CN103663353A

CN103663353A - 一种空气声质点振速传感器及其制造方法

Info

Publication number: CN103663353A
Application number: CN201310752209.9A
Authority: CN
Inventors: 赵龙江; 冯杰; 侍艳华; 程进; 冯晖; 周瑜
Original assignee: CETC 3 Research Institute
Current assignee: CETC 3 Research Institute
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-12-31
Also published as: CN103663353B

Abstract

本发明涉及一种空气声质点振速传感器及其制造方法，该制造方法包括：⑴依次在硅衬底上沉积结合层和承载层，⑵依次涂胶，光刻和显影，⑶依次溅射粘附层，溅射敏感层和剥离胶，⑷依次第二次涂胶，第二次光刻和第二次显影，⑸依次反应离子刻蚀和除胶，⑹依次退火、划片和腐蚀。经上述制造过程得到包括成形一体的一对薄丝、第一电极、第二电极和第三电极，以及硅衬底的空气声质点振速传感器。本发明实现了对空气声质点振速的直接测量，其产品具有体积小、重量轻、成本低、一致性好和性能稳定的优点。

Description

一种空气声质点振速传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别涉及一种空气声质点振速传感器及其制造方法。

背景技术

随着MEMS热式流量传感器的不断研究，如风速计和量热器等传感器技术均以发展成熟，一种能够测量极小量速度的传感器研究获得青睐，主要用于测量空气振动（声）引起的质点振速，并且质点振速具有方向性。

传感器的研究内容主要有两个方面：一是基于原理的传感器结构参数设计，与传感器的性能参数直接相关，比如传声器的灵敏度、频响和本底噪声等；二是基于传感器结构参数的MEMS工艺设计和制作，是传感器能否实现的关键基础。通过简化的数值分析或软件建模可通常可确定出传感器的基本特征尺寸，所以学者研究的重点大多放在实现传感器结构的MEMS工艺设计和样品制作的具体实验实施上，以改善结构件的各项性能和提高成品率。

目前，传统全向声压传声器是测量空气声声压p并且全向指向性，而对质点振速u的测量则是通过声压梯度的换算得到，例如声强计。上述传统传感器对质点振速u的测量存在计算误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述不足，提供一种空气声质点振速传感器及其制造方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种空气声质点振速传感器，包括敏感元件，所述敏感元件为桥式结构，其包括：

硅衬底，其上形成一桥孔；和

一对薄丝，平行置于所述桥孔上；

所述硅衬底上，所述桥孔的一侧形成第一电极，所述桥孔的另一侧并列形成第二电极和第三电极；一对所述薄丝的一端共同连接所述第一电极，另一端分别连接所述第二电极和所述第三电极；

所述薄丝、所述第一电极、所述第二电极和所述第三电极一体成形，其由下至上依次由结合层、承载层、粘附层和敏感层组成。

所述的一种空气声质点振速传感器的制造方法，步骤如下：

⑴依次在硅衬底上沉积结合层和承载层；

⑵依次涂胶，光刻和显影；

⑶依次溅射粘附层，溅射敏感层和剥离胶；

⑷依次第二次涂胶，第二次光刻和第二次显影；

⑸依次反应离子刻蚀和除胶；

⑹依次退火、划片和腐蚀，形成桥孔，得到成品。

本发明的优点与效果是：

本发明的空气声质点振速传感器实现了对空气声质点振速的直接测量，其具有“8”字型指向性，可在二维平面内对目标声源作无模糊定向。三个按照笛卡尔坐标系相互正交分布的空气声质点振速传感器匹配一个全向声压传声器组成矢量传声器，在一定条件下，可在全空间内对目标声源进行定位。本发明具有体积小、重量轻、成本低、一致性好和性能稳定的优点。

附图说明

图1为本发明空气声质点振速传感器的一实施例的结构示意图；

图2-1～2-6为以图1中A-A截面示出的本发明空气声质点振速传感器的制造方法的制造流程示意图；

图3为图1中空气声质点振速传感器的指向性测试图。

附图标记说明：

图1中：101-硅衬底、102-桥孔、103-薄丝、104-第一电极、105-第二电极、106-第三电极；

图2中：201-硅衬底、202-SiO2结合层、203-Si3N4承载层、204-光刻胶、205-Cr粘附层、206-Pt敏感层、207-二次光刻胶。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明：

如图1所示，一种空气声质点振速传感器包括敏感元件和转换电路，其中敏感元件为桥式结构，包括：硅衬底101、薄丝103和电极。硅衬底101上形成一桥孔102，其截面为梯形或方形。一对薄丝103平行置于桥孔102上，一对薄丝的长度、形状和结构等完全相同。电极包括第一电极104、第二电极105和第三电极106。在桥孔102的一侧的硅衬底101上形成第一电极104，桥孔102的另一侧的硅衬底101上并列形成第二电极和第三电极。一对薄丝103的一端共同连接第一电极104，一对薄丝103的另一端分别连接第二电极105和第三电极106。薄丝103、第一电极104、第二电极105和第三电极106成形为一体，其由下至上依次由结合层、承载层、粘附层和敏感层组成。

