CN102638753B - 基于石墨烯的mems声学传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于石墨烯的MEMS声学传感器，主要结构由由上层结构、下层结构及石墨烯组成，上层结构上制作有集音腔、间隙腔、通孔板、拾音孔、上层金属层、上层绝缘层、上层金属连接位、上层键合金属层，下层结构层上制作有通孔板、间隙腔、阻尼孔、阻尼腔、下层金属层、下层绝缘层、下层金属连接位、石墨烯连接位、下层金属键合层、上层金属焊盘、下层金属焊盘、上层金属连接孔、下层金属连接孔、石墨烯连接孔，上层绝缘层和下层绝缘层中夹有石墨烯层，单碳原子层厚度的石墨烯材料具有优异的机械特性和电学特性，以石墨烯为振动膜的声学传感器将会实现更高的灵敏度、分辨率，使声音的检测数据翔实、精准、可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于石墨烯的MEMS声学传感器，属于微传感器技术领域。
背景技术
传统的硅微电容传声器都是双芯片结构，先是在不同的硅晶片上单独制备振动膜片和背极板，然后再组装或封装成电容传声器的结构。各种常见的硅微电容传声器的频率响应一般在100Hz-10kHz之间可以满足传声器的频响要求，但在灵敏度和自噪声方面很不足。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。由于石墨烯材料是一种机械特性和电学特性优异的材料，可作为MEMS声学传感器的振动膜，比传统的硅膜、金属膜具有更好的结构一致性、更强的柔韧性，以石墨烯为振动膜的声学传感器将会实现更高的灵敏度、分辨率，使声音的检测数据翔实、精准、可靠。
发明内容
本发明的目的就是针对背景技术的不足，设计了一种基于石墨烯材料的MEMS声学传感器，以大幅提高声音微传感器的检测精度和分辨率。
本发明主要结构由上层结构、下层结构及石墨烯组成，上层结构上制作有集音腔、间隙腔、通孔板、拾音孔、上层金属层、上层绝缘层、上层金属连接位、上层键合金属层，下层结构层上制作有通孔板、间隙腔、阻尼孔、阻尼腔、下层金属层、下层绝缘层、下层金属连接位、石墨烯连接位、下层金属键合层、上层金属焊盘、下层金属焊盘、上层金属连接孔、下层金属连接孔、石墨烯连接孔；在上层结构层1上加工有倒四边棱台形结构的集音腔5、6，集音腔5、6的底部分别加工有通孔板7、8，通孔板7、8上均布有拾音腔11、12，在通孔板7、8的下面加工有间隙腔9、10，间隙腔9、10的内壁上淀积有上层金属层13、14，间隙腔9、10四周矩形边框上淀积有上层绝缘层15、16，上层金属层13的左侧连接有上层金属连接位17、上层金属层14的右侧连接有上层金属连接位18、上层结构层1底面的四周边框制作有上层键合金属层3，上层金属层3的底面键合有下层键合金属层4，下层键合金属层4制作于下层结构层2的四周边框位置处，下层结构层2上与间隙腔9、10相对的位置上加工有间隙腔28、29，间隙腔28、29的内壁淀积有下层金属层19、20，间隙腔28、29四周矩形边框上淀积有下层绝缘层21、22，间隙腔28、29的底部加工有通孔板26、27，通孔板26、27上均布有阻尼孔31、32，通孔板26、27的底部有阻尼腔42、43，下层金属层19的左侧与上层金属连接位17相对的位置处加工有上层金属连接位23，下层金属层20的右侧与上层金属连接位18相对的位置处加工有上层金属连接位24，下层结构层2的中央位置加工有石墨烯连接位25，下层结构层2的底面两侧边框上制作有上层金属焊盘32、33、下层金属焊盘34、35，下层结构层2的底面中间位置处石墨烯焊盘36，下层金属链接位22、23通过上层金属连接孔39、40与上层金属焊盘32、33相连，下层金属层19、20通过下层金属连接孔39、40与下层金属焊盘34、35相连，石墨烯连接位25通过石墨烯连接孔41与石墨烯焊盘36相连，上层绝缘层15、16与下层绝缘层21、22中间夹有石墨烯层44。
声波通过集音腔汇聚并穿过拾音孔作用在石墨烯薄膜上，石墨烯薄膜在声压的作用下发生形变并向下运动，由石墨烯与下层金属层形成的电容容值将变大，由石墨烯与上层金属层形成的电容容值将变小，对这些电容组成的惠斯通电桥电路输出电压的测量，就能得到声波的幅值与频率。
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，此传感器采用两层结构键合设计，中间夹有石墨烯层，石墨烯材料是一种机械特性和电学特性优异的材料，可作为MEMS声学传感器的振动膜，比传统的硅膜、金属膜具有更好的结构一致性、更强的柔韧性，以石墨烯为振动膜的声学传感器将会实现更高的灵敏度、分辨率，使声音的检测数据翔实、精准、可靠。
