CN109916501A - 一种声场增强微结构的mems热式声粒子振速传感器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声场增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器及方法。本发明采用片上集成的声场自增强通孔，在利用MEMS工艺加工加热测温横梁时同时完成声场自增强通孔的加工，无需使用宏观机械加工手段设计声场增强的封装结构，封装尺寸大幅缩小，拓宽了该传感器的应用范围；由于加热测温横梁与声场自增强通孔均由MEMS工艺统一加工，MEMS工艺具有极高的加工精度，因此该方法避免了传统传感器装配过程中，利用MEMS工艺制备的芯片与利用机械加工手段制备的封装结构之间的装配误差问题；由于本发明制造的传感器具有较小的尺寸，对待测声场的反射与散射很小，不会造成待测声场的畸变，实现单点精确测量。

Description

一种声场增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器及方法

技术领域

本发明涉及声信号传感器技术，具体涉及一种基于片上集成声场增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器及其方法。

背景技术

声信号由声压和声音导致的声粒子振速两个部分组成。声压是标量信号，与方向无关；声粒子振速是矢量信号，它既包含了声音的强度信息，又包含了声音传播的方向信息。传统麦克风测量的是声压信号，单个器件仅能给出声音的强弱，无法测量声音的矢量信息。如需对声源进行定位需要使用专门的矢量传感器或传感器阵列。声矢量传感器是一种矢量测量设备，不但能测量声场中的介质粒子振动的幅度，还能测量介质粒子振动的方向，即声波的传播方向。声矢量传感器在空气声学和水声学中皆有应用。空气声学中，它可以用于噪声源定位、室内声场成像、声迹追踪、声强和声功率测量以及声源识别等；水声学中，它可以用于舰艇定位、声呐探测、定点浮标和分布式传感网络节点等。

以往对于声粒子振速的测量均采用压差法、同振法等间接测量方法，无法直接测量声粒子振速信号，存在测量精度低、体积大、低频响应差等缺陷。荷兰学者基于微机电系统(MEMS)技术，提出基于热式检测原理的声矢量传感器。该传感器由加热梁和测温梁构成，利用加热梁对周围空气进行加热，声场导致空气中粒子产生振动，形成热对流，改变空间的温度分布，利用测温梁测量温度的变化即可获取声音的矢量信息。基于该结构的声粒子振速传感器具有测量准确、体积小、工艺简单、方向灵敏度高、对声场干扰小等多方面的优势。

由于声音信号中矢量参数信号的量值较低，直接精确测量困难，目前已有的MEMS热式声粒子传感器都是利用宏观的封装方法，设计出由宽至窄再至宽的封装结构，通过声流道的变径实现声场的汇聚与增强效果，将加工好的MEMS声粒子振速传感器插入其中，达到提高器件灵敏度与检测极限的目的，此方法实现的声粒子振速传感器存在以下三点缺陷：

(1)由于这种声场增强结构采用宏观机械加工手段，封装结构尺寸大，限制了该传感器的应用范围；

(2)利用MEMS工艺制备的芯片与利用机械加工手段制备的封装结构之间的装配过程复杂，装配误差会严重影响传感器的测量精度；

(3)由于该传感器尺寸较大，对待测声场的反射与散射不可避免，造成待测声场的畸变，同时导致测量结果存在误差。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器及其方法，通过声场自增强通孔，提高传感器的测量灵敏度与检测极限，取代宏观大尺寸产生声场汇聚作用的封装结构，实现声场矢量信号的精确测量。

本发明的一个目的在于提出一种基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器。

本发明的基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器既可以用于测量远场声波的一维声场矢量信号，又可以用于声场(远场和近场均可)三维矢量信号测量。

用于测量远场声波的一维声场矢量信号，本发明的基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器包括：声探头、麦克风和检测电路；其中，声探头包括基板、绝缘层、声场自增强通孔、加热测温横梁、引线和电极；在基板的上表面和下表面分别覆盖绝缘层，形成三明治结构；在三明治结构上开设有贯穿三明治结构上下表面的声场自增强通孔，声场自增强通孔为相对连接的喇叭口状，即为关于基板的中心平面对称的中间孔径小且向边缘孔径逐渐增大的形状；在三明治结构的上表面和下表面分别设置一根横跨声场自增强通孔的加热测温横梁，加热测温横梁具有温敏感应层；每一根加热测温横梁的温敏感应层的两端分别通过引线连接至一对电极；两对电极分别连接至检测电路；在声场自增强通孔旁放置麦克风；声粒子振速传感器包括声粒子振速传感器标定和远场声波测量两个阶段；在声粒子振速传感器标定时，通过检测电路对加热测温横梁的温敏感应层施加电流，温敏感应层加热产生自建温场，施加声阻抗z₀已知的正入射平面波声场，方向垂直于基板，检测电路得到标定电压U₀，麦克风得到声场的标定声压P₀，通过关系式z₀＝P₀/v₀，得到标定声粒子振速v₀，从而得到声粒子振速的幅值与电压的标定关系；远场声波测量时，通过检测电路对加热测温横梁的温敏感应层施加电流，温敏感应层加热，在声场自增强通孔的空间产生自建温场，声场经过声场自增强通孔，声流道由宽至窄再由窄至宽，对声场汇聚与放大，实现片上声场增强作用，声场导致空气中声粒子产生振动，形成热对流，改变空间的温度分布，加热测温横梁的温敏感应层对温度敏感电阻改变，检测电路得到电压U，根据声粒子振速的幅值与电压的标定关系得到与基板垂直方向的声粒子振速Vcosθ，V为声粒子振速的幅度，θ为声场与基板垂直方向的夹角，通过麦克风得到此时的声压P，根据V＝P/z₀得到声粒子振速V，从而得到声场的方向，即声场与基板垂直方向的夹角θ，实现远场平面波的声场矢量信号的精确测量；其中，z₀为远场平面波的声阻抗，为已知量z₀＝ρc，ρ为空气的密度，c为声音在空气中的速度。

用于声场三维矢量信号测量，本发明的基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器包括：三个声探头、标定麦克风和检测电路；其中，每一个声探头包括基板、绝缘层、声场自增强通孔、加热测温横梁、引线和电极；在基板的上表面和下表面分别覆盖绝缘层，形成三明治结构；在三明治结构上开设有贯穿三明治结构上下表面的声场自增强通孔，声场自增强通孔为相对连接的喇叭口状，即为关于基板的中心平面对称的中间孔径小且向边缘孔径逐渐增大的形状；在三明治结构的上表面和下表面分别设置一根横跨声场自增强通孔的加热测温横梁，加热测温横梁具有温敏感应层；每一根加热测温横梁的温敏感应层的两端分别通过引线连接至一对电极；三个声探头互相正交垂直放置，即三个声探头的基板互相正交垂直；每一个声探头的电极分别连接至检测电路的一个通道；声粒子振速传感器包括声粒子振速传感器标定和声场三维矢量信号测量两个阶段；在声粒子振速传感器标定时，采用一个声探头作为标定声探头，在标定声探头旁边设置标定麦克风，通过检测电路对标定声探头的一对加热测温横梁的温敏感应层施加电流，温敏感应层加热产生自建温场，施加声阻抗z₀已知的正入射平面波声场，方向垂直于标定探头的基板，检测电路得到标定电压U₀，麦克风得到声场的标定声压P₀，通过关系式z₀＝P₀/v₀，得到标定声粒子振速v₀，从而得到声粒子振速的幅值与电压的标定关系；声场三维矢量信号测量时，通过检测电路对加热测温横梁的温敏感应层施加电流，温敏感应层加热，在声场自增强通孔的空间产生自建温场，声场经过声场自增强通孔，声流道由宽至窄再由窄至宽，对声场汇聚与放大，实现片上声场增强作用，声场导致空气中声粒子产生振动，形成热对流，改变空间的温度分布，加热测温横梁的温敏感应层对温度敏感电阻改变，检测电路分别得到三个声探头的电压Ui，根据声粒子振速的幅值与电压的标定关系得到与基板垂直方向的声粒子振速Vi，i＝1～3，根据三对正交的声探头得到的声粒子振速Vi的比值得到声场的方向信息，从而得到声场的三维信息；其中，z₀为远场平面波的声阻抗，为已知量z₀＝ρc，ρ为空气的密度，c为声音在空气中的速度。

基板的材料采用半导体材料，能够利用MEMS工艺进行加工，如硅等；厚度为100μm～1mm。声场自增强通孔的最大孔径为500μm～1000um；最小孔径为100μm～500μm。通过MEMS工艺设计合理控制通孔的最大和最小孔径，能够调节声场增强的幅度，最大孔径与最小孔径的比值越大，声场增强的幅度越大。

绝缘层的材料采用二氧化硅-氮化硅-二氧化硅三明治堆叠结构，氮化硅作为主要的支撑与绝缘材料，并且作为各向异性腐蚀步骤的掩膜层，上下两层的二氧化硅作为应力缓冲层，减小氮化硅材料与其下方硅材料和上方金属材料间的应力。

加热测温横梁包括支撑梁和温敏感应层，在支撑梁上覆盖温敏感应层，温敏感应层采用对温度敏感且导电的材料，通过施加电流加热，并且温度的变化引起温敏感应层的电阻的改变。加热测温横梁的宽度为1μm～20μm。

本发明的另一个目的在于提供一种基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器的测量方法。

本发明的基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器的测量方法，用于测量远场声波的一维声场矢量信号，包括以下步骤：

1)将绝缘层分别覆盖在基板的上表面和下表面，形成三明治结构；在三明治结构上开设贯穿三明治结构上下表面的声场自增强通孔，并形成一对加热测温横梁横跨表面声场自增强通孔的上下表面，加热测温横梁具有温敏感应层，每一根加热测温横梁的温敏感应层的两端分别通过引线连接至一对电极；

2)两对电极分别连接至检测电路；

3)在声场自增强通孔旁放置麦克风；

4)声粒子振速传感器标定：

通过检测电路对加热测温横梁的温敏感应层施加电流，温敏感应层加热产生自建温场，施加声阻抗z₀已知的正入射平面波声场，方向垂直于基板，检测电路得到标定电压U₀，麦克风得到声场的标定声压P₀，通过关系式z₀＝P₀/v₀，得到标定声粒子振速v₀，从而得到声粒子振速的幅值与电压的标定关系；

5)远场声波测量：

通过检测电路对加热测温横梁的温敏感应层施加电流，温敏感应层加热，在声场自增强通孔的空间产生自建温场，声场经过声场自增强通孔，声流道由宽至窄再由窄至宽，对声场汇聚与放大，实现片上声场增强作用，声场导致空气中声粒子产生振动，形成热对流，改变空间的温度分布，加热测温横梁的温敏感应层对温度敏感电阻改变，检测电路得到电压U，根据声粒子振速的幅值与电压的标定关系得到与基板垂直方向的声粒子振速Vcosθ，V为声粒子振速的幅度，θ为声场与基板垂直方向的夹角，通过麦克风得到此时的声压P，根据V＝P/z₀得到声粒子振速V，从而得到声场的方向，即声场与基板垂直方向的夹角θ，实现远场平面波的声场矢量信号的精确测量；其中，z₀为远场平面波的声阻抗，为已知量z₀＝ρc，ρ为空气的密度，c为声音在空气中的速度。

本发明的基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器的测量方法，用于声场三维矢量信号测量，包括以下步骤：

1)将绝缘层分别覆盖在基板的上表面和下表面，形成三明治结构；在三明治结构上开设贯穿三明治结构上下表面的声场自增强通孔，并形成一对加热测温横梁横跨表面声场自增强通孔的上下表面，加热测温横梁具有温敏感应层，每一根加热测温横梁的温敏感应层的两端分别通过引线连接至一对电极，构成声探头；

2)三个声探头互相正交垂直放置，即三个声探头的基板互相正交垂直；

3)每一个声探头的电极分别连接至检测电路的一个通道；

4)声粒子振速传感器标定：

采用一个声探头作为标定声探头，在标定声探头旁边设置标定麦克风，通过检测电路对标定声探头的一对加热测温横梁的温敏感应层施加电流，温敏感应层加热产生自建温场，施加声阻抗z₀已知的正入射平面波声场，方向垂直于标定探头的基板，检测电路得到标定电压U₀，麦克风得到声场的标定声压P₀，通过关系式z₀＝P₀/v₀，得到标定声粒子振速

v₀，从而得到声粒子振速的幅值与电压的标定关系；

5)声场三维矢量信号测量：

通过检测电路对加热测温横梁的温敏感应层施加电流，温敏感应层加热，在声场自增强通孔的空间产生自建温场，声场经过声场自增强通孔，声流道由宽至窄再由窄至宽，对声场汇聚与放大，实现片上声场增强作用，声场导致空气中声粒子产生振动，形成热对流，改变空间的温度分布，加热测温横梁的温敏感应层对温度敏感电阻改变，检测电路分别得到三个声探头的电压Ui，根据声粒子振速的幅值与电压的标定关系得到与基板垂直方向的声粒子振速Vi，i＝1～3，根据三对正交的声探头得到的声粒子振速Vi的比值得到声场的方向信息，从而得到声场的三维信息；其中，z₀为远场平面波的声阻抗，为已知量z₀＝ρc，ρ为空气的密度，c为声音在空气中的速度。

