CN109060108A - 一种低频声场质点振速敏感结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低频声场质点振速敏感结构及制备方法，硅衬底上形成有桥孔，桥孔的一侧上设有第一电极，桥孔的另一侧上设有第二电极、第三电极，桥孔上方设有第一薄丝、第二薄丝，第一薄丝、第二薄丝平行设置且保持微间距，第一薄丝、第二薄丝的敏感层均依次由第一端部敏感层、中部敏感层、第二端部敏感层三段组成，中部敏感层的长度大于第一端部敏感层、第二端部敏感层的长度，中部敏感层用于传递热量，第一端部敏感层、第二端部敏感层用于与电极连接；中部敏感层与第一端部敏感层、第二端部敏感层之间分别设有空气间隙层。本发明能够有效提升低频声场质点振速敏感结构的低频响应特性。

Description

一种低频声场质点振速敏感结构及制备方法

技术领域

本发明涉及一种低频声场质点振速敏感结构及制备方法。

背景技术

在大量声学测量应用研究中，由于声强测量及其频谱分析对噪声源的特性研究有着独特的优越性，成为声学研究的一种有力工具。通常情况下，声强信息的获取需要测量声场中的声压和质点振速。

现有质点振速传感器的敏感结构为，利用微机电系统工艺(MEMS)技术，在硅基衬底上制备由数条相距很近的金属铂电阻丝(薄丝)构成的敏感结构，可直接测量空间声场传播引起的媒介分子振动速度——声场质点振速，具体结构为，硅衬底上形成有桥孔，桥孔的一侧上设有第一电极，桥孔的另一侧上设有第二电极、第三电极，桥孔上方设有第一薄丝、第二薄丝，第一薄丝、第二薄丝平行设置且保持微间距，两个薄丝的一端均与第一电极连接，两个薄丝的另一端分别与第二电极、第三电极连接。工作时，铂电阻丝被加热到约200℃以上，当声波入射到传感器时，媒介质点(空气、水或蓖麻油等)的往复振动形成受迫对流传热，将一根铂丝的热量传递给另一根铂丝，造成两根铂丝的温度发生相反方向的改变，因而它们的电阻值出现差异。借助于惠斯通电桥电路，把阻值的变化转化为电压的变化输出。热铂丝的阻值变化幅度与媒介质点振动速度幅度存在依从关系，从而可以利用两根铂丝来测量声场媒介质点振速矢量信息。

现有低频声场质点振速敏感结构存在的不足之处在于，由于上述质点振速测量传感器敏感结构的材料特性和其拓扑结构具有有限长度边界热传导效应，导致热量从边界的流失速率高于由低频声波引起的热交换速率，使得传感器在低频段响应特性恶化严重。该质点振速测量传感器在100Hz以下的低频频段内其灵敏度随频率降低而显著衰减，引起声信号在接收和后续处理上产生失真，信噪比降低，使传感器的有效工作频率下限不足。由于多数噪声特性分析、声源目标探测等研究领域主要集中在低频段声波，这也限制了这种质点振速测量传感器的广泛应用。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种低频声场质点振速敏感结构及制备方法，能够有效提升低频声场质点振速敏感结构的低频响应特性。

基于同一发明构思，本发明具有两个独立的技术方案：

1、一种低频声场质点振速敏感结构，硅衬底上形成有桥孔，桥孔的一侧上设有第一电极，桥孔的另一侧上设有第二电极、第三电极，桥孔上方设有第一薄丝、第二薄丝，第一薄丝、第二薄丝平行设置且保持微间距，两个薄丝的一端均与第一电极连接，两个薄丝的另一端分别与第二电极、第三电极连接，第一薄丝、第二薄丝的顶面均设有敏感层，其特征在于：

第一薄丝、第二薄丝的敏感层均依次由第一端部敏感层、中部敏感层、第二端部敏感层三段组成，中部敏感层的长度大于第一端部敏感层、第二端部敏感层的长度，中部敏感层用于传递热量，第一端部敏感层、第二端部敏感层用于与电极连接；中部敏感层与第一端部敏感层、第二端部敏感层之间分别设有空气间隙层。