附图说明
图1整体结构图
图2整体结构平面图
图3整体结构截面图
图4上层结构立体图
图5上层结构正面平面图
图6上层结构背面平面图
图7上层结构沿A-A线剖面图
图8下层结构立体图
图9下层结构正面平面图
图10下层结构背面平面图
图11下层结构沿B-B线剖面图
图12电路连接示意图
图13声学传感器与电路连接示意图
图中所示，附图标记清单如下：
1、上层结构层，2、下层结构层，3、上层金属键合层，4、下层金属键合层，5、集音腔，6、集音腔，7、通孔板，8、通孔板，9、间隙腔，10、间隙腔，11、拾音孔，12、拾音孔，13、上层金属层，14、上层金属层，15、上层绝缘层，16、上层绝缘层，17、上层金属连接位，18、上层金属连接位，19、下层金属层，20、下层金属层，21、下层绝缘层，22、下层绝缘层，23、下层金属连接位，24、下层金属连接位，25、石墨烯连接位，26、通孔板，27、通孔板，28、间隙腔，29、间隙腔，30、阻尼孔，31、阻尼孔，32、上层金属焊盘，33、上层金属焊盘，34、下层金属焊盘，35、下层金属焊盘，36、石墨烯焊盘，37、上层金属连接孔，38、上层金属连接孔，39、下层金属连接孔，40、下层金属连接孔，41、石墨烯连接孔，42、阻尼腔，43、阻尼腔，44、石墨烯层，45、声学传感器、46、信号处理电路模块，47、焊盘，48、焊盘，49、焊盘，50、焊盘，51、焊盘，52、焊料，53、焊料，54、焊料，55、焊料，56、焊料。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明：
图1为整体结构的立体图，上层结构层1的底面上制作有上层金属层3，下层结构层2的表面上制作有下层金属层4，上层结构层1通过上层金属层3、下层金属层4的键合与下层结构层2牢固连接。
图2为整体结构的平面图，上层结构层1上制作有集音腔5、6，集音腔5、6的底部有通孔板7、8，通孔板7、8上均布有拾音孔11、12。
集音腔5、6呈倒四边棱台结构，采用硅材料湿法工艺制成，集音腔5、6的容积由掩膜尺寸窗口和硅片深度决定。
图3为整体结构的截面图，上层结构层1上制作有集音腔5、6，呈倒四边棱台结构，集音腔5、6底部有通孔板7、8，通孔板7、8上均布制作有拾音孔11、12，通孔板7、8的下面制作有间隙腔9、10，间隙腔9、10的内壁淀积有上层金属层13、14，上层金属层13、14的边框位置处淀积有上层绝缘层15、16，上层金属层13的左侧制作有上层金属连接位17，上层金属层14的右侧制作有上层金属连接位18，上层结构层1的下底面矩形边框上淀积有上层金属键合层3，与上层键合金属层3牢固键合在一起的为下层键合金属层4，下层键合金属层4制作于下层结构层2的矩形四周边框上，下层结构层2上与间隙腔9、10相对的位置上制作有间隙腔28、29，间隙腔28、29的内壁上淀积有下层金属层19、20，间隙腔28、29的矩形四周边框的下层金属层19、20上淀积有下层绝缘层21、22，上层绝缘层15、16与下层绝缘层21、22中间夹有石墨烯层44，下层金属层19的左侧制作有下层金属连接位23，下层金属层20的右侧制作有下层金属连接位24，间隙腔28、29底部有通孔板26、27，通孔板26、27上均布有阻尼孔30、31，通孔板26、27的下部设置有阻尼腔42、43，下层结构层2上制作的下层绝缘层21、22中心位置上制作有石墨烯连接位25，下层结构层2的下底面的两侧边框上制作有上层金属焊盘32、33、下层金属焊盘33、34、石墨烯焊盘36，下层金属连接位23、24通过上层金属连接孔37、38连接于上层金属焊盘32、33，下层金属层19、20通过下层金属连接孔39、40连接于下层金属焊盘34、35，石墨烯连接位25通过石墨烯连接孔41连接于石墨烯焊盘36。
上层金属层13与石墨烯层44形成集音腔5的上层电容，上层金属层14与石墨烯层44形成集音腔5的下层电容，下层金属层19与石墨烯层44形成集音腔6的上层电容，下层金属层20与石墨烯层44形成集音腔6的下层电容，集音腔5的上层电容、下层电容、集音腔6的上层电容、下层电容分别由上层金属焊盘32、33、下层金属焊盘34、35引出。
间隙腔9、10、28、29采用反应离子刻蚀加工而成，其加工深度可根据声学传感器的测量范围决定。
