CN112903088A - “十”字形敏感结构mems仿生矢量声波传感器及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种“十”字形敏感结构的MEMS仿生矢量声波传感器，包括由硅基材料制成的“十”字形敏感结构、连接梁、中心支撑体、边框和压敏电阻，所述中心支撑体设置于边框内，所述中心支撑体通过连接梁悬置在边框上，中心支撑体与连接梁的上表面在同一水平面内，所述压敏电阻设置于连接梁末端，所述“十”字形敏感结构设置于所述中心支撑体。该MEMS仿生矢量声波传感器的加工与传统的MEMS仿生矢量声波传感器的加工相比完全采用MEMS工艺，具有体积小、成本低和性能一致性高的特点，该加工方法工序简单，可以实现MEMS仿生矢量声波传感器的大批量应用。

Description

“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量声波传感器及其加工方法

技术领域

本发明涉及MEMS仿生矢量声波传感器技术领域，具体地涉及一种“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量声波传感器及其加工方法。

背景技术

声波传感器广泛应用于水下目标探测、定位，海底地震引发海啸的预警，枪炮声定位、变电站噪声监测，火箭发动机燃烧不稳定性监测等方面。根据能否测量声场中的速度、声压梯度等矢量信息，声波传感器可分为标量声波传感器和矢量声波传感器。当前使用的声波传感器主要是声压标量声波传感器。矢量声波传感器可以测量声场中的矢量信息，能更全面地反映声场的真实情况。此外，矢量声波传感器可以抑制各向同性噪声信噪比高，阵列空间增益高可以探测更远的声源目标。矢量声波传感器是未来声波传感器的发展方向。同振型矢量声波传感器需要弹性悬挂在一个刚性框架上，光纤型矢量声波传感器的信号处理设备比较复杂，因此，这两种类型的矢量声波传感器难以满足测量系统小型化的发展需求。MEMS仿生矢量声波传感器体积小、成本低，可以弥补同振型和光纤型矢量声波传感器在小型化应用方面的不足，MEMS仿生矢量声波传感器的研究越来越受到重视。

1、发明专利《微机电矢量水听器》(申请号：200910073993.4)提出的矢量声波传感器结构包括“十”字形悬臂梁结构、敏感声波的微型柱状体和信号转换元件，微型柱状体位于传感器的中心位置，信号转换元件位于十字形悬臂梁的末端表面。

2、发明专利《一种二维仿生矢量水听器》(申请号：CN201910687817.3)公开的声波传感器包括一个正方形衬底、四根悬臂梁和一根纤毛，纤毛与悬臂梁之间呈垂直结构，四个悬臂梁上分别刻有非均匀周期反射光栅，可以实现全光检测，有效地降低成本并提高检测精度。

3、发明专利《一种柱形三维矢量水听器》（申请号：CN201910404751.2）公开的矢量声波传感器包括四梁纤毛式圆形结构和设置在其底部的圆柱结构，该传感器可以通过四梁纤毛式圆柱形结构与圆柱结构的相互组合而测得三维空间内的信号。

4、发明专利《一种三角形正交矢量水听器》公开的矢量声波传感器包括两个垂直连接的纤毛式微结构，每个纤毛式微结构均包括一个三角形衬底、三个悬臂梁、六个压敏传感器、两个定值电阻和一根纤毛，两个纤毛式微结构垂直组合后可测得三维方向上的信号。

5、发明专利《高灵敏宽频带压电式MEMS矢量水听器》（申请号：CN201810434347.5）公开的矢量声波传感器包括接收声波的立柱、支撑立柱的底座、敏感转换垫和支撑架，敏感转换垫包括上金属层、下金属层和中间压电材料薄膜，中间压电材料薄膜夹在上金属电极层和下金属电极层之间。

6、发明专利《基于压阻效应的MEMS三维同振型矢量水听器》（申请号：CN201710450802.6）公开的矢量声波传感器包括检测来自水平方向声波信号的同振柱体和检测来自竖直方向声波信号的同振球形振子。同振柱体振子模块主要包括框型基座、横梁、中心连接体、柱形聚乙烯拾振单元、压敏电阻；同振球形振子模块主要包括框型基座、横梁、环形连接体、球形聚乙烯拾振单元、压敏电阻。