结合层为SiO₂；承载层为Si₃N₄；粘附层为Cr或Ti，优选为Cr，Cr的粘附性更好；该传感器的工作原理的主要依据是敏感层的热阻效应，敏感层为Pt或Au，优选为Pt，Pt的热阻效应更好，材料均匀性更好，抗氧化能力更强。

本发明的工作原理是在给定初始耗散功率下，基于热阻效应的两个薄丝被加热到一定的相同工作温度，理想的稳态下两个薄丝的温度和电阻均相同。当工作在空气声场中时，质点振速引起两个薄丝产生温差，热阻效应使得两个薄丝产生电阻差，通过电路解调该电阻差获得相对应的质点振速，最终实现对空气声的测量。本发明空气声质点振速传感器是一种微机电（MEMS）器件，其桥式结构的制备需要通过MEMS工艺来完成。

上述空气声质点振速传感器的制造方法，步骤如下：

⑴依次在硅衬底上沉积结合层和承载层；

结合层作为过渡层，是为了避免硅衬底与承载层之间晶向的不匹配会造成承载层所受应力过大而断裂。承载层必须是低应力的，避免其被释放悬空后因应力过大而断裂。粘附层是为了实现敏感层能够更好的粘附到承载层上。

⑵依次涂胶，光刻和显影；

⑶依次溅射粘附层，溅射敏感层和剥离胶；

溅射敏感层工艺可以获得致密性和均匀性更好的敏感层。

⑷依次第二次涂胶，第二次光刻和第二次显影；

⑸依次反应离子刻蚀和除胶；

⑹依次退火、划片和腐蚀，形成桥孔，得到成品。

退火工艺是为了提高敏感层热阻系数的稳定性。划片工艺要先于腐蚀，因为先制作出的悬空两端固支梁会因无法承受精密切割刀片降温用水的冲击而断裂。腐蚀为先各向异性腐蚀和后各向同性腐蚀。MEMS工艺步骤中涉及光刻工艺所需的掩模板，可依据桥式结构的图形进行预先制备。

本发明一优选实施例：

结合层为SiO₂，承载层为Si₃N₄，粘附层为Cr，敏感层为Pt。其中，硅衬底为<100>晶向单晶硅，厚度不小于500μm。薄丝的长度不小于1mm，宽度可选2-5μm，其中，SiO₂结合层的厚度约20nm、Si₃N₄承载层的厚度约180nm、Cr粘附层的厚约10nm和Pt敏感层的厚度约90nm。薄丝的宽度可选70-150μm；桥孔高度不小于200μm。

进一步的，第一电极104的中心点到第二电极105的中心点的距离与第一电极104的中心点到第三电极106的中心点的距离相等。此结构所需薄丝的长度最短，生产上可节约成本。

如图2-1至2-6所示，其示出了上述实施例中空气声质点振速传感器的制造方法为，步骤如下：

⑴依次在硅衬底201上沉积SiO₂结合层202和Si₃N₄承载层203：SiO₂结合层202和Si₃N₄承载层203均通过沉积工艺采用LPCVD炉直接生成。优选的是，SiO₂结合层202和Si₃N₄承载层203的厚度分别为20nm和180nm。

LPCVD是指低压化学气相沉积，在炉内的高温化学反应后使相应的固态产物沉积到衬底表面的一种MEMS工艺，目的是获得低应力的和均匀性好的承载层Si₃N₄。

⑵依次涂胶，光刻和显影：光刻胶204为正性光刻胶，厚度为2μm；在热板上进行前烘，采用光刻机和相应制备好的掩模板进行光刻，再用显影液进行显影工艺，最后在热板上进行坚膜。

⑶依次溅射Cr，溅射Pt和剥离胶：Cr粘附层205和Pt敏感层206均通过溅射工艺采用磁控溅射仪直接生成。优选的是，Cr粘附层205和Pt敏感层206的厚度分别为10nm和90nm。用高纯度的丙酮对光刻胶进行剥离。

⑷依次第二次涂胶，第二次光刻和第二次显影：其中除所使用相应制备好的掩模板不同外，其它工艺过程与步骤⑵相同。

⑸依次反应离子刻蚀和除胶：采用反应离子刻蚀机对在光刻胶图形掩模外的SiO₂结合层202和Si₃N₄承载层203进行干法刻蚀，直至露出硅衬底201；用高纯度的丙酮对二次光刻胶207进行剥离，再采用反应离子刻蚀机进行彻底除胶，得到样品片。

