CN113029321B - 可抑制振动干扰的电容式mems矢量声波传感器及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可抑制振动干扰的电容式MEMS矢量声波传感器，包括基底和敏感结构，所述敏感结构通过边框固定在基底上，所述边框内设置有支撑体，所述支撑体通过连接梁悬置于边框上，所述支撑体与衬底之间有一定的间距，所述支撑体上设置有敏感纤毛，所述支撑体作为一个公共的上电极，所述支撑体下方的基底上设置有多个互相隔离的下电极，所述上电极和下电极组成电容的上极板和下极板。通过本发明方法加工得到的矢量声波传感器具有体积小、成本低、加工方法简单和可抑制振动干扰的特点。

Description

可抑制振动干扰的电容式MEMS矢量声波传感器及其加工方法

技术领域

本发明涉及基于MEMS的声波传感器技术领域，具体地涉及一种可以抑制空间振动干扰、低轴间耦合的电容式MEMS矢量声波传感器及其加工方法。

背景技术

矢量声波传感器从工作方式上可分为同振型矢量声波传感器和压差型矢量声波传感器。同振型矢量声波传感器是将加速度计、速度计等惯性敏感单元正交内置于球形或圆柱形壳体内部组装而成。压差型矢量声波传感器主要有两种工作方式：一是在声场中布放两只声压传感器，获取两个声压信号，然后通过两个声压信号的差值来实现声压梯度的测量；二是根据声传播理论，通过特殊结构实现声压差值的直接测量。

同振型矢量声波传感器轴间耦合效应的大小受到机械组装精度的限制。同振型矢量声波传感器在工作时需要弹性悬挂在刚性框架上，导致体积比较大，难以应用在小型平台上。虽然弹性悬挂可以抑制高频振动干扰对传感器声学性能的影响，但是对低频振动干扰的抑制效果不佳，传感器工作频率的下限受到弹性系统的限制。

由于压差型矢量声波传感器可以刚性固定，可以有效地减小其工作时的体积，可以弥补同振型矢量声波传感器难以应用到小型平台上的不足。因此，压差式矢量声波传感器具有较好的应用前景。压阻式MEMS仿生矢量声波传感器是一种压差型矢量声波传感器，具有体积小、成本低、低频响应特性好等特点。但是加工压敏电阻时需要进行1000ºC以上的高温退火，导致传感器存在较大的残余应力，影响传感器的性能。

现有技术及存在的不足：

申请公布号：CN111735531A公开了一种小型化MEMS电容式复合同振型矢量水听器，包含MEMS电容式加速度计、固定芯子、垂直悬挂杆、压电陶瓷环、透声密封壳体、圆锥螺旋弹簧；MEMS电容式加速度传感器正交安装在固定芯子中；垂直悬挂杆贯穿整个固定芯子；压电陶瓷环套在固定芯子外部；透声密封壳体通过灌封工艺覆盖在压电陶瓷环的外部。圆锥螺旋弹簧与垂直悬挂杆连接,将水听器悬挂在固定支架上使用。

授权公告号：CN103868579B公开了一种同振型矢量水听器的悬挂装置，包括若干根弹簧，弹簧的一端连接有第一软绳，第一软绳的自由端连接有第一扣环，弹簧的另一端连接有第二软绳，第二软绳的自由端连接有第二扣环。该发明能够有效减小外界振动沿悬挂装置弹簧元件传递而造成对同振型矢量水听器的干扰。

上述两个专利采用的弹性悬挂方案可以有效抑制高频振动干扰，但对低频振动干扰作用不明显且导致体积大。

授权公告号：CN104359547B公开了一种差分型矢量水听器，水听器中心块上下两个表面对称分布着两个完全相同的纤毛：上敏感纤毛和下平衡纤毛。水听器受到振动时上敏感纤毛和下平衡纤毛都会对梁产生弯矩作用，但弯矩的方向相反。因此，下平衡纤毛会减小上平衡纤毛使压敏电阻受到的应力，从而实现了抑制水听器由于振动干扰而输出信号的目的。

授权公告号：CN109579975B公布了一种可以抑制X、Y方向振动干扰的三维矢量水听器，通过优化设计中心质量块和敏感纤毛的尺寸，使得水听器受到振动信号作用时，质量块对梁的弯矩可以抵消敏感纤毛对梁的弯矩达降低水听器振动灵敏度的目的。

上述两个专利利用连接梁两侧的两个元件对连接梁的弯矩相互抵消的方法减小了对面内振动干扰的影响，但是压阻工艺会产生较大的残余应力，影响传感器的性能。

综上所述，通过弹性悬挂抑制振动干扰会增加传感器的体积，使其难以应用到小型平台上，而且，传感器工作频率的下限会受到弹性悬挂系统的限制。压差型压阻式MEMS仿生矢量声波传感器采用差分式结构实现了抑制面内振动干扰，但加工压敏电阻时的高温工艺使其残余应力比较大，会影响传感器性能甚至引起器件失效。因此，研制一种低残余应力、可刚性固定和能够抑制振动干扰的矢量声波传器具有重要意义。

发明内容

为了研制一种可刚性固定、体积小、可抑制低频振动干扰、低残余应力矢量声波传感器，本发明目的是：提供了一种可抑制振动干扰、低残余应力的压差型电容式MEMS矢量声波传感器及其加工方法，加工过程中的最高温度键合工艺和刻蚀工艺中的温度最高，一般在400 ºC~700ºC之间，小于压阻退火时的1000ºC，通过本发明方法加工得到的矢量声波传感器具有体积小、可刚性固定、可抑制低频振动干扰和低残余应力的特点。

本发明的技术方案是：

一种可抑制振动干扰的电容式MEMS矢量声波传感器，包括基底和敏感结构，所述敏感结构通过边框固定在基底上，所述边框内设置有支撑体，所述支撑体通过连接梁悬置于边框上，所述支撑体与基底之间有一定的间距，所述支撑体上设置有敏感纤毛，所述支撑体作为一个公共的上电极，所述支撑体下方的基底上设置有多个互相隔离的下电极，所述上电极和下电极组成电容的上极板和下极板。

优选的技术方案中，所述下电极至少为四个，与上电极组成至少四个电容，第一电容与第二电容的和与第三电容与第四电容的和之差作为X通道检测X方向声波信号，第二电容与第三电容的和与第一电容与第四电容的和之差作为Y通道检测Y方向声波信号。

优选的技术方案中，所述下电极为方形，所有下电极组成的图形的边长小于支撑体的边长。

优选的技术方案中，所述下电极为四个，呈中心对称分布，所述支撑体下底面的中心与所述衬底上四个下电极组成的图形的中心重合。

优选的技术方案中，所述电容式MEMS矢量声波传感器设置于封装体内，所述封装体包括透声壳体和固定夹具，所述固定夹具用于将电容式MEMS矢量声波传感器固定在透声壳体上，所述固定夹具包括托台和支架，所述托台和支架之间填充有与声场介质声阻抗差别大的介质。

优选的技术方案中，所述基底和敏感结构通过金硅键合固定。

本发明还公开了一种可抑制振动干扰的电容式MEMS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片的器件层表面向下刻蚀孔，使孔的底部为SOI片的衬底层；

S03：在SOI片器件层表面淀积一层金属并图形化，使金属与衬底层之间形成欧姆接触；

S04：选择性刻蚀SOI片衬底层和SOI片的氧化层释放支撑体，并减小支撑体的厚度；

S05：在氧化硅片表面淀积金并图形化得到下电极、金硅键合的图形以及焊盘，将SOI片与氧化硅片进行键合；

S06：刻蚀SOI片器件层释放得到连接梁，同时将与下电极相连接的焊盘裸露，将敏感纤毛固定于支撑体。

优选的技术方案中，所述步骤S02中刻蚀孔的方法包括：先用BOE或HF溶液腐蚀SOI片器件层表面的二氧化硅，再用KOH或TMAH溶液腐蚀器件层，最后用BOE或HF溶液腐蚀SOI片的氧化层，使孔的底部为SOI片的衬底层。