7、发明专利《多重应力集中式MEMS仿生水听器》（申请号：CN201610058544.2）公开的矢量声波传感器包括由底层硅、氧化层和顶层硅，顶层硅上均布四组四梁纤毛式声电换能结构，四组四梁纤毛式声电换能结构底部为空腔，其中悬臂梁的两端设有沉降槽及内缩的豁口；氧化层上均布有四个空腔，顶层硅及底层硅上正对每个空腔的位置溅射有上、下电极，顶层硅上围绕每个上电极均布四个注油孔。

8、发明专利《一种MOEMS矢量水听器》（申请号：CN201510411902.9）公开的矢量声波传感器包括光纤、光纤准直器、基座、硅基框架、悬臂梁及微型圆柱体。通过F-P腔进行声-机-光转换，利用MOEMS技术将MEMS技术和光纤传感技术相结合，实现对微弱声信号的高灵敏度、高分辨率检测。

综上所述，当前专利公开的MEMS仿生矢量声波传感器的声波敏感结构(纤毛/微型圆柱体/立柱、球体等)均为非硅基材料，需要单独加工然后与硅基芯片进行异质集成。这种方法虽然功能上实现了对声场中矢量信息的测量，但是这种方法增加了矢量声波传感器的加工复杂度和生产成本，降低了生产效率。更重要的是异质集成不仅易导致硅基芯片的破坏而且导致矢量声波传感器的性能一致性差，难以实现MEMS仿生矢量声波传感器的大批量应用。

发明内容

为解决现有MEMS仿生矢量声波传感器技术中存在的生产工序复杂、性能一致性差、成品率低等问题，本发明目的是：提供了一种“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量声波传感器及其加工方法，该MEMS仿生矢量声波传感器的加工完全采用MEMS工艺，具有体积小、成本低和性能一致性高的特点，该加工方法工序简单，可以实现MEMS仿生矢量声波传感器的大批量应用。

本发明的技术方案是：

一种“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量声波传感器，包括由硅基材料制成的“十”字形敏感结构、连接梁、支撑体、边框和压敏电阻，所述支撑体设置于边框内，所述支撑体通过连接梁悬置在边框上，所述压敏电阻设置于连接梁，所述十字敏感结构设置于所述支撑体。

优选的技术方案中，所述连接梁为8个，所述压敏电阻为8个，所述压敏电阻包括X轴向的四个压敏电阻和Y轴向的四个压敏电阻，每个连接梁的背面端部设置一个压敏电阻。

优选的技术方案中，同一轴向的压敏电阻分布在连接梁的不同端部。

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。

优选的技术方案中，所述边框与硅基芯片键合连接，所述硅基芯片内刻蚀有腔体。

本发明还公开了一种“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量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欧姆接触窗口中的引线和键合区域；

S06：刻蚀SOI片的器件层和埋氧层的连接梁和边框以外的部分，释放得到连接梁；

S07：在氧化硅片表面加工金属并图形化得到键合区域，然后在氧化硅片上刻蚀一定厚度的大于支撑体的腔体；

S08：将SOI片的器件层与氧化硅片的腔体侧表面进行键合；

S09：刻蚀SOI片衬底层“十”字形敏感结构以外的部分，释放“十”字形敏感结构。

优选的技术方案中，所述步骤S02之后还包括，去除光刻胶和高温退火。

优选的技术方案中，所述步骤S02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S09之后还包括：

利用激光划片机划片得到分离的单个矢量声波传感器芯片；

将矢量声波传感器芯片封装于管壳内，并用连接线将矢量声波传感器上的焊盘与封装管壳上的焊盘按一定规则连接。

与现有技术相比，本发明的优点是：

该MEMS仿生矢量声波传感器的加工完全采用MEMS工艺，具有体积小、成本低和性能一致性高的特点，“十”字形敏感结构用SOI片的衬底层图形化得到作为信号敏感结构，氧化硅片刻蚀腔体后与SOI片金-金热压键合，作为MEMS矢量声波传感器的支撑。该加工方法工序简单，在加工过程中信号敏感结构不易被破坏，矢量声波传感器的性能一致性高，可以实现MEMS仿生矢量声波传感器的大批量应用，生产成本低廉，提高了生产效率。