通孔板7、8上均布的拾音孔11、12、通孔板26、27上均布的阻尼孔30、31的个数和尺寸可根据声学传感器采集的声音类型、应用环境、阻尼系数确定。
图4、5、6、7分别为上层结构层的立体图、平面图、背面图、截面图，上层结构层1上制作有集音腔5、6，呈倒四边棱台结构，集音腔5、6底部有通孔板7、8，通孔板7、8上均布制作有拾音孔11、12，通孔板7、8的下面制作有间隙腔9、10，间隙腔9、10的内壁淀积有上层金属层13、14，上层金属层13、14的边框位置处淀积有上层绝缘层15、16，上层金属层13的左侧制作有上层金属连接位17，上层金属层14的右侧制作有上层金属连接位18，上层结构层1的下底面矩形边框上淀积有上层金属键合层3。
图8、9、10、11分别为下层结构的立体图、平面图、背面图、截面图，下层键合金属层4制作于下层结构层2的矩形四周边框上，下层结构层2上与间隙腔9、10相对的位置上制作有间隙腔28、29，间隙腔28、29的内壁上淀积有下层金属层19、20，间隙腔28、29的矩形四周边框的下层金属层19、20上淀积有下层绝缘层21、22，上层绝缘层15、16与下层绝缘层21、22中间夹有石墨烯层44，下层金属层19的左侧制作有下层金属连接位23，下层金属层20的右侧制作有下层金属连接位24，间隙腔28、29底部有通孔板26、27，通孔板26、27上均布有阻尼孔30、31，通孔板26、27的下部设置有阻尼腔42、43，下层结构层2上制作的下层绝缘层21、22中心位置上制作有石墨烯连接位25，下层结构层2的下底面的两侧边框上制作有上层金属焊盘32、33、下层金属焊盘33、34、石墨烯焊盘36，下层金属连接位23、24通过上层金属连接孔37、38连接于上层金属焊盘32、33，下层金属层19、20通过下层金属连接孔39、40连接于下层金属焊盘34、35，石墨烯连接位25通过石墨烯连接孔41连接于石墨烯焊盘36。
图12为传感器的连接示意图，集音腔5的上层电容、下层电容、集音腔6的上层电容、下层电容组成如图所示的惠斯通电桥电路，该电桥电路的输出信号通过信号调理电路输出。
图13为声学传感器与电路连接示意图，声学传感器45采用“flip-chip”技术与信号处理电路模块46连接，上层金属焊盘32、33、下层金属焊盘34、35、石墨烯焊盘36通过焊料47、48、49、50、51与信号处理电路模块46上焊盘52、53、54、55、56相连。
封装后形成的声学传感器模块可安装于基座上组成线阵列、面阵列、球面阵列传感器系统。
Claims (8)
1.基于石墨烯的MEMS声学传感器，其特征在于：主要结构由上层结构、下层结构及石墨烯组成，上层结构上制作有集音腔、间隙腔、通孔板、拾音孔、上层金属层、上层绝缘层、上层金属连接位、上层金属键合层，下层结构层上制作有通孔板、间隙腔、阻尼孔、阻尼腔、下层金属层、下层绝缘层、下层金属连接位、石墨烯连接位、下层金属键合层、上层金属焊盘、下层金属焊盘、上层金属连接孔、下层金属连接孔、石墨烯连接孔；在上层结构层（1）上加工有倒四边棱台形结构的集音腔（5、6），集音腔（5、6）的底部分别加工有第一通孔板（7、8），第一通孔板（7、8）上均布有拾音孔（11、12），在第一通孔板（7、8）的下面加工有第一间隙腔（9、10），第一间隙腔（9、10）的内壁上淀积有上层金属层（13、14），第一间隙腔（9、10）四周矩形边框上淀积有上层绝缘层（15、16），第一上层金属层（13）的左侧连接有第一上层金属连接位（17），第二上层金属层（14）的右侧连接有第二上层金属连接位（18），上层结构层（1）底面的四周边框制作有上层金属键合层（3），上层金属键合层（3）的底面键合有下层金属键合层（4），下层金属键合层（4）制作于下层结构层（2）的四周边框位置处，下层结构层（2）上与第一间隙腔（9、10）相对的位置上加工有第二间隙腔（28、29），第二间隙腔（28、29）的内壁淀积有下层金属层（19、20），第二间隙腔（28、29）四周矩形边框上淀积有下层绝缘层（21、22），第二间隙腔（28、29）的底部加工有第二通孔板（26、27），第二通孔板（26、27）上均布有阻尼孔（31、32），第二通孔板（26、27）的底部有阻尼腔（42、43），第一下层金属层（19）的左侧与第一上层金属连接位（17）相对的位置处加工有第一下层金属连接位（23），第二下层金属层（20）的右侧与第二上层金属连接位（18）相对的位置处加工有第二下层金属连接位（24），下层结构层（2）的中央位置加工有石墨烯连接位（25），下层结构层（2）的底面两侧边框上制作有上层金属焊盘（32、33）、下层金属焊盘（34、35），下层结构层（2）的底面中间位置处有石墨烯焊盘（36），下层金属连接位（23、24）通过上层金属连接孔（39、40）与上层金属焊盘（32、33）相连，下层金属层（19、20）通过下层金属连接孔（39、40）与下层金属焊盘（34、35）相连，石墨烯连接位（25）通过石墨烯连接孔（41）与石墨烯焊盘（36）相连，上层绝缘层（15、16）与下层绝缘层（21、22）中间夹有石墨烯层（44）。