CN109827654A - 一种空气声质点振速敏感元件及其封装方式 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气声质点振速敏感元件及其封装。敏感元件为板桥结构，包括硅衬底，其有一桥孔；和置于桥孔上的三条薄丝，其为中间一条宽薄丝和分列两侧的一对细薄丝；所述硅衬底上桥孔的一侧并列第一和第三电极，另一侧并列第二和第四电极；所述一对细薄丝中的一条一端连接第一电极，另一端与宽薄丝的一端连接第二电极；所述宽薄丝的另一端与另一条细薄丝一端连接第三电极，另一端连接第四电极；所述宽薄丝、一对细薄丝和第一、第二、第三、第四电极成型一体，由下至上依次为SiO₂结合层、Si₃N₄承载层、Cr粘附层和Pt敏感层。封装方式为将敏感元件对扣粘接一个去除板桥结构中宽薄丝、一对细薄丝和第一、第二、第三、第四电极的结构。

Description

一种空气声质点振速敏感元件及其封装方式

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别涉及一种新型空气声质点振速敏感元件及其封装方式，用于直接测量声质点振速。

背景技术

随着传感器的不断研究和相关技术发展，一种能够测量声信号质点速度的敏感元件研究逐渐获得青睐，用于直接测量空气声的质点振速；声信号的表征分别有标量声压和矢量质点振速；质点振速作为一个矢量的物理量，其具有方向性；因此，空气声质点振速传感器表现出“8”字指向性的声学性能。

基于硅微结构的传感器研究内容主要有三个方面：一是基于原理的敏感元件结构参数设计，这与传感器的性能参数直接相关，比如传声器的灵敏度、频率响应、本底噪声和动态范围等；二是基于敏感元件的结构参数的进行硅微工艺设计和制作，也是传感器能否实现的关键基础；三是基于敏感元件结构的独特封装方式，可有效保护其中的重点敏感元件及整体构件，同时需求获得其他综合性能上的增益。通过数值分析和建立模型可仿真确定出敏感元件的基本特征尺寸，再设计出硅微工艺流程并实验制作来实现加工，以及完善封装方式，以提高成品率和综合改善结构件的各项声学性能。

目前，传统全向声压传声器是测量空气声声压p，声压是一种标量的物理量，其表现为无指向性的全向指向性。故其对质点振速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。同时，早期由本人主持发明的一种空气声质点振速传感器，其在结构上采用的是一种热源丝-敏感丝一体的形式；本发明提出的热源丝-敏感丝分离的全新结构形式，可极大降低传感器的本地噪声，使声学性能获得提升。

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敏感元件及其封装方式。

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敏感元件，其敏感结构的特征在于，所述敏感元件为板桥式结构，其包括：

硅衬底，其上形成一桥孔；

三条薄丝，包括位于中间的一条宽薄丝和分列其两侧的一对细薄丝，平行置于所述桥孔上；

所述硅衬底上，所述桥孔的一侧并列形成第一电极和第三电极，所述桥孔的另一侧并列形成第二电极和第四电极；所述一对细薄丝中的一条细薄丝的一端连接所述第一电极，所述细薄丝的另一端与所述宽薄丝的一端共同连接所述第二电极；所述宽薄丝的另一端与所述一对细薄丝中的另一条细薄丝一端连接所述第三电极，所述细薄丝的另一端连接所述第四电极；

所述宽薄丝、所述一对细薄丝、所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和第四电极成型为一体，其由下至上依次由结合层、承载层、粘附层和敏感层组成。

在敏感元件的板桥式结构的正上面，对扣粘接一个尺寸完全相同的硅衬底桥孔结构；所述硅衬底桥孔结构，为去除一个敏感元件中所述宽薄丝、所述一对细薄丝、所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极。

所述结合层为SiO₂，所述承载层为Si₃N₄，所述粘附层为Cr，所述敏感层为Pt。

所述宽薄丝位于硅衬底桥孔结构的中间位置，所述一对细薄丝对称位于宽薄丝的两侧；所述宽薄丝与所述细薄丝间距100μm，以及所述宽薄丝的宽度是所述细薄丝的两倍。

一种空气声质点振速敏感元件的制造方法，其具体的硅微工艺步骤有：

⑴依次在硅衬底上沉积SiO₂结合层和Si₃N₄承载层：所述SiO₂ 结合层和Si₃N₄承载层均通过沉积工艺采用LPCVD炉直接生成，其厚度分别为20nm和180nm；

⑵依次涂胶，光刻和显影：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；其中掩膜版的制作必须满足实现相应图形的要求；

⑶依次溅射Cr，溅射Pt和剥离胶：所述Cr粘附层和Pt 敏感层均通过溅射工艺采用磁控溅射仪直接生成，其厚度分别为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，同样掩膜版的制作仍必须满足实现相应图形的要求；