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MEMS仿生矢量声波传感器的结构示意图；

图2为本发明MEMS仿生矢量声波传感器的压敏电阻分布图；

图3为本发明MEMS仿生矢量声波传感器压敏电阻连接方案示意图；

图4为MEMS仿生矢量声波传感器受到X方向声波信号时的位移云图；

图5为MEMS仿生矢量声波传感器受到X方向声波信号时X和Y通道的输出电压；

图6a-6m为本发明MEMS仿生矢量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：

如图1所示，一种“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量声波传感器，包括由硅基材料制成的“十”字形敏感结构1、连接梁2、边框3、中心支撑体4和压敏电阻7，中心支撑体4设置于边框1内，中心支撑体4通过连接梁2悬置在边框1上，压敏电阻7设置于连接梁2末端，“十”字形敏感结构1设置于所述支撑体4上。

“十”字形敏感结构1的形状为“十”字形。

一较佳的实施例中，连接梁2为矩形，中心支撑体4为方形，最好设置于边框1的中部。

一较佳的实施例中，连接梁2为8个，连接中心支撑体4的四边，一条边上的连接梁最好是平行的，压敏电阻7为8个包括X1、X2、X3、X4，Y1、Y2、Y3、Y4，压敏电阻7设置于每个连接梁2的末端背面，如图2所示。

一较佳的实施例中，相邻平行两个连接梁2上的压敏电阻分布在不同的末端。

如图3所示，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。

一较佳的实施例中，边框1与硅基芯片通过金-金热压键合连接，硅基芯片内刻蚀有腔体（图中未示出）。

“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量声波传感器在加工过程中使用SOI(Silicon onInsulator)片和氧化硅片各一片，“十”字形敏感结构用SOI片的衬底层图形化得到，信号转换结构（压敏电阻）在SOI片的器件层通过离子注入得到，氧化硅片刻蚀腔体后与SOI片金-金热压键合，作为MEMS矢量声波传感器信号敏感结构的支撑。因此，本发明提出的MEMS仿生矢量声波传感器的加工完全采用MEMS工艺，具有体积小、成本低和性能一致性高的特点。

为了验证“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量声波传感器检测声波的可行性，利用有限元仿真软件对其进行了仿真分析。传感器受到X方向声波信号时的位移云图如图4所示，X和Y通道的输出信号如图5所示，从图中可以看出X通道的输出电压远远大于Y通道的输出电压，表明所设计的“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量声波传感器横向效应比较小。

另一实施例中，一种“十”字形敏感结构的MEMS仿生矢量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片器件层表面加工金属金并图形化得到欧姆接触孔中的信号引出和金-金热压键合区域；

S06：刻蚀SOI片的器件层、埋氧层的连接梁和边框以外的部分，释放连接梁；

S07：在氧化硅片表面加工金属金并图形化得到金-金热压键合区域，然后在氧化硅片刻蚀一定厚度边框内部的正方形区域得到腔体；

S08：将SOI片的器件层与氧化硅片的腔体侧表面进行金-金热压键合；

S09：刻蚀SOI片的衬底层“十”字形结构以外的部分，“十”字敏感结构。

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。

一较佳的实施例中，步骤S09之后还包括：

利用激光划片机划片得到分离的单个矢量声波传感器芯片；

将矢量声波传感器芯片封装于管壳内，并用连接线（金丝）将矢量声波传感器上的焊盘与封装管壳上的焊盘按一定规则连接。

下面本实施例仅以单个“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量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片和氧化硅片各一片，SOI片如图6a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。氧化硅片是指在硅片表面存在一层氧化层，氧化层的厚度根据用户需求而定制。