优选的技术方案中，所述步骤S04中以二氧化硅作为掩膜刻蚀支撑体下表面以减小其厚度。

优选的技术方案中，所述步骤S06之后还包括：

划片得到电容式MEMS矢量声波传感器，将矢量声波传感器芯片粘贴到PCB板上，用金丝键合的方法将矢量声波传感器芯片上的焊盘与PCB板上的焊盘连接。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、该矢量声波传感器采用MEMS工艺加工，芯片尺寸为毫米级。在工作时可以刚性固定在平台上，具有体积小的特点。本发明提出的新结构可以抑制振动干扰。

2、本发明的加工工艺简单，加工温度低，残余应力小，成本低廉。

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为本发明可抑制振动干扰的电容式MEMS矢量声波传感器的分解示意图；

图2为本发明矢量声波传感器的四个电容连接示意图；

图3为本发明支撑体在衬底上的投影示意图；

图4为本发明矢量声波传感器的二维剖面封装示意图；

图5为本发明敏感纤毛和支撑体对梁的弯矩分析示意图；

图6为本发明传感器受到XOY面内的声波或振动干扰时传感器的形变示意图；

图7为本发明支撑体相对下电极的距离变化；

图8a-8n为本发明可抑制振动干扰的电容式MEMS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：

一种可抑制振动干扰的电容式MEMS矢量声波传感器，包括基底5和敏感结构10，敏感结构10包括敏感纤毛1、支撑体2、连接梁3、边框4，边框4内设置有支撑体2，支撑体2通过连接梁3悬置于边框4上，支撑体2与衬底5之间有一定的间距，支撑体2上设置有敏感纤毛1，支撑体2作为一个公共的上电极，支撑体2下方的衬底5上设置有多个互相隔离的下电极6，这里的隔离为空间隔离的意思，上电极和下电极6组成电容的上极板和下极板。

需要说明的是，这里基底5一般为氧化硅晶圆，边框4和支撑体2等由硅基材料制成，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。

敏感纤毛1的材料选用密底小、刚度大的PE塑料材质，例如树脂。敏感纤毛1与支撑体2刚性固定，一较佳的实施例，敏感纤毛1通过胶水固定在支撑体2上。

一实施例中，基底5和边框4通过金硅键合固定。基底5上设置有金硅键合的金图形9。

一实施例中，下电极6至少为四个，例如每一个下电极6都可以分裂成多个区域更小的下电极，本实施例对其个数不做限定，下电极的形状可以为方形，当然也可以为其他形状，下电极6与上电极组成至少四个电容（C1、C2、C3、C4）。如图2所示，第一电容C1与第二电容C2的和与第三电容C3与第四电容C4的和之差作为X通道检测X方向声波信号，即C1+C2-C3-C4，第二电容C2与第三电容C3的和与第一电容C1与第四电容C4的和之差作为Y通道检测Y方向声波信号，即C2+C3-C1-C4。通过加法器实现信号的相加，通过减法器实现信号的相减。

一较佳的实施例中，下电极6为四个，下电极6为方形，所有下电极6组成的图形的边长小于支撑体2的边长，即支撑体2的投影覆盖所有下电极6，如图3所示。使传感器受到XOY平面内的声波信号，敏感纤毛1带动中心支撑体2运动时，四个电容上、下极板的有效面积不变，保证电容的变化是由于极板间距变化引起的。

具体的，四个下电极6呈中心对称分布，支撑体2下底面的中心与衬底5上四个下电极6组成的图形的中心重合。

由于中心支撑体是一个刚体，受到X方向声波信号时，电容C1、C2相等，电容C3、C4相等，受到Y方向声波信号时，电容C1、C4相等，电容C2、C3相等。因此，传感器受到X方向声波信号时，Y通道的输出信号为零；传感器受到Y方向声波信号时，X通道的输出信号为零。

如图4所示，电容式MEMS矢量声波传感器11设置于封装体内，封装体包括透声壳体16和固定夹具12，固定夹具12将电容式MEMS矢量声波传感器固定在透声壳体16上，固定夹具12与透声壳体16过盈配合，固定夹具12包括托台19和支架20，托台19和支架20之间填充有介质18。介质18的声阻抗远大于声场(水或空气)的声阻抗，使声波不能作用到支撑体2上，而声波可以穿过透声壳体16作用到敏感纤毛1上。

