CN112903087A - Mems单片集成标矢量复合声波传感器及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS单片集成标矢量复合声波传感器，包括衬底，所述衬底上设置有由硅基材料制成的标量探测模块与矢量探测模块，所述矢量探测模块包括设置在第一空腔内的支撑体，所述支撑体通过连接梁悬置在边框上，所述连接梁设置有第一压敏电阻，所述支撑体上设置有敏感纤毛；所述标量探测模块包括第二空腔，所述第二空腔上设置有敏感薄膜，所述敏感薄膜内设置有第二压敏电阻。改进了将标量信息探测部分与矢量信息探测部分的结构，使得标量信息探测部分与矢量信息探测部分可以一体化加工，简化了标矢量复合声波传感器的加工过程，减小了传感器芯片的体积。可以应用于小型搭载平台或观测网中。
Description
技术领域
本发明涉及基于MEMS的声波传感器技术领域，具体地涉及一种MEMS单片集成标矢量复合声波传感器及其加工方法。
背景技术
根据能否测量声场中的矢量信息，声波传感器可以分为标量声波传感器和矢量声波传感器两类。与标量声波传感器只能测量声场中的标量信息不同，矢量声波传感器可以测量声场中的声压梯度和速度等矢量信息，可以更全面地表征声场的真实情况。矢量声波传感器也可以抑制声场中的各向同性噪声，提高传感器的信噪比。矢量声波传感器具有指向性，在对声源定向的应用中具有优势。
但是用矢量声波传感器对声源进行定向仍存在左右弦模糊的问题，无法准确地判断声源是在传感器的“左”侧还是“右侧”。将声场中的声压标量信息与矢量信息综合处理是解决矢量声波传感器左右弦模糊的有效方法，因此，标矢量复合声波传感器成为未来声波传感器的发展方向。例如：
1、专利<庞业珍，张峰，丁逸飞，等.一种声压水听器与矢量水听器组合体积阵：申请号：202010032275.9>公布了一种声压标量水听器与矢量水听器组合体积阵，包括圆柱网状结构的支撑框架，位于支撑框架内部，由多根声压水听器线阵排布成细腰鼓形阵列；位于支撑框架外部，由沿周向均匀排列的多条矢量水听器线阵排布成的圆柱状阵列。这种方案实现了对声场中标量信息和矢量信息的测量，但声压水听器与矢量水听器组合成的体积阵存在体积大和加工精度低等问题。
2、专利<付继伟，汪小亚，高伟，等. 复合式标矢量水听器:申请号：CN103471700A>和参考文献<付继伟，汪小亚. 复合式矢量水听器[C]// 水声对抗技术学术交流会>公布了一种复合式标矢量水听器。采用机械结构上相互独立的振速水听器与若干个声压水听器作为分立模块，使振速水听器与声压水听器在空间排列上满足一定的关系组合成为复合式标矢量水听器，其中振速水听器通过相同的四根正交相对的弹簧悬挂在导流罩的内壁上，四个平均分布的声压水听器通过法兰盘安装在导流罩内腔的底端。这种复合式的水听器将声压水听器和矢量水听器通过机械组装的方法实现声场中标矢量信息的测量，存在体积大、测量精度受组装精度影响大、生产效率低和成本高的问题。
3、参考文献<徐庆达, 张国军, 沈倪鑫,等. 标矢量一体化水听器的设计[J]. 微纳电子技术, 2018(12).>和<张兰胜, 张国军, 徐庆达,等. 声压-声压梯度复合式水听器的设计[C]// 2019年全国声学大会论文集. 2019.>研制的标矢量复合水听器方案矢量探测端用MEMS压阻式仿生矢量水听器测量声场中的矢量信息，标量测试端用一个压电陶瓷管测量声场中的标量信息。这种标矢量复合水听器的标量探测端位于矢量探测端的下方，增加了水听器的体积；标量探测端与矢量探测端工作原理不同，需要设计不同的信号调理电路；标矢量探测端需要分别进行水声封装。
4、专利<张国军，刘梦然，张文栋. 复合式MEMS仿生水听器:申请号：CN201610058566.9>和参考文献<王雁, 刘梦然, 张国军. 复合式MEMS水听器的设计[J].压电与声光, 2017(2).>研制的标矢量复合水听器实现了标量探测端与矢量探测端的单片集成，标量探测端用电容式声波传感器测量标量信息，矢量探测端用MEMS仿生矢量水听器探测矢量信息。但是电容式传感器的微弱信号调理电路比较复杂，而电容式传感器对低频信号的测量比较困难。