本发明的又一个目的在于提供一种基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器的声探头的制备方法。

本发明的基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器的声探头的制备方法，包括以下步骤：

1)提供基板，在基板的正面和背面分别覆盖绝缘层，形成三明治结构；

2)在三明治结构的表面旋涂第一次光刻胶通过光刻及刻蚀进行第一次图形化，第一次图形化的图形为声场自增强通孔和加热测温横梁的图形；

3)旋涂第二次光刻胶，通过光刻进行第二次图形化，形成引线、电极和温敏感应层的图形；

4)生长温敏感应层的材料；

5)利用剥离工艺，去掉第二次光刻胶，形成引线、电极和温敏感应层；

6)重复步骤2)～5)，采用同样的方法对三明治结构的背面进行加工，形成对称的结构；

7)使用各向异性腐蚀液对第一次图形化的图形正面和背面同时进行各向异性腐蚀，利用各向异性腐蚀液对基板的腐蚀选择比，完全腐蚀穿通后形成相对连接的声场自增强通孔。

在步骤5)中，引线和电极的材料与温敏感应层的材料一样，引线和电极的宽度为200～500μm，相对于温敏感应层比较宽，因此电阻很小可以忽略。

本发明的优点：

本发明采用片上集成声场自增强通孔，在利用MEMS工艺加工加热测温横梁时同时完成声场自增强通孔的加工，无需使用宏观机械加工手段设计声场增强的封装结构，封装尺寸大幅缩小，拓宽了该传感器的应用范围；由于加热测温横梁与声场自增强通孔均由MEMS工艺统一加工，MEMS工艺具有极高的加工精度，因此该方法避免了传统传感器装配过程中，利用MEMS工艺制备的芯片与利用机械加工手段制备的封装结构之间的装配误差问题；由于本发明制造的传感器具有较小的尺寸，对待测声场的反射与散射很小，不会造成待测声场的畸变，实现单点精确测量。

附图说明

图1为本发明的MEMS热式声粒子振速传感器的一个实施例的声探头的示意图；

图2为本发明的MEMS热式声粒子振速传感器的原理图；

图3(a)～图3(i)为本发明的MEMS热式声粒子振速传感器的声探头的制备方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的本发明的基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器的声探头包括：基板1、绝缘层、声场自增强通孔3、加热测温横梁4、引线5、电极6和检测电路；其中，在基板的上表面和下表面分别覆盖绝缘层，形成三明治结构；在三明治结构上开设有贯穿三明治结构上下表面的声场自增强通孔，声场自增强通孔为相对连接的喇叭口状，即为关于基板的中心平面对称的中间孔径小且向边缘孔径逐渐增大的形状；在三明治结构的上表面和下表面分别设置一根横跨声场自增强通孔的加热测温横梁，加热测温横梁具有温敏感应层；每一根加热测温横梁的温敏感应层的两端分别通过引线连接至一对电极；两对电极分别通过引线键合方式连接至检测电路的同一个通道。

对于三维声场测量，三个声探头互相正交垂直放置，即三个声探头的基板互相正交垂直。每一个声探头的电极分别连接至检测电路的一个通道，每一个通道对应连接一个惠斯通电桥。

在本实施例中，基板采用硅，绝缘层采用二氧化硅-氮化硅-二氧化硅的堆叠结构；加热测温横梁的温敏感应层采用钛与铂的堆叠结构，支撑梁为二氧化硅-氮化硅-二氧化硅的堆叠结构；引线和电极的材料同样采用钛和铂的堆叠结构。