由于振动干扰是一种惯性力，当传感器受到XOY平面内的振动干扰时，敏感纤毛1和中心支撑体2都会受到惯性力的作用，敏感纤毛1、中心支撑体2对连接梁3的弯矩作用方向相反，可以相互抵消，敏感纤毛1和中心支撑体2对连接梁3的弯矩分析如图5所示。传感器受到XOY面内的振动干扰时，传感器的形变情况如图6所示。由材料力学相关知识可知连接梁与中心支撑体相连接处由于连接梁弯曲产生的位移为：

式中，b为中心支撑体边长的一半，L为连接梁的长度，E为硅杨氏模量，I为连接梁的惯性矩，d两平行连接梁的间距，ρ₁为敏感纤毛的密度，r为敏感纤毛的半径，H为敏感纤毛的高度，t为连接梁的厚度，ρ₂硅的密度，h为中心支撑体的厚度，a_X为振动干扰的大小，ε=1/(1+μ)，μ为硅的泊松比。

从公式可以得出，通过优化设计敏感纤毛1、中心支撑体2和连接梁3的尺寸可以使中心支撑体的位移为零，所以电容C1、C2、C3、C4不变，达到了抑制XOY面内振动干扰的目的。

传感器受到Z方向振动干扰时，由于传感结构的对称性，中心支撑体相对下电极的距离发生变化如图7所示，假设距离由于h1变化为h2，则四个电容的变化量均为ΔC。从X通道和Y通道的输出公式可以看出，传感受到Z方向振动干扰时，Ｘ通道和Y通道的输出信号均不会受到影响。综上，本发明提出的新结构可以抑制振动干扰。

另一实施例中，本发明还公开了一种可抑制振动干扰的电容式MEMS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片的器件层表面向下刻蚀孔，使孔的底部为SOI片的衬底层；

S03：在SOI片器件层表面淀积一层金属铝并图形化，使金属铝与衬底层之间形成欧姆接触；

S04：选择性刻蚀SOI片衬底层和SOI片的氧化层释放支撑体，并减小支撑体的厚度；

S05：在氧化硅片表面淀积金并图形化得到下电极、金硅键合的图形以及焊盘，将SOI片与氧化硅片进行键合；

S06：选择性刻蚀SOI片器件层释放得到连接梁，同时将下电极相连接的焊盘裸露，将敏感纤毛固定于支撑体。

一较佳的实施例中，步骤S02中刻蚀孔的方法包括：

先用BOE或HF溶液腐蚀SOI片器件层表面的二氧化硅，再用KOH或TMAH溶液腐蚀器件层，最后用BOE或HF溶液腐蚀SOI片的氧化层，使孔的底部为SOI片的衬底层。

一较佳的实施例中，步骤S04中以二氧化硅作为掩膜刻蚀支撑体下表面以减小其厚度。

一较佳的实施例中，步骤S06之后还包括：

划片得到电容式MEMS矢量声波传感器，将矢量声波传感器芯片粘贴到PCB板上，用金丝键合的方法将矢量声波传感器芯片上的焊盘与PCB板上的焊盘连接。

电容式MEMS矢量声波传感器是用六英寸SOI晶圆加工得到。下面本实施例仅以单个可抑制振动干扰的电容式MEMS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。一片SOI片和一片氧化硅片，SOI片为硅-二氧化硅-硅结构，SOI片200如图8a所示，两层硅中间是一层氧化层，即包括器件层21、埋氧层（氧化层）22和衬底层23，厚度小的一层硅为器件层21，厚度大的一层硅为衬底层23。衬底层23的电阻率为0.001Ω·cm。

2、氧化。将SOI片在氧化炉中进行热氧工艺，在SOI片器件层21生成一层二氧化硅24，衬底层23表面生成一层二氧化硅25，如图8b。

3、湿法腐蚀孔。先用BOE(或HF)溶液腐蚀SOI片器件层21表面的二氧化硅24，再用KOH(或TMAH)溶液腐蚀器件层21，最后用BOE(或HF)溶液腐蚀SOI片的氧化层22，得到孔26，使孔26的底部为SOI片的衬底层23，在腐蚀过程中对衬底层23上的二氧化硅进行保护，如图8c。