进一步地，第一薄丝、第二薄丝的宽度为1μm～2μm，厚度为0.1μm～0.5μm。

进一步地，空气间隙层的宽度为0.1μm～0.3μm。

进一步地，第一薄丝、第二薄丝、第一电极、第二电极、第三电极的结构均为，由下至上由绝热层、支撑层、黏附层和敏感层组成。

进一步地，第一薄丝和第二薄丝之间设有1根或多根薄丝，所说1根或多根薄丝与第一薄丝、第二薄丝平行设置，结构与第一薄丝、第二薄丝相同。

2、一种上述低频声场质点振速敏感结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在硅衬底上依次沉积绝热层和支撑层，其中，绝热层位于支撑层的下方；

步骤2：进行第一次涂胶、光刻和显影，定义出低频声场质点振速敏感结构的第一电极、第二电极、第三电极、第一薄丝、第二薄丝结构；

步骤3：进行第二次涂胶、光刻和显影，定义出声场环境通路所需的桥孔结构；

步骤4：进行划片、引线键合及封装，得到成品。

进一步地，步骤2中，依次淀积黏附层和敏感层，然后剥离光刻胶，以形成所相应的敏感结构。

进一步地，步骤3中，进行干法刻蚀，依次刻蚀去掉没被光刻胶覆盖的支撑层和绝热层，然后对硅衬底进行异性湿法腐蚀，形成桥孔结构。

本发明具有的有益效果：

本发明第一薄丝、第二薄丝的敏感层均依次由第一端部敏感层、中部敏感层、第二端部敏感层三段组成，中部敏感层用于传递热量，第一端部敏感层、第二端部敏感层用于与电极连接；中部敏感层与第一端部敏感层、第二端部敏感层之间分别设有空气间隙层。本发明薄丝中部敏感层与两侧的第一端部敏感层、第二端部敏感层之间呈开路结构，隔断了通过薄丝向两端边界进行热传导的路径，从而有效抑制敏感单元有限长度边界热传导效应，改善传感器在低频段响应特性，保障敏感单元对低频声场质点振速的响应灵敏度。

本发明第一薄丝、第二薄丝的宽度为1μm～2μm，厚度为0.1μm～0.5μm；空气间隙层的宽度为0.1μm～0.3μm，进一步保证了有效改善在低频段响应特性。本发明第一薄丝和第二薄丝之间设有与1根或多根薄丝，可进一步提高对声场的响应特性。

附图说明

图1是本发明低频声场质点振速敏感结构的俯视图；

图2是本发明加工工艺流程中状态一的示意图；

图3是本发明加工工艺流程中状态二的示意图；

图4是本发明加工工艺流程中状态三的示意图；

图5是本发明加工工艺流程中状态四的示意图；

图6是本发明加工工艺流程中状态五的示意图；

图7是本发明加工工艺流程中状态六的示意图；

图8是本发明加工工艺流程中状态七的示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，硅衬底1上形成有桥孔，桥孔的一侧上设有第一电极2，桥孔的另一侧上设有第二电极3、第三电极4，桥孔上方设有第一薄丝5、第二薄丝6，第一薄丝5、第二薄丝6平行设置且保持微间距，两个薄丝的一端均与第一电极2连接，两个薄丝的另一端分别与第二电极3、第三电极连接4，此为现有技术。

第一薄丝5、第二薄丝6、第一电极2、第二电极3、第三电极4的结构均为，由下至上由绝热层、支撑层、黏附层和敏感层组成。第一薄丝5、第二薄丝6的敏感层均依次由第一端部敏感层7、中部敏感层8、第二端部敏感层9三段组成，中部敏感层7的长度大于第一端部敏感层8、第二端部敏感层9的长度，中部敏感层7与第一端部敏感层8、第二端部敏感层9之间分别设有空气间隙层10。中部敏感层7用于传递热量，第一端部敏感层8、第二端部敏感层9用于与电极连接，传导电信号，其中空气间隙层形成电容，电信号的传递通路为第一端部敏感层8、空气间隙层(电容)、中部敏感层7、空气间隙层(电容)、第二敏感层9。实施时，第一薄丝、第二薄丝的宽度为1.5μm，厚度为0.3μm。空气间隙层的宽度为0.2μm。