如图2所示，通过检测电路对加热测温横梁的温敏感应层施加电流，温敏感应层加热，在声场自增强通孔的空间产生自建温场；声场经过声场自增强通孔，声流道由宽至窄再由窄至宽，对声场汇聚与放大，实现片上声场增强作用，声场导致空气中声粒子产生振动，形成热对流，改变空间的温度分布，加热测温横梁的温敏感应层，对温度敏感电阻改变，通过测量温敏感应层的电阻改变，从而得到温场的变化，最终得到声场。声场在声场自增强通孔的最窄处汇聚，从而提高了通道内的声场强度，提高了传感器的灵敏度与测量极限。

本实施例的基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器的声探头制备方法，包括以下步骤：

1)以双面抛光的硅作为基板热氧化，在基板的正面和背面形成二氧化硅21，如图3(a)所示，接着，采用低压化学气相沉积LPCVD在二氧化硅的表面形成氮化硅22，如图3(b)所示，再在氮化硅上LPCVD一层薄二氧化硅23，如图3(c)所示，二氧化硅21-氮化硅22-二氧化硅23的堆叠结构作为传感器的绝缘层，形成三明治结构；

2)在三明治结构上通过旋涂第一次光刻胶01，利用光刻与显影完成第一次图形化形成正面的各向异性腐蚀窗口，如图3(d)所示，采用反应离子刻蚀RIE刻蚀出加热测温横梁与各向异性腐蚀窗口，如图3(e)所示；

3)去除之前旋涂的第一次光刻胶，再涂上第二次光刻胶02，利用光刻及显影进行第二次图形化，第二次图形化的图形为引线、电极和温敏感应层的图形，如图3(f)所示；

4)采用物理气相沉积PVD依次生长用作粘附层的钛Ti与用作加热、导电以及测温层的铂Pt；

5)利用剥离工艺去除第二次光刻胶以及生长在第二次光刻胶上方的金属，形成引线5、电极和温敏感应层4，温敏感应层4包括支撑梁42和温敏感应层41，支撑梁42为二氧化硅-氮化硅-二氧化硅的堆叠结构，温敏感应层41为钛和铂的堆叠结构，如图3(g)所示；

6)重复步骤2)～5)，用同样的方法对三明治结构的背面进行加工，如图3(h)所示，形成对称的结构；

7)采用各向异性腐蚀液对上下两个表面同时进行各向异性腐蚀，利用各向异性腐蚀液对(100)和(111)晶向硅的腐蚀选择比，完全腐蚀穿通后形成为声场自增强通孔，如图3(i)所示。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器，用于测量远场声波的一维声场矢量信号，其特征在于，所述声粒子振速传感器包括：声探头、麦克风和检测电路；其中，所述声探头包括基板、绝缘层、声场自增强通孔、加热测温横梁、引线和电极；在基板的上表面和下表面分别覆盖绝缘层，形成三明治结构；在三明治结构上开设有贯穿三明治结构上下表面的声场自增强通孔，声场自增强通孔为相对连接的喇叭口状，即为关于基板的中心平面对称的中间孔径小且向边缘孔径逐渐增大的形状；在三明治结构的上表面和下表面分别设置一根横跨声场自增强通孔的加热测温横梁，加热测温横梁具有温敏感应层；每一根加热测温横梁的温敏感应层的两端分别通过引线连接至一对电极；两对电极分别连接至检测电路；在声场自增强通孔旁放置麦克风；所述声粒子振速传感器包括声粒子振速传感器标定和远场声波测量两个阶段；在声粒子振速传感器标定时，通过检测电路对加热测温横梁的温敏感应层施加电流，温敏感应层加热产生自建温场，施加声阻抗z₀已知的正入射平面波声场，方向垂直于基板，检测电路得到标定电压U₀，麦克风得到声场的标定声压P₀，通过关系式z₀＝P₀/v₀，得到标定声粒子振速v₀，从而得到声粒子振速的幅值与电压的标定关系；远场声波测量时，通过检测电路对加热测温横梁的温敏感应层施加电流，温敏感应层加热，在声场自增强通孔的空间产生自建温场，声场经过声场自增强通孔，声流道由宽至窄再由窄至宽，对声场汇聚与放大，实现片上声场增强作用，声场导致空气中声粒子产生振动，形成热对流，改变空间的温度分布，加热测温横梁的温敏感应层对温度敏感电阻改变，检测电路得到电压U，根据声粒子振速的幅值与电压的标定关系得到与基板垂直方向的声粒子振速Vcosθ，V为声粒子振速的幅度，θ为声场与基板垂直方向的夹角，通过麦克风得到此时的声压P，根据V＝P/z₀得到声粒子振速V，从而得到声场的方向，即声场与基板垂直方向的夹角θ，实现远场平面波的声场矢量信号的精确测量；其中，z₀为远场平面波的声阻抗，为已知量z₀＝ρc，ρ为空气的密度，c为声音在空气中的速度。