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 结合层和Si₃N₄承载层进行干法刻蚀，直至露出硅衬底；用高纯度的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；

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；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。

所述硅衬底为四英寸单晶硅片，晶向为<100>，厚度为500μm；所述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。

所述硅衬底桥孔结构恰好对扣粘接在敏感元件的板桥式结构的正上方。所述两个结构的外形尺寸完全相同；所述硅衬底桥孔结构，为去除一个敏感元件中所述宽薄丝、所述一对细薄丝、所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极；所述硅衬底的桥孔结构无需另做其他硅微加工。

本发明的优点与效果是：

本发明的空气声质点振速敏感元件实现了热源丝-敏感丝分离的全新结构形式，使得直接测量质点振速的敏感丝带来的热噪声极大的降低，从而提升了传感器的声学性能。其中热源丝即本发明所述的宽薄丝，敏感丝即本发明所述的一对细薄丝。

本发明的空气声质点振速敏感元件的封装方式，采用了一种非常简洁的对扣粘接方式，使得封装简单，易操作。其中本发明所述硅衬底桥孔结构获取方法及其简单。同时本发明封装方式可有效提高传感器的灵敏度，使声学性能获得显著提升。

本发明的空气声质点振速敏感元件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可组成一个三维的矢量传声器，可在全空间内对可听声范围目标声源进行定向和定位。

本发明实现了对空气声质点振速的直接测量，具有灵敏度高、噪声低、体积小、重量轻、成本低、一致性好、性能稳定和封装简洁的优点。

附图说明

图1为本发明空气声质点振速敏感元件的一实施例的结构示意图；

图2-1为以图1中A-A截面说明制造方法的工艺流程次序1示意图；

图2-2为以图1中A-A截面说明制造方法的工艺流程次序2示意图；

图2-3为以图1中A-A截面说明制造方法的工艺流程次序3示意图；

图2-4为以图1中A-A截面说明制造方法的工艺流程次序4示意图；

图2-5为以图1中A-A截面说明制造方法的工艺流程次序5示意图；

图2-6为以图1中A-A截面说明制造方法的工艺流程次序6示意图；

图3为封装结构的示意图；

图4为封装后的整体结构示意图。

【本发明主要符号说明】

101-硅衬底 102-桥孔 103-细薄丝 104-宽薄丝

105-第一电极 106-第二电极 107-第三电极 108-第四电极

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 301-硅衬底桥孔结构

401-硅衬底桥孔结构（倒置）

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，本发明一种空气声质点振速敏感元件，其为板桥式结构，包括：硅衬底101、桥孔102、细薄丝103、宽薄丝104、第一电极105、第二电极106、第三电极107和第八电极108；硅衬底101上形成一桥孔102，其纵截面为梯形，抑或方形；三条薄丝，包括位于中间一条宽薄丝104和分列其两侧的一对细薄丝103，平行置于桥孔102上，所述桥孔上一条宽薄丝与一对细薄丝的长度、形状和结构等完全相同，宽薄丝的宽度是细薄丝的两倍左右；电极包括第一电极105、第二电极106、第三电极107和第四电极108；在桥孔102的一侧的硅衬底101上并列形成第一电极105和第三电极107，桥孔102的另一侧的硅衬底101上并列形成第二电极106和第四电极108；一对细薄丝中的一条细薄丝的一端连接所述第一电极105，所述细薄丝的另一端与所述宽薄丝的一端共同连接所述第二电极106；所述宽薄丝的另一端与所述一对细薄丝中的另一条细薄丝一端连接所述第三电极107，所述细薄丝的另一端连接所述第四电极108；一对细薄丝103、一条宽薄丝104，第一电极105、第二电极106、第三电极107和第四电极107成型为一体，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。

本发明一实施例为，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；三条薄丝的长度不小于1mm，宽度可选2-6μm，其中宽薄丝的宽度是细薄丝宽度的两倍左右；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。宽薄丝与细薄丝之间的宽度可选70-150μm；桥孔高度不小于200μm。

本发明的工作原理是在给定初始耗散功率下，基于热阻效应的三个薄丝均达到一定的工作温度，其中宽薄丝因其宽度是细薄丝的两倍，使两者间的电阻相差两倍，故宽薄丝的温度比细薄丝的温度高很多；宽薄丝是热源丝，而细薄丝是敏感丝；在理想的稳态情况下，桥孔内的三条薄丝的温度场达到动态平衡，其中两个薄丝的温度和电阻是相同的；当工作在空气声场中时，质点振速对桥孔内的动态平衡稳态温度场进行了扰动，从而引起两个薄丝产生相应大小的温差，同时由热阻效应使得两个薄丝产生相应大小的电阻差，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敏感元件是一种基于硅微结构的器件，其桥式结构的制备需要通过MEMS工艺来完成。