综上所述，当前标矢量复合声波传感器的实现主要通过机械组装和单片集成两种方法。机械组装存在体积大、生产效率低和声波传感器性能受到机械组装精度影响和一致性差的问题。而当前单片集成的标矢量复合声波传感器标量探测端与矢量探测端的工作原理不同，需要配备不同的信号调理电路，增加了电路系统的复杂性和声波传感器的封装体积。难以应用于小型搭载平台或观测网中。
发明内容
为解决现有标矢量复合声波传感器需要机械组装、单片集成的标矢量复合水听器工作原理不同导致电路系统复杂和封装体积大的问题，本发明目的是：提供了一种MEMS单片集成标矢量复合声波传感器及其加工方法，改进了将标量信息探测部分与矢量信息探测部分的结构，使得标量信息探测部分与矢量信息探测部分可以一体化加工，简化了标矢量复合声波传感器的加工过程，减小了传感器芯片的体积。可以应用于小型搭载平台或观测网中。
本发明的技术方案是：
一种MEMS单片集成标矢量复合声波传感器，包括衬底，所述衬底上设置有由硅基材料制成的标量探测模块与矢量探测模块，所述矢量探测模块包括设置在第一空腔内的支撑体，所述支撑体通过连接梁悬置在边框上，所述连接梁设置有第一压敏电阻，所述支撑体上设置有敏感纤毛；所述标量探测模块包括第二空腔，所述第二空腔上设置有敏感薄膜，所述敏感薄膜内设置有第二压敏电阻。
优选的技术方案中，所述连接梁为8个，所述第一压敏电阻为8个，所述第一压敏电阻包括X轴向的四个压敏电阻和Y轴向的四个压敏电阻。
优选的技术方案中，所述X轴向的四个压敏电阻组成检测X方向声波信号的全桥惠斯通电桥，所述Y轴向的四个压敏电阻组成检测Y方向声波信号的全桥惠斯通电桥，所述第二压敏电阻组成一个检测声压标量信息的全桥惠斯通电桥。
优选的技术方案中，同一轴向的压敏电阻分布在不同连接梁的端部。
优选的技术方案中，所述连接梁、支撑体和边框的上表面在同一水平面内。
优选的技术方案中，所述标矢量复合声波传感器固定于回转体管壳，所述标矢量复合声波传感器的信号线通过回转体管壳引出，所述回转体管壳的内部用密封胶密封，所述标矢量复合声波传感器外部设置有透声帽，所述透声帽内部设置有阻抗匹配介质。
本发明还公开了一种MEMS单片集成标矢量复合声波传感器的加工方法，包括以下步骤：
S01：在SOI片的器件层表面氧化形成一层氧化层；
S02：在SOI片的器件层有选择性地进行第一次离子注入得到压敏电阻；
S03：再次对SOI片的器件层有选择性地进行第二次离子注入在压敏电阻的两端形成重掺杂区域；
S04：有选择性的刻蚀SOI片的器件层表面的氧化层，在重掺杂区域上方形成欧姆接触窗口；
S05：在SOI片的器件层表面加工金属并图形化得到连接欧姆接触窗口中的引线；
S06：在SOI片的衬底层上依次向下刻蚀氧化层、衬底层和埋氧层，形成第一空腔、支撑体和第二空腔；
S07：在硅片表面有选择性的刻蚀，形成一定深度、面积大于支撑体的腔体；
S08：将SOI片的衬底层与硅片的腔体侧表面进行键合；
S09：选择性刻蚀SOI片的器件层表面的氧化层和器件层，得到连接梁，将敏感纤毛固定于支撑体。
优选的技术方案中，所述步骤S02和步骤S03中离子注入的注入元素为硼。
优选的技术方案中，所述步骤S03之后还包括，对SOI片进行氧化，在器件层表面生成一层一定厚度的氧化层。
优选的技术方案中，所述步骤S05具体包括：
用磁控溅射或蒸发的方法在SOI片的器件层表面沉积一层金属，并用磷酸溶液在水浴中进行选择性腐蚀将金属薄膜图形化得到连接欧姆接触窗口中的引线。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明改进了将标量信息探测部分与矢量信息探测部分的结构，使得MEMS单片集成标矢量复合声波传感器的标量信息探测部分与矢量信息探测部分可以一体化加工，不需要再将标量模块与矢量模块进行第二次集成，简化了标矢量复合声波传感器的加工过程，减小了传感器芯片的体积。可以应用于小型搭载平台或观测网中。