2.一种基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器，用于声场三维矢量信号测量，其特征在于，所述声粒子振速传感器包括：三个声探头、标定麦克风和检测电路；其中，每一个声探头包括基板、绝缘层、声场自增强通孔、加热测温横梁、引线和电极；在基板的上表面和下表面分别覆盖绝缘层，形成三明治结构；在三明治结构上开设有贯穿三明治结构上下表面的声场自增强通孔，声场自增强通孔为相对连接的喇叭口状，即为关于基板的中心平面对称的中间孔径小且向边缘孔径逐渐增大的形状；在三明治结构的上表面和下表面分别设置一根横跨声场自增强通孔的加热测温横梁，加热测温横梁具有温敏感应层；每一根加热测温横梁的温敏感应层的两端分别通过引线连接至一对电极；三个声探头互相正交垂直放置，即三个声探头的基板互相正交垂直；每一个声探头的电极分别连接至检测电路的一个通道；所述声粒子振速传感器包括声粒子振速传感器标定和声场三维矢量信号测量两个阶段；在声粒子振速传感器标定时，采用一个声探头作为标定声探头，在标定声探头旁边设置标定麦克风，通过检测电路对标定声探头的一对加热测温横梁的温敏感应层施加电流，温敏感应层加热产生自建温场，施加声阻抗z₀已知的正入射平面波声场，方向垂直于标定探头的基板，检测电路得到标定电压U₀，麦克风得到声场的标定声压P₀，通过关系式z₀＝P₀/v₀，得到标定声粒子振速v₀，从而得到声粒子振速的幅值与电压的标定关系；声场三维矢量信号测量时，通过检测电路对加热测温横梁的温敏感应层施加电流，温敏感应层加热，在声场自增强通孔的空间产生自建温场，声场经过声场自增强通孔，声流道由宽至窄再由窄至宽，对声场汇聚与放大，实现片上声场增强作用，声场导致空气中声粒子产生振动，形成热对流，改变空间的温度分布，加热测温横梁的温敏感应层对温度敏感电阻改变，检测电路分别得到三个声探头的电压Ui，根据声粒子振速的幅值与电压的标定关系得到与基板垂直方向的声粒子振速Vi，i＝1～3，根据三对正交的声探头得到的声粒子振速Vi的比值得到声场的方向信息，从而得到声场的三维信息；其中，z₀为远场平面波的声阻抗，为已知量z₀＝ρc，ρ为空气的密度，c为声音在空气中的速度。

3.如权利要求1或2所述的声粒子振速传感器，其特征在于，所述声场自增强通孔的最大孔径为500μm～1000um；最小孔径为100μm～500μm。

4.如权利要求1或2所述的声粒子振速传感器，其特征在于，所述加热测温横梁包括支撑梁和温敏感应层，在支撑梁上覆盖温敏感应层，温敏感应层采用对温度敏感且导电的材料，通过施加电流加热，并且温度的变化引起温敏感应层的电阻的改变。

5.如权利要求1或2所述的声粒子振速传感器，其特征在于，所述加热测温横梁的宽度为1μm～20μm。

6.如权利要求1或2所述的声粒子振速传感器，其特征在于，所述基板的材料采用能够利用MEMS工艺进行加工的半导体材料；厚度为100μm～1mm。

7.一种如权利要求1所述的基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器的测量方法，用于测量远场声波的一维声场矢量信号，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

1)将绝缘层分别覆盖在基板的上表面和下表面，形成三明治结构；在三明治结构上开设贯穿三明治结构上下表面的声场自增强通孔，并形成一对加热测温横梁横跨表面声场自增强通孔的上下表面，加热测温横梁具有温敏感应层，每一根加热测温横梁的温敏感应层的两端分别通过引线连接至一对电极；

2)两对电极分别连接至检测电路；

3)在声场自增强通孔旁放置麦克风；

4)声粒子振速传感器标定：

通过检测电路对加热测温横梁的温敏感应层施加电流，温敏感应层加热产生自建温场，施加声阻抗z₀已知的正入射平面波声场，方向垂直于基板，检测电路得到标定电压U₀，麦克风得到声场的标定声压P₀，通过关系式z₀＝P₀/v₀，得到标定声粒子振速v₀，从而得到声粒子振速的幅值与电压的标定关系；