2、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6 b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7，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6c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7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6d所示。

5、氧化。对SOI片进行氧化，在器件层表面生成一定厚度（例如300nm）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6e所示。

6、刻蚀欧姆接触窗口。有选择性的刻蚀器件层表面的氧化层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6f所示。

7、用剥离工艺加工金属引线。首先在SOI片器件层表面进行光刻工艺（图形化），然后淀积一层钛（当然也可以为其他可行的金属元素，例如铬等）再电镀一层金，最后用剥离工艺图形化金属得到金属引线10和键合线24，处理后的结构如图6g所示。

8、释放连接梁。刻蚀SOI片的器件层5、埋氧层6连接梁和边框以外的部分到连接梁，处理后的结构如图6h所示。

9、首先在氧化硅片30表面进行光刻工艺（图形化），然后淀积一层钛（当然也可以为其他可行的金属元素，例如铬等）再电镀一层金，最后用剥离工艺图形化金属，得到键合线31以及焊盘（图中未示出）等，处理后的结构如图6i所示。

10、在氧化硅片30上有选择性的刻蚀，形成腔体32，使中心支撑体4与氧化硅片衬底之间有一定的间隙，处理后的结构如图6j所示。

11、将SOI片的器件层5与氧化硅片刻蚀腔体的一侧进行金-金热压键合，处理后的结构如图6k所示。

12、刻蚀SOI片的衬底层21“十”字形敏感结构以外的部分释放“十”字形敏感结构，处理后的结构如图6l所示。这样整个SOI片形成的结构如图1、2所示。

13、划片。利用激光划片机划片得到分离的单个矢量声波传感器芯片。

14、封装。将矢量声波传感器封装一个管壳12上，并用金丝11将矢量声波传感器上的焊盘与封装管壳12上的焊盘13按一定规则连接，形成需要的电路结构，处理后的结构如图6m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“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量声波传感器，其特征在于，包括由硅基材料制成的“十”字形敏感结构、连接梁、支撑体、边框和压敏电阻，所述支撑体设置于边框内，所述支撑体通过连接梁悬置在边框上，所述压敏电阻设置于连接梁，所述“十”字形敏感结构设置于所述支撑体。

2.根据权利要求1所述的“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量声波传感器，其特征在于，所述连接梁为8个，所述压敏电阻为8个，所述压敏电阻包括X轴向的四个压敏电阻和Y轴向的四个压敏电阻，每个连接梁的背面端部设置一个压敏电阻。

3.根据权利要求2所述的“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量声波传感器，其特征在于，同一轴向的压敏电阻分布在连接梁的不同端部。

4.根据权利要求2所述的“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量声波传感器，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。

5.根据权利要求1所述的“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量声波传感器，其特征在于，所述边框与硅基芯片键合连接，所述硅基芯片内刻蚀有腔体。

6.一种“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量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欧姆接触窗口中的引线和键合区域；

S06：刻蚀SOI片的器件层和埋氧层的连接梁和边框以外的部分，释放得到连接梁；

S07：在氧化硅片表面加工金属并图形化得到键合区域，然后在氧化硅片上刻蚀一定厚度的大于支撑体的腔体；

S08：将SOI片的器件层与氧化硅片的腔体侧表面进行键合；

S09：刻蚀SOI片“十”字形敏感结构以外的衬底层，得到“十”字形敏感结构。

7.根据权利要求6所述的“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量声波传感器的加工方法，其特征在于，所述步骤S02之后还包括，去除光刻胶和高温退火。

8.根据权利要求6所述的“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量声波传感器的加工方法，其特征在于，所述步骤S02中离子注入的注入元素为硼。

9.根据权利要求6所述的“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量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6所述的“十”字形敏感结构MEMS仿生矢量声波传感器的加工方法，其特征在于，所述步骤S09之后还包括：

利用激光划片机划片得到分离的单个矢量声波传感器芯片；

将矢量声波传感器芯片封装于管壳内，并用连接线将矢量声波传感器上的焊盘与封装管壳上的焊盘按一定规则连接。

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