2、标量模块与矢量模块的工作原理相同，都是基于压阻原理，可以检测低频声波信号，可以采用相同的检测电路，甚至同一个检测电路采用分时复用工作方式，可以进一步减小传感器体积、功耗和成本。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明无底板的MEMS单片集成标矢量复合声波传感器的结构示意图；
图2为本发明无衬底的MEMS单片集成标矢量复合声波传感器的压敏电阻分布图；
图3为本发明检测声波X方向矢量信息的全桥惠斯通电桥；
图4为本发明检测声波Y方向矢量信息的全桥惠斯通电桥；
图5为本发明检测声波X方向标量信息的全桥惠斯通电桥；
图6为本发明MEMS单片集成标矢量复合声波传感器的封装结构示意图；
图7为本发明标矢量信息联合处理传感器的指向性；
图8a-8l为本发明MEMS单片集成标矢量复合声波传感器的加工工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
一种MEMS单片集成标矢量复合声波传感器，包括衬底（图1中未示出），衬底上设置有由硅基材料制成的标量探测模块100与矢量探测模块200，如图1所示，矢量探测模块100包括设置在第一空腔101内的支撑体102，支撑体102通过连接梁103悬置在边框104上，连接梁103设置有第一压敏电阻105，支撑体102上设置有敏感纤毛106；标量探测模块200包括第二空腔201，第二空腔201上设置有敏感薄膜202，敏感薄膜202内设置有第二压敏电阻203。
这里，衬底一般为硅衬底（如图8l中的40），硅基材料可以为SOI片，当然也可以为其他硅基材料，本申请不做限定。
一较佳的实施例中，连接梁103为矩形，支撑体102为方形，最好设置于第一空腔101的中部。
一较佳的实施例中，如图2所示，连接梁103为8个，连接支撑体102的四条边，一条边上的连接梁103最好是平行的，第一压敏电阻105为8个，分别包括X1、X2、X3、X4，Y1、Y2、Y3、Y4，第一压敏电阻105设置于每个连接梁103的末端，如图2所示。
一较佳的实施例中，X轴向的四个压敏电阻分布在四个X轴向的连接梁上，Y轴向的四个压敏电阻分布在Y轴向的四个连接梁上，相邻平行两个连接梁103上的第一压敏电阻105，即同一轴向的压敏电阻分布在不同的末端。
第一压敏电阻105包括X轴向的四个压敏电阻X1、X2、X3、X4和Y轴向的四个压敏电阻Y1、Y2、Y3、Y4，X轴向的四个压敏电阻组成检测X方向声波信号的全桥惠斯通电桥，如图3所示，Y轴向的四个压敏电阻组成检测Y方向声波信号的全桥惠斯通电桥，如图4所示。
敏感纤毛106的材料选用与水密度相近的PE塑料材质，例如树脂。敏感纤毛106与支撑体102刚性固定，一较佳的实施例，敏感纤毛106通过胶水固定在支撑体102上。
一较佳的实施例中，连接梁103、支撑体102和边框104的上表面在同一水平面内。第一压敏电阻105通过离子注入工艺加工得到。
第二压敏电阻203组成一个检测声压标量信息的全桥惠斯通电桥，如图5所示。
一较佳的实施例中，如图6所示，标矢量复合声波传感器固定于回转体管壳300，标矢量复合声波传感器的信号线（包括供电线）通过回转体管壳300的内部引出，回转体管壳300的内部用密封胶密封，标矢量复合声波传感器外部设置有透声帽301，透声帽301内部设置有阻抗匹配介质302，根据应用环境的不同，透声帽301内部充满与空气或水的声阻抗相近的介质。
标量模块与矢量模块的工作原理相同，都是基于压阻原理，可以检测低频声波信号，采用相同的检测电路，同一个检测电路采用分时复用工作方式，可以进一步减小传感器体积、功耗和成本。
具体的，当声波信号作用到敏感纤毛上时，敏感纤毛带动中心支撑体产生转动，导致与中心支撑体相连接的梁发生变形，梁的表面会受到拉应力或压应力，压敏电阻因受到应力其阻值发生变化，最终使惠斯通电桥输出电压，实现了声波信号到电信号的转换，完成了矢量信息的检测。当声波作用到敏感膜上时，敏感膜发生弯曲变形，表面四个压敏电阻组成的惠斯通电桥输出电信号，也实现了声波信号到电信号的转换，完成了标量信息的检测。假设矢量模块X通道的输出电压为Vx，Y通道的输出电压为Vy，标量模块通道的输出电压为V，将矢量信息与标量信息按(V+Vx/y)2方式组合之后传感器的指向性如图7所示，可以准确的判断出声源相对于传感器的方向。