5)远场声波测量：

通过检测电路对加热测温横梁的温敏感应层施加电流，温敏感应层加热，在声场自增强通孔的空间产生自建温场，声场经过声场自增强通孔，声流道由宽至窄再由窄至宽，对声场汇聚与放大，实现片上声场增强作用，声场导致空气中声粒子产生振动，形成热对流，改变空间的温度分布，加热测温横梁的温敏感应层对温度敏感电阻改变，检测电路得到电压U，根据声粒子振速的幅值与电压的标定关系得到与基板垂直方向的声粒子振速Vcosθ，V为声粒子振速的幅度，θ为声场与基板垂直方向的夹角，通过麦克风得到此时的声压P，根据V＝P/z₀得到声粒子振速V，从而得到声场的方向，即声场与基板垂直方向的夹角θ，实现远场平面波的声场矢量信号的精确测量；其中，z₀为远场平面波的声阻抗，为已知量z₀＝ρc，ρ为空气的密度，c为声音在空气中的速度。

8.一种如权利要求2所述的基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器的测量方法，用于声场三维矢量信号测量，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

1)将绝缘层分别覆盖在基板的上表面和下表面，形成三明治结构；在三明治结构上开设贯穿三明治结构上下表面的声场自增强通孔，并形成一对加热测温横梁横跨表面声场自增强通孔的上下表面，加热测温横梁具有温敏感应层，每一根加热测温横梁的温敏感应层的两端分别通过引线连接至一对电极，构成声探头；

2)三个声探头互相正交垂直放置，即三个声探头的基板互相正交垂直；

3)每一个声探头的电极分别连接至检测电路的一个通道；

4)声粒子振速传感器标定：

采用一个声探头作为标定声探头，在标定声探头旁边设置标定麦克风，通过检测电路对标定声探头的一对加热测温横梁的温敏感应层施加电流，温敏感应层加热产生自建温场，施加声阻抗z₀已知的正入射平面波声场，方向垂直于标定探头的基板，检测电路得到标定电压U₀，麦克风得到声场的标定声压P₀，通过关系式z₀＝P₀/v₀，得到标定声粒子振速v₀，从而得到声粒子振速的幅值与电压的标定关系；

5)声场三维矢量信号测量：

通过检测电路对加热测温横梁的温敏感应层施加电流，温敏感应层加热，在声场自增强通孔的空间产生自建温场，声场经过声场自增强通孔，声流道由宽至窄再由窄至宽，对声场汇聚与放大，实现片上声场增强作用，声场导致空气中声粒子产生振动，形成热对流，改变空间的温度分布，加热测温横梁的温敏感应层对温度敏感电阻改变，检测电路分别得到三个声探头的电压Ui，根据声粒子振速的幅值与电压的标定关系得到与基板垂直方向的声粒子振速Vi，i＝1～3，根据三对正交的声探头得到的声粒子振速Vi的比值得到声场的方向信息，从而得到声场的三维信息；其中，z₀为远场平面波的声阻抗，为已知量z₀＝ρc，ρ为空气的密度，c为声音在空气中的速度。

9.一种基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器的声探头的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

1)提供基板，在基板的正面和背面分别覆盖绝缘层，形成三明治结构；

2)在三明治结构的表面旋涂第一次光刻胶通过光刻及刻蚀进行第一次图形化，第一次图形化的图形为声场自增强通孔和加热测温横梁的图形；

3)旋涂第二次光刻胶，通过光刻进行第二次图形化，形成引线、电极和温敏感应层的图形；

4)生长温敏感应层的材料；

5)利用剥离工艺，去掉第二次光刻胶，形成了引线、电极和温敏感应层；

6)重复步骤2)～5)，采用同样的方法对三明治结构的背面进行加工，形成对称的结构；使用各向异性腐蚀液对第一次图形化的图形正面和背面同时进行各向异性腐蚀，利用各向异性腐蚀液对基板的腐蚀选择比，完全腐蚀穿通后形成相对连接的声场自增强通孔。

10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，引线和电极的材料与温敏感应层的材料一样，引线和电极的宽度为200～500μm。