如图2-1至2-6所示，本发明一种空气声质点振速敏感元件的制造方法为，其具体硅微工艺步骤如下：

⑴依次在硅衬底201上沉积SiO₂结合层202和Si₃N₄承载层203：所述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，其厚度分别为20nm和180nm；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：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；其中掩膜版的制作必须满足实现相应图形的要求。

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，其厚度分别为10nm和90nm；用高纯度的丙酮对光刻胶进行剥离。溅射Pt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，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，同样掩膜版的制作仍必须满足实现相应图形的要求。

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。

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。本发明制造方法中主要目的是获得低应力的和均匀性好的承载层Si₃N₄。

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为，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。

本发明又一优选实施例为，硅衬底的尺寸为长×宽×厚=2500×1500×500μm，桥孔的高为200μm，第一电极和第四电极的尺寸为长宽=500μm×250μm，第二电极和第三电极的尺寸为长宽=500μm×500μm，宽薄丝的尺寸为长×宽×厚=1000×5×0.3μm，以及细薄丝的尺寸为长×宽×厚=1000×2.5×0.3μm，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，本发明一种硅衬底桥孔结构301，为去除一个敏感元件中所述宽薄丝104、所述一对细薄丝103、所述第一电极105、所述第二电极106、所述第三电极107和所述第四电极108；所述硅衬底的桥孔结构301无需另做其他硅微加工来获得。

如图4所示，本发明一种空气声质点振速敏感元件的封装方式，所述硅衬底桥孔结构（倒置）401，由于其来自于一个敏感元件，其结构外形尺寸完全等同于敏感元件的板桥式结构，将硅衬底桥孔结构（倒置）401对扣粘接在敏感元件的板桥式结构的正上方。

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 (8)

1.一种空气声质点振速敏感元件，其敏感结构的特征在于，所述敏感元件为板桥式结构，其包括：

硅衬底，其上形成一桥孔；

三条薄丝，包括位于中间的一条宽薄丝和分列其两侧的一对细薄丝，平行置于所述桥孔上；

所述硅衬底上，所述桥孔的一侧并列形成第一电极和第三电极，所述桥孔的另一侧并列形成第二电极和第四电极；所述一对细薄丝中的一条细薄丝的一端连接所述第一电极，所述细薄丝的另一端与所述宽薄丝的一端共同连接所述第二电极；所述宽薄丝的另一端与所述一对细薄丝中的另一条细薄丝一端连接所述第三电极，所述细薄丝的另一端连接所述第四电极；

所述宽薄丝、所述一对细薄丝、所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和第四电极成型为一体，其由下至上依次由结合层、承载层、粘附层和敏感层组成；

一种空气声质点振速敏感元件的封装方式，其封装的特征在于，在敏感元件的板桥式结构的正上面，对扣粘接一个尺寸完全相同的硅衬底桥孔结构；

所述硅衬底桥孔结构，为去除一个敏感元件中所述宽薄丝、所述一对细薄丝、所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极。

2.根据权利要求1所述的一种空气声质点振速敏感元件，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，所述敏感层为Pt。

3.根据权利要求1或2所述的一种空气声质点振速敏感元件，其特征在于，所述宽薄丝位于硅衬底桥孔结构的中间位置，所述一对细薄丝对称位于宽薄丝的两侧；所述宽薄丝与所述细薄丝间距100μm。

4.根据权利要求2所述的一种空气声质点振速敏感元件的制造方法，其特征在于，步骤如下：

⑴依次在硅衬底上沉积SiO₂结合层和Si₃N₄承载层：所述SiO₂ 结合层和Si₃N₄承载层均通过沉积工艺采用LPCVD炉直接生成，其厚度分别为20nm和180nm；

⑵依次涂胶，光刻和显影：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；其中掩膜版的制作必须满足实现相应图形的要求；

⑶依次溅射Cr，溅射Pt和剥离胶：所述Cr粘附层和Pt 敏感层均通过溅射工艺采用磁控溅射仪直接生成，其厚度分别为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；其中掩膜版的制作仍必须满足实现相应图形的要求；

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 结合层和Si₃N₄承载层进行干法刻蚀，直至露出硅衬底；用高纯度的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；

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；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。

5.根据权利要求4所述的一种空气声质点振速敏感元件的制造方法，其特征在于，所述硅衬底为四英寸单晶硅片，晶向为<100>，厚度为500μm。

6.根据权利要求4所述的一种空气声质点振速敏感元件的制造方法，其特征在于，所述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。

7.根据权利要求1所述的一种空气声质点振速敏感元件的封装方式，其特征在于，所述硅衬底桥孔结构恰好对扣粘接在敏感元件的板桥式结构的正上方；所述两个结构的外形尺寸完全相同。

8.根据权利要求1所述的一种空气声质点振速敏感元件的封装方式，其特征在于，所述硅衬底桥孔结构，为去除一个敏感元件中所述宽薄丝、所述一对细薄丝、所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极；所述硅衬底的桥孔结构无需另做其他硅微加工来获得。