另一实施例中，一种MEMS单片集成标矢量复合声波传感器的加工方法，包括以下步骤：
S01：在SOI片的器件层表面氧化形成一层氧化层；
S02：在SOI片的器件层有选择性地进行第一次离子注入得到压敏电阻；
S03：再次对SOI片的器件层有选择性地进行第二次离子注入在压敏电阻的两端形成重掺杂区域；
S04：有选择性的刻蚀SOI片的器件层表面的氧化层，在重掺杂区域上方形成欧姆接触窗口；
S05：在SOI片的器件层表面加工金属并图形化得到连接欧姆接触窗口中的引线；
S06：在SOI片的衬底层上依次向下刻蚀氧化层、衬底层和埋氧层，形成第一空腔、支撑体和第二空腔；
S07：在硅片表面有选择性的刻蚀，形成一定深度、面积大于支撑体的腔体；
S08：将SOI片的衬底层与硅片的腔体侧表面用BCB进行有中间介质的键合；
S09：选择性刻蚀SOI片的器件层表面的氧化层和器件层，得到连接梁，将敏感纤毛固定于支撑体。
一较佳的实施例中，步骤S02之后还包括，去除光刻胶和高温退火。
一较佳的实施例中，步骤S02和步骤S03中离子注入的注入元素为硼，当然也可以选用其他可行的元素。
一较佳的实施例中，步骤S03之后还包括，对SOI片进行氧化，在器件层表面生成一层一定厚度的氧化层，作为金属引线、焊盘与器件层之间的绝缘层。这一步的作用为生成一定厚度的稳定的绝缘层。
一较佳的实施例中，步骤S05具体实现包括：
用磁控溅射或蒸发的方法在SOI片的器件层表面沉积一层金属铝，并用磷酸溶液在水浴中进行选择性腐蚀将金属薄膜图形化得到连接欧姆接触窗口中的引线。
下面本实施例仅以单个MEMS单片集成标矢量复合声波传感器的剖视图为例说明其完整的一个加工工艺流程。具体的工艺流程包括以下步骤：
1、备片。SOI片和硅片各一片，SOI片如图8a所示，两层硅中间是一层氧化层，即包括器件层5、埋氧层6和衬底层21，厚度小的一层硅为器件层5，厚度大的一层硅为衬底层21。SOI片的器件层5为N型，晶向为100，电阻率为1~10Ω·cm。硅片作为衬底。
2、氧化。将SOI片在氧化扩散炉中进行氧化，在SOI片的器件层5表面氧化形成一层氧化层22，作为离子注入的缓冲层，增强离子进入时方向的随机性，抑制离子注入的沟道效应，处理后的结构如图8b所示，由于氧化为整片氧化，因此衬底层也会形成一层氧化层23。
3、第一次离子注入。在SOI片的器件层5有选择性地进行离子注入得到压敏电阻（包括第一压敏电阻105和第二压敏电阻203），注入元素最好为硼（当然也可以为其他可行的元素）。去除光刻胶之后进行高温退火，修复晶格损伤，使杂质原子移动到晶格点将其激活，处理后的结构如图8c所示。
4、第二次离子注入。再次对SOI片的器件层5有选择性地进行离子注入，在压敏电阻（105、203）的两端形成重掺杂区域8，加工形成欧姆接触区域，注入元素最好为硼（当然也可以为其他可行的元素），然后去除光刻胶进行退火处理，处理后的结构如图8d所示。
5、氧化。对SOI片进行氧化，在器件层5表面生成一层一定厚度（大约500nm）的氧化层作为金属引线、焊盘与器件层之间的绝缘层，确保绝缘，处理后的结构如图8e所示。
6、刻蚀欧姆接触窗口。有选择性的刻蚀器件层5表面的氧化层22，在重掺杂区域8上方形成欧姆接触窗口9，处理后的结构如图8f所示。
步骤7沉积金属并图形化。用磁控溅射或蒸发的方法在SOI片器件层5表面沉积一层1um的金属铝（当然也可以为其他可行的金属），并用磷酸溶液在70℃水浴中进行选择性腐蚀将金属薄膜图形化得到引线15及焊盘等，处理后的结构如图8g所示。
步骤8背腔刻蚀。用干法刻蚀设备依次刻蚀SOI片衬底层21上的氧化层23、衬底层21和埋氧层6，形成第一空腔101、支撑体102和第二空腔201，处理后的结构如图8h所示。
步骤9刻蚀腔体。用干法刻蚀设备选择性刻蚀硅片40形成腔体41，以使SOI片与硅片进行BCB键合的矢量水听器的支撑体102悬空，处理后的结构如图8i所示。