⑹依次退火、划片和腐蚀：采用高温炉对样品片进行退火；采用精密机械切割机对样品片进行划片，优选的是，精密机械切割机的高速旋转刀片厚度为200μm和切割深度为250μm。在水浴箱中用50%浓度KOH溶液对样品片进行硅衬底的各向异性腐蚀，直至腐蚀深度为200μm以上，形成桥孔；最后用干法腐蚀仪器清理掉桥孔内剩余的硅。

进一步的，上述制造方法中的硅衬底为四英寸单晶硅片，晶向为<100>，厚度为500μm。硅衬底晶向的选择是为了实现后续的各向异性湿法腐蚀，厚度的选择是为了实现湿法腐蚀的深度能够达到所需桥孔高度。

进一步的，上述制造方法制造出的空气声质点振速传感器成品的具体尺寸为，硅衬底的尺寸为长×宽×厚=2500×1500×500μm，桥孔的高为200μm，电极的尺寸为长宽=500μm×500μm，以及薄丝的尺寸为长×宽×厚=1000×3×0.3μm，其中SiO₂结合层的厚度为20nm、Si₃N₄承载层的厚度为180nm、Cr粘附层的厚度为10nm和Pt敏感层的厚度为90nm。

如图3所示，其示出了上述实施例的空气声质点振速传感器在初步配置一个前置预放大电桥电路之后，进行的采用250Hz和1kHz两个声频率的指向性测试的测试结果。其中，外侧的“8”字曲线是250Hz的测试结果，内侧的“8”字曲线是1kHz的测试结果。

测试环境：消声室内。

测试仪器：B&K的Pulse，电脑，音箱，360°转台及相关数据线。

将质点振速传感器放置在转台的中心位置，音箱距离转台3米左右，Pulse硬件通过相关数据线分别与音箱与和转台连接上。测试时，设置Pulse软件使音箱依次发出250Hz和1kHz的单频声音，同时发出指令使转台按照每次2°的步长进行旋转，旋转一周后，Pulse软件自动绘制出对应的指向性图。其表明本发明产品的“8”字指向性良好。

以上所述仅为本发明较佳的实施方式，并非用来限定本发明的实施范围，但凡在本发明的保护范围内所做的等效变化及修饰，皆应认为落入了本发明的保护范围内。

Claims

1.一种空气声质点振速传感器，包括敏感元件，其特征在于，所述敏感元件为桥式结构，其包括：

硅衬底，其上形成一桥孔；和

一对薄丝，平行置于所述桥孔上；

2.根据权利要求1所述的一种空气声质点振速传感器，其特征在于，所述结合层为SiO₂，所述承载层为Si₃N₄，所述粘附层为Cr或Ti，所述敏感层为Pt或Au。

3.根据权利要求1或2所述的一种空气声质点振速传感器，其特征在于，所述第一电极的中心点到所述第二电极的中心点的距离与所述第一电极的中心点到所述第三电极的中心点的距离相等。

4.根据权利要求1或2所述的一种空气声质点振速传感器的制造方法，其特征在于，步骤如下：

⑴依次在硅衬底上沉积结合层和承载层；

⑵依次涂胶，光刻和显影；

⑶依次溅射粘附层，溅射敏感层和剥离胶；

⑷依次第二次涂胶，第二次光刻和第二次显影；

⑸依次反应离子刻蚀和除胶；

⑹依次退火、划片和腐蚀，形成桥孔，得到成品。

5.根据权利要求4所述的一种空气声质点振速传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤⑴中，所述结合层和承载层均通过沉积工艺采用LPCVD炉直接生成。

6.根据权利要求4所述的一种空气声质点振速传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤⑵中，所述光刻胶为正性光刻胶，厚度为2μm；在热板上进行前烘，采用光刻机和相应制备好的掩模板进行光刻，再用显影液进行显影工艺，最后在热板上进行坚膜。

7.根据权利要求4所述的一种空气声质点振速传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤⑶中，所述粘附层和敏感层均通过溅射工艺采用磁控溅射仪直接生成；用丙酮对光刻胶进行剥离。

8.根据权利要求4所述的一种空气声质点振速传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤⑷中，除所使用相应制备好的掩模板不同外，其它工艺过程与步骤⑵相同。

9.根据权利要求4所述的一种空气声质点振速传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤⑸中，采用反应离子刻蚀机对在光刻胶图形掩模外的结合层和承载层进行干法刻蚀，直至露出硅衬底；用丙酮对光刻胶进行剥离，再采用反应离子刻蚀机进行彻底除胶，得到样品片。

10.根据权利要求4所述的一种空气声质点振速传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤⑹中，采用高温炉对样品片进行退火；采用精密机械切割机对样品片进行划片；在水浴箱中用强碱溶液对样品片进行硅衬底的各向异性腐蚀，形成桥孔；最后用干法腐蚀仪器清理掉桥孔内剩余的硅。