波谐振器单元和压电超声换能器单元中的磁致伸缩衬底、金属缓冲层、压电薄膜和保护层共用，两个磁声表面波谐振器单元中的压电薄膜层的厚度不相同。本发明通过将磁声表面波谐振器与压电超声换能器集成为一体，来实现舰船、潜艇、UUV等水下目标的磁场探测和声压探测，具有结构简单、易加工、成本低、集成度高、探测灵敏度高、损耗低、响应速度快等优点。

技术领域

本发明属于磁声探测技术领域，具体涉及一种基于磁致伸缩金属衬底的磁声纳传感器及其制备方法，该传感器具有磁异常场和声压探测功能，可以用于水下目标探测、定位、导航或其他水声探测系统中。

背景技术

在水声探测技术领域中，水声传感器一般由声压水声传感器与直接或间接测量振速的传感器复合而成，能够同时共点测量水下声标量和矢量(声压梯度、质点振速、加速度、位移或声强等)信息。微型声定向换能器传感元件，即基于MEMS工艺设计的压电超声换能器，是微型声定向系统的重要组成部分，其性能好坏与结构尺寸直接影响声频定向系统的载波频率、输出声压级以及驱动电路元器件选择。对于远场目标检测和安静型潜艇探测，需要低频段高灵敏度的水声传感器，而压电微机械超声换能器(Piezoelectric MEMSUltrasonic Transducers，PMUT，以下用缩写代替)，与传统超声换能器相比，具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、频率控制灵活、频带宽、灵敏度高以及易于与电路集成和实现智能化等特点，使得其适合作为磁声纳探测系统声探测内部振子组件。但仅仅通过单个水声传感器件来对空间目标实现定位是比较困难的，即很难精准确定探测目标与传感器的相对姿态。

由于“磁”与“声”在水中有良好的传播特性，使得复合磁场探测与声压探测成为了水下目标探测的有效技术手段，可以更加充分地获取水中目标特征信息，进行融合处理。例如，在磁声纳技术中，通过对磁信号处理可以实现对水声传感器主响应轴的相对于地磁北极的方位角判断，提高了系统的指向性和定位精度，在水下探测效果很好。目前，磁声纳系统中磁探测部分采用的分立磁传感器主要有：线圈、霍尔器件、磁通门传感器、磁阻传感器、光泵、质子磁力仪等。其中，线圈、霍尔器件、磁阻探测的探测灵敏度都比较低；磁通门磁探仪的灵敏度与体积相关；质子磁力仪虽然灵敏度高，但电路复杂、功耗高，而且不能用于连续探测；光泵磁场灵敏度可高达5pT，但只能用于标量探测，使用和维护费用昂贵。近年来，国内外广泛研究了由压电材料和磁致伸缩材料复合而成的层状磁电复合材料，利用磁电效应可以实现高灵敏度的磁场探测和感知。此外，为了实现低频、超低频磁异常场的探测，最近还提出了磁电声表面波谐振器(Magnetoelectric Surface Acoustic Wave Resonator，缩写为MSAWR，以下用缩写代替)，其工作原理为：选择具有巨杨氏模量的磁致伸缩金属衬底，外加磁场会诱导衬底的杨氏模量发生变化，进而引起压电层的声表面波相速度发生变化；由于声表面波谐振器的波速ν、中心频率f₀、波长λ三者满足：v＝f₀·λ，从而会引起中心频率的大幅改变。MSAWR摆脱了磁电效应所固有的电荷/电压探测模式，没有1/f噪音，不仅可以实现宽频磁场的探测，而且具有无线无源功能，可以用于磁场梯度探测。

目前，已经应用及研究的磁声纳探测器件，均是将矢量水声传感器与磁传感器通过机械构架组合来实现磁声复合探测，或者超磁致声波换能器等。这些磁声传感器件采用机械组合的方式形成，体积大，结构及制备工艺复杂，同时，机械构架耦合水声传感器与磁场传感器，使得磁声纳传感器的一致性较难保证，也难适应当前器件微型化发展的需要。因此，就水下目标探测需求而言，目前尚缺乏一种可实现声压和磁场复合信号探测的高集成化、一致性好、探测灵敏度高、定位精准的传感器。

发明内容