实施例二：

实施例二中，第一薄丝和第二薄丝之间设有1根薄丝，所说1根薄丝与第一薄丝、第二薄丝平行设置，结构与第一薄丝、第二薄丝相同。薄丝的宽度为2μm，厚度为0.4μm。空气间隙层的宽度为0.2μm。实施例二的其余结构同实施例一。

实施例三：

本发明低频声场质点振速敏感结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：如图2所示，在硅衬底上依次沉积绝热层和支撑层，其中，绝热层位于支撑层的下方；

步骤2：进行第一次涂胶、光刻和显影，定义出低频声场质点振速敏感结构的第一电极、第二电极、第三电极、第一薄丝、第二薄丝结构。如图3所示，进行第一次涂胶。如图4所示，依次淀积黏附层和敏感层。如图5所示，剥离光刻胶，以形成所相应的敏感结构。

步骤3：进行第二次涂胶、光刻和显影，定义出声场环境通路所需的桥孔结构。如图6所示，进行第二次涂胶。如图7所示，进行干法刻蚀，依次刻蚀去掉没被光刻胶覆盖的支撑层和绝热层。如图8所示，对硅衬底进行异性湿法腐蚀，形成桥孔结构。

步骤4：进行划片、引线键合及封装，得到成品。

Claims (8)

1.一种低频声场质点振速敏感结构，硅衬底上形成有桥孔，桥孔的一侧上设有第一电极，桥孔的另一侧上设有第二电极、第三电极，桥孔上方设有第一薄丝、第二薄丝，第一薄丝、第二薄丝平行设置且保持微间距，两个薄丝的一端均与第一电极连接，两个薄丝的另一端分别与第二电极、第三电极连接，第一薄丝、第二薄丝的顶面均设有敏感层，其特征在于：

第一薄丝、第二薄丝的敏感层均依次由第一端部敏感层、中部敏感层、第二端部敏感层三段组成，中部敏感层的长度大于第一端部敏感层、第二端部敏感层的长度，中部敏感层用于传递热量，第一端部敏感层、第二端部敏感层用于与电极连接；中部敏感层与第一端部敏感层、第二端部敏感层之间分别设有空气间隙层。

2.根据权利要求1所述的低频声场质点振速敏感结构，其特征在于：第一薄丝、第二薄丝的宽度为1μm～2μm，厚度为0.1μm～0.5μm。

3.根据权利要求2所述的低频声场质点振速敏感结构，其特征在于：空气间隙层的宽度为0.1μm～0.3μm。

4.根据权利要求3所述的低频声场质点振速敏感结构，其特征在于：第一薄丝、第二薄丝、第一电极、第二电极、第三电极的结构均为，由下至上由绝热层、支撑层、黏附层和敏感层组成。

5.根据权利要求1—4任何一项所述的低频声场质点振速敏感结构，其特征在于：第一薄丝和第二薄丝之间设有1根或多根薄丝，所说1根或多根薄丝与第一薄丝、第二薄丝平行设置，结构与第一薄丝、第二薄丝相同。

6.一种权利要求1所述低频声场质点振速敏感结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在硅衬底上依次沉积绝热层和支撑层，其中，绝热层位于支撑层的下方；

步骤2：进行第一次涂胶、光刻和显影，定义出低频声场质点振速敏感结构的第一电极、第二电极、第三电极、第一薄丝、第二薄丝结构；

步骤3：进行第二次涂胶、光刻和显影，定义出声场环境通路所需的桥孔结构；

步骤4：进行划片、引线键合及封装，得到成品。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤2中，依次淀积黏附层和敏感层，然后剥离光刻胶，以形成所相应的敏感结构。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤3中，进行干法刻蚀，依次刻蚀去掉没被光刻胶覆盖的支撑层和绝热层，然后对硅衬底进行异性湿法腐蚀，形成桥孔结构。