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的MEMS声学传感器，其特征在于：第一上层金属层（13）与石墨烯层（44）形成第一集音腔（5）的上层电容，第二上层金属层（14）与石墨烯层（44）形成第一集音腔（5）的下层电容，第一下层金属层（19）与石墨烯层（44）形成第二集音腔（6）的上层电容，第二下层金属层（20）与石墨烯层（44）形成第二集音腔（6）的下层电容，第一集音腔（5）的上层电容、下层电容分别由上层金属焊盘（32、33）、下层金属焊盘（34、35）引出，第二集音腔（6）的上层电容、下层电容分别由上层金属焊盘（32、33）、下层金属焊盘（34、35）引出。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的MEMS声学传感器，其特征在于：第一集音腔（5）的上层电容、下层电容、第二集音腔（6）的上层电容、下层电容组成惠斯通电桥电路，该电桥电路的输出信号通过信号调理电路输出。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯的MEMS声学传感器，其特征在于：集音腔（5、6）呈倒四边棱台结构，采用硅材料湿法工艺制成，集音腔（5、6）的容积由掩膜尺寸窗口和硅片深度决定。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯的MEMS声学传感器，其特征在于：间隙腔（9、10、28、29）采用反应离子刻蚀加工而成，其加工深度可根据声学传感器的测量范围决定。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯的MEMS声学传感器，其特征在于：第一通孔板（7、8）上均布的拾音孔（11、12）、第二通孔板（26、27）上均布的阻尼孔（30、31）的个数和尺寸可根据声学传感器采集的声音类型、应用环境、阻尼系数确定。
7.根据权利要求1所述的基于石墨烯的MEMS声学传感器，其特征在于：声学传感器（45）采用“flip-chip”技术与信号处理电路模块（46）连接，上层金属焊盘（32、33）、下层金属焊盘（34、35）、石墨烯焊盘（36）通过焊料（47、48、49、50、51）与信号处理电路模块（46）上焊盘（52、53、54、55、56）相连。
8.根据权利要求1所述的基于石墨烯的MEMS声学传感器，其特征在于：封装后形成的声学传感器模块可安装于基座上组成线阵列、面阵列、球面阵列传感器系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Li Mengwei Inventor after: Wang Li Inventor after: Du Kang Inventor after: Liu Jun Inventor after: Li Xiguang Inventor after: Bai Xiaoxiao Inventor after: Wang Zengyue Inventor after: Wang Qi Inventor before: Li Mengwei Inventor before: Du Kang Inventor before: Liu Jun Inventor before: Wang Li Inventor before: Li Xiguang |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: LI MENGWEI DU KANG LIU JUN WANG LI LI XIGUANG TO: LI MENGWEI WANG LI DU KANG LIU JUN LI XIGUANG BAI XIAOXIAO WANG ZENGYUE WANG QI |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |