CN102508203A - 一种新型mems仿生声矢量传感器及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型MEMS仿生声矢量传感器结构，属于声学领域。该结构的左侧振动膜片1和右侧振动膜片2上均有可动梳齿6，并与连在锚点区域9的固定梳齿7形成梳齿对。梳齿对结构弥补了以往结构由于存在加强肋无法进行电容检测的缺陷，从而可通过检测电容变化量检测出振动幅度曲线，依次计算出前两阶模态频率时的振幅和阻尼，再通过器件旁边的测试性麦克风测得的声压值，计算出声波的入射角度，实现声源的定位。此外，本发明还公开了该结构的加工方法，利用SOG工艺在玻璃上刻蚀流体间隙，工艺简单，间隙深度可控，避免了采用ICP工艺深刻蚀时出现footing效应，优化了加工工艺，提高了器件的结构精度和成品率。
Description
技术领域：
本发明涉及一种新型MEMS仿生声矢量传感器结构，属于声学领域。
背景技术：
声学探测定位技术在海洋、低空和地面运动目标的监测领域有着重要的应用。寄生蝇微小而结构独特的听觉器官所表现出令人惊讶的定位能力，它利用两耳之间鼓膜间桥的机械耦合作用，放大声波到达左右两侧鼓膜的时间差(相位差)，神经系统分辨不同入射角度时产生的不同相位差来实现声源的定位。
目前国内外许多研究人员针对寄生蝇的生理特性，研制出用于声源定位的矢量传感器。加利福尼亚大学的Shivok等通过逐层沉积的方法，加工出了敏感频率为3.5KHz的矢量传感器，但由于工作频率较高，水下传播损耗大，不利于监测低频的舰船噪声(Shivok，T.J.MemsPolymumps-Based Mini-ature Microphone for Directional Sound Sensing，Master’sThesis，Monterey，CA：Naval Postgraduate.School.2007)。西北工业大学的安鹏等设计出了工作频率在1KHz的MEMS声矢量传感器敏感结构，但由于整个器件采用加强筋增强膜片刚度，工艺出现高台阶，加工难度比较大，而且只能局限在声学测试，无法进行常规电学检测。(安鹏，苑伟政，任森.仿生声压梯度敏感结构设计及加工方法研究.传感技术学报.2010.23(6)：777-781。)
发明内容：
为优化器件加工工艺，保持低频工作频率，而且能通过电学检测将器件集成在电路中，增强器件的可用性，本发明提出一种新型MEMS仿生声矢量传感器及其加工方法。
本发明的技术方案是：一种新型MEMS仿生声矢量传感器，包括硅结构层和玻璃结构层；
所述硅结构层包括左侧振动膜片1、右侧振动膜片2、水平梁3、竖直梁4；左侧振动膜片1和右侧振动膜片2均为正方形，两者通过水平梁3连接；与所述水平梁3形成十字连接的竖直梁4，通过两个端点与锚点区相连，且左侧振动膜片1、右侧振动膜片2和水平梁3与周边锚点区之间通过狭缝8分离，使得左侧振动膜片1、右侧振动膜片2和水平梁3一起形成悬置结构；为了避免振动过程中正方形膜片不必要的变形以便于检测，左侧振动膜片1和右侧振动膜片2，下方存在加强肋5，这样就能在不过大增大膜片质量的同时，保证膜片的刚度；左侧振动膜片1和右侧振动膜片2上均有可动梳齿6，并与连在锚点区域9的固定梳齿7形成梳齿对；
所述玻璃结构层通过玻璃键合台10与硅结构层的锚点区域9键合；与硅结构层悬置结构区域相应位置有凹槽11。
相互连接的两正方形膜片1和2，对应于寄生蝇听觉器官中的两鼓膜。两正方形膜片通过水平梁3实现耦合，即水平梁起到类似于鼓膜间桥的作用，而垂直梁4提供振动过程中的回复扭转力矩。硅结构层和玻璃结构层通过锚点区域9和玻璃键合台10键合，形成流体空腔。可变梳齿6和固定梳齿7形成的梳齿对，使得该MEMS仿生声矢量传感器可以通过电容、光学等检测方法来获取敏感结构所包含两正方形振膜的位移，通过比较声波作用下两振膜的幅值差和相位差，实现对声波入射方位的测量。
所述MEMS仿生声矢量传感器采用基于SOG的工艺，其加工方法具体步骤如下：
步骤一：选取SOI硅片；
步骤二：刻蚀，在SOI硅片的器件层上形成左侧振动膜片1、右侧振动膜片2、水平梁3、竖直梁4、加强肋5和锚点区域9；
步骤三：在玻璃上湿法刻蚀，形成微凹槽11，未刻蚀部分形成玻璃键合台10；
步骤四：将步骤三形成的玻璃键合台10和步骤二形成的锚点区域9阳极键合；
步骤五：去除SOI硅片的底层和埋层；
步骤六：背面刻蚀，形成可变梳齿6、固定梳齿7和狭缝8，使器件层上结构悬空。
上述加工方法中，为了提高器件的检测电容变化量，并使得步骤四的键合工艺更易完成，步骤一选取的SOI硅片电阻率越小越好。
本发明的优点是：
一、结构方面：侧边增加梳齿以及固定梳齿端和结构固定端增加电极，弥补了以往结构由于存在加强肋无法进行电容检测的缺陷。本发明可通过检测电容变化量检测出振动幅度曲线，依次计算出前两阶模态频率时的振幅和阻尼，再通过器件旁边的测试性麦克风测得的声压值，可计算出声波的入射角度，实现声源的定位。