步骤10键合。将SOI片的衬底层21与硅片40进行对准进行BCB键合，处理后的结构如图8j所示。
步骤11释放梁结构。用干法刻蚀设备选择性刻蚀SOI片器件层5表面的氧化层22和器件层5，将矢量水听器的连接梁103释放，如图8k所示。
步骤12划片。将键合片进行划片得到单个芯片或阵列。
步骤13异质集成。将敏感纤毛106与支撑体102进行异质集成，如，将敏感纤毛106通过胶水固定在支撑体102上。处理后的结构如图8l所示。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种MEMS单片集成标矢量复合声波传感器，其特征在于，包括衬底，所述衬底上设置有由硅基材料制成的标量探测模块与矢量探测模块，所述矢量探测模块包括设置在第一空腔内的支撑体，所述支撑体通过连接梁悬置在边框上，所述连接梁设置有第一压敏电阻，所述支撑体上设置有敏感纤毛；所述标量探测模块包括第二空腔，所述第二空腔上设置有敏感薄膜，所述敏感薄膜内设置有第二压敏电阻。
2.根据权利要求1所述的MEMS单片集成标矢量复合声波传感器，其特征在于，所述连接梁为8个，所述第一压敏电阻为8个，所述第一压敏电阻包括X轴向的四个压敏电阻和Y轴向的四个压敏电阻，所述第二压敏电阻为4个。
3.根据权利要求2所述的MEMS单片集成标矢量复合声波传感器，其特征在于，所述X轴向的四个压敏电阻组成检测X方向声波信号的全桥惠斯通电桥，所述Y轴向的四个压敏电阻组成检测Y方向声波信号的全桥惠斯通电桥，所述第二压敏电阻组成一个检测声压标量信息的全桥惠斯通电桥。
4.根据权利要求2所述的MEMS单片集成标矢量复合声波传感器，其特征在于，所述X轴向的四个压敏电阻分布在四个X轴向的连接梁，所述Y轴向的四个压敏电阻分布在Y轴向的四个连接梁上，同一轴向的压敏电阻分布在不同连接梁的端部。
5.根据权利要求1所述的MEMS单片集成标矢量复合声波传感器，其特征在于，所述连接梁、支撑体和边框的上表面在同一水平面内。
6.根据权利要求1所述的MEMS单片集成标矢量复合声波传感器，其特征在于，所述标矢量复合声波传感器固定于回转体管壳，所述标矢量复合声波传感器的信号线通过回转体管壳引出，所述回转体管壳的内部用密封胶密封，所述标矢量复合声波传感器外部设置有透声帽，所述透声帽内部设置有阻抗匹配介质。
7.一种MEMS单片集成标矢量复合声波传感器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：在SOI片的器件层表面氧化形成一层氧化层；
S02：在SOI片的器件层有选择性地进行第一次离子注入得到压敏电阻；
S03：再次对SOI片的器件层有选择性地进行第二次离子注入在压敏电阻的两端形成重掺杂区域；
S04：有选择性的刻蚀SOI片的器件层表面的氧化层，在重掺杂区域上方形成欧姆接触窗口；
S05：在SOI片的器件层表面加工金属并图形化得到连接欧姆接触窗口中的引线；
S06：在SOI片的衬底层上依次向下刻蚀氧化层、衬底层和埋氧层，形成第一空腔、支撑体和第二空腔；
S07：在硅片表面有选择性的刻蚀，形成一定深度、面积大于支撑体的腔体；
S08：将SOI片的衬底层与硅片的腔体侧表面进行键合；
S09：选择性刻蚀SOI片的器件层表面的氧化层和器件层，得到连接梁，将敏感纤毛固定于支撑体。
8.根据权利要求7所述的MEMS单片集成标矢量复合声波传感器的加工方法，其特征在于，所述步骤S02和步骤S03中离子注入的注入元素为硼。
9.根据权利要求7所述的MEMS单片集成标矢量复合声波传感器的加工方法，其特征在于，所述步骤S03之后还包括，对SOI片进行氧化，在器件层表面生成一层一定厚度的氧化层。
10.根据权利要求7所述的MEMS单片集成标矢量复合声波传感器的加工方法，其特征在于，所述步骤S05具体包括：
用磁控溅射或蒸发的方法在SOI片的器件层表面沉积一层金属，并用磷酸溶液在水浴中进行选择性腐蚀将金属薄膜图形化得到连接欧姆接触窗口中的引线。
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