二、工艺方面：利用SOG工艺在玻璃上刻蚀流体间隙，工艺简单，间隙深度可控，避免了采用ICP工艺深刻蚀时出现footing效应，以及以往结构多层沉积和高台阶光刻涂胶不均给结构加工带来的不足，优化了加工工艺，提高了器件的结构精度和成品率。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明：
图1是本发明提出的新型仿生MEMS声矢量传感器结构硅结构层示意图；
图2是本发明提出的新型仿生MEMS声矢量传感器结构玻璃结构层示意图；
图3是本发明提出的新型仿生MEMS声矢量传感器结构加工工艺流程图；
图中，1-左侧振动膜片，2-右侧振动膜片，3-水平梁，4-竖直梁，5-加强肋，6-可动梳齿，7-固定梳齿，8-狭缝，9-锚点区域；10为玻璃键合台，11为凹槽
具体实施方式：
本实施例中的新型MEMS仿生声矢量传感器，包括硅结构层和玻璃结构层；
参阅图1，所述硅结构层包括左侧振动膜片1、右侧振动膜片2、水平梁3、竖直梁4；左侧振动膜片1和右侧振动膜片2均为正方形，两者通过水平梁3连接；与所述水平梁3形成十字连接的竖直梁4，通过两个端点与锚点区相连，且左侧振动膜片1、右侧振动膜片2和水平梁3与周边锚点区之间通过狭缝8分离，使得左侧振动膜片1、右侧振动膜片2和水平梁3一起形成悬置结构；为了避免振动过程中正方形膜片产生扰动而不便于检测，左侧振动膜片1和右侧振动膜片2下方存在“米”字形分布的加强肋5，这样就能在不过大增大膜片质量的同时，保证膜片的刚度；左侧振动膜片1和右侧振动膜片2上均有可动梳齿6，并与连在锚点区域9的固定梳齿7形成梳齿对；
参阅图2，所述玻璃结构层通过玻璃键合台10与硅结构层的锚点区域9键合；与硅结构层悬置结构区域相应位置有凹槽11。
所述MEMS仿生声矢量传感器采用基于SOG的工艺，其加工方法具体步骤如下：
步骤一：选取电阻率为(0.01～0.02)的SOI硅片，器件层、埋层和基底层厚度分别为20μm、0.5μm、390μm，采用标准工艺清洗；
步骤二：光刻形成掩膜图形，ICP刻蚀SOI硅片的器件层，形成左侧振动膜片1、右侧振动膜片2、水平梁3、竖直梁4、加强肋5和锚点区域9。刻蚀深度为17μm；
步骤三：使用浓度为40％的HF溶液在玻璃上湿法刻蚀，形成微凹槽11，未刻蚀部分形成玻璃键合台10。刻蚀时间为80s，刻蚀深度为5μm；
步骤四：将步骤三形成的玻璃键合台10和步骤二形成的锚点区域9在-600V下进行阳极键合，键合时间90min；
步骤五：依次使用质量百分比为20％的KOH溶液湿法刻蚀3h，质量百分百分比为25％的TMAH溶液湿法刻蚀2.5h，去除SOI硅片的基底层，最后采用40％的HF溶液漂洗去除埋层；
步骤六：光刻形成掩膜图形，背面ICP刻蚀，形成可变梳齿6、固定梳齿7和狭缝8，使硅结构层上结构悬空，刻蚀深度为3μm。
Claims (4)
1.一种新型MEMS仿生声矢量传感器，其特征在于：包括硅结构层和玻璃结构层；所述硅结构层包括左侧振动膜片(1)、右侧振动膜片(2)、水平梁(3)、竖直梁(4)；左侧振动膜片(1)和右侧振动膜片(2)均为正方形，两者通过水平梁(3)连接；与所述水平梁(3)形成十字连接的竖直梁(4)，通过两个端点与锚点区相连，且左侧振动膜片(1)、右侧振动膜片(2)和水平梁(3)与周边锚点区之间通过狭缝(8)分离，使得左侧振动膜片(1)、右侧振动膜片(2)和水平梁(3)一起形成悬置结构；左侧振动膜片(1)和右侧振动膜片(2)下方存在加强肋(5)；左侧振动膜片(1)和右侧振动膜片(2)上均有可动梳齿(6)，并与连在锚点区域(9)的固定梳齿(7)形成梳齿对；所述玻璃结构层通过玻璃键合台(10)与硅结构层的锚点区域(9)键合；与硅结构层悬置结构区域相应位置有凹槽(11)。
2.一种如权利要求1所述的新型MEMS仿生声矢量传感器，其特征在于：所述左侧振动膜片(1)和右侧振动膜片(2)下方存在的加强肋(5)为米字形。
3.一种如权利要求1所述的所述MEMS仿生声矢量传感器的加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：选取SOI硅片；
步骤二：刻蚀，在SOI硅片的器件层上形成左侧振动膜片(1)、右侧振动膜片(2)、水平梁(3)、竖直梁(4)、加强肋(5)和锚点区域(9)；
步骤三：在玻璃上湿法刻蚀，形成微凹槽(11)，未刻蚀部分形成玻璃键合台(10)；
步骤四：将步骤三形成的玻璃键合台(10)和步骤二形成的锚点区域(9)阳极键合；
步骤五：去除SOI硅片的底层和埋层；
步骤六：背面刻蚀，形成可变梳齿(6)、固定梳齿(7)和狭缝(8)，使器件层上结构悬空。
4.一种如权利要求3所述的MEMS仿生声矢量传感器的加工方法，其特征在于：所述步骤一中选取的SOI硅片电阻率范围为(0.01～0.02)。
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