4、在SOI片器件层21表面淀积一层金属铝27（当然也可以为其他可行的金属）并用剥离工艺将金图形化，然后进行退火处理，使金27与衬底层23之间形成良好的欧姆接触，如图8d。

5、选择性刻蚀SOI片衬底层23表面的二氧化硅层25，如图8e。

6、选择性刻蚀衬底层23至SOI片的氧化层22释放中心支撑体2和边框4，如图8f。

7、以二氧化硅作为掩膜刻蚀中心支撑体2以减小其厚度，具体的厚度不限，即比边框4的厚度小，如图8g。

8、去除SOI片的氧化层22以及衬底层23表面的二氧化硅25，具体的去除方法不限，可以采用抛光或者腐蚀等等，如图8h。

9、在氧化硅片300表面淀积金31并用剥离工艺图形化得到四个电容的下电极6、金硅键合的图形9以及下电极焊盘8等，如图8i。

10、将SOI片200与氧化硅片300进行金硅键合，如图8j。

11、刻蚀SOI片器件层21释放连接梁3，同时将四个下电极6相连接的下电极焊盘8露出来，如图8k。

12、划片得到电容式MEMS矢量声波传感器。

13、将矢量声波传感器芯片11粘贴到PCB板13上，如图8l。

14、将敏感纤毛1与传感器芯片11进行异质集成，如图8m。

15、用金丝17（当然也可以为其他可行的金属）键合的方法将芯片上的焊盘与PCB板13上的焊盘连接，如图8n。

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 (7)

1.一种可抑制振动干扰的电容式MEMS矢量声波传感器，其特征在于，包括基底和敏感结构，所述敏感结构通过边框固定在基底上，所述边框内设置有支撑体，所述支撑体通过连接梁悬置于边框上，所述支撑体与基底之间有一定的间距，所述支撑体上设置有敏感纤毛，所述支撑体作为一个公共的上电极，所述支撑体下方的基底上设置有多个互相隔离的下电极，所述上电极和下电极组成电容的上极板和下极板；

所述下电极为方形，所有下电极组成的图形的边长小于支撑体的边长；

所述下电极为四个，与上电极组成四个电容，第一电容与第二电容的和与第三电容与第四电容的和之差作为X通道检测X方向声波信号，第二电容与第三电容的和与第一电容与第四电容的和之差作为Y通道检测Y方向声波信号；

所述下电极呈中心对称分布，所述支撑体下底面的中心与所述基底上四个下电极组成图形的中心重合。

2.根据权利要求1所述的可抑制振动干扰的电容式MEMS矢量声波传感器，其特征在于，所述电容式MEMS矢量声波传感器设置于封装体内，所述封装体包括透声壳体和固定夹具，所述固定夹具用于将电容式MEMS矢量声波传感器固定在透声壳体上，所述固定夹具包括托台和支架，所述托台和支架之间填充有与声场声阻抗差别大的介质。

3.根据权利要求1所述的可抑制振动干扰的电容式MEMS矢量声波传感器，其特征在于，所述基底和敏感结构通过金硅键合固定。

4.一种权利要求1-3任一项所述的可抑制振动干扰的电容式MEMS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片的器件层表面向下刻蚀孔，使孔的底部为SOI片的衬底层；

S03：在SOI片器件层表面淀积一层金属并图形化，使金属与衬底层之间形成欧姆接触；

S04：选择性刻蚀SOI片衬底层和SOI片的氧化层释放支撑体，并减小支撑体的厚度；

S05：在氧化硅片表面淀积金并图形化得到下电极、金硅键合的图形以及焊盘，将SOI片与氧化硅片进行键合；

S06：选择性刻蚀SOI片器件层得到连接梁，同时将与下电极相连接的焊盘裸露，将敏感纤毛固定于支撑体。

5.根据权利要求4所述的可抑制振动干扰的电容式MEMS矢量声波传感器的加工方法，其特征在于，所述步骤S02中刻蚀孔的方法包括：先用BOE或HF溶液腐蚀SOI片器件层表面的二氧化硅，再用KOH或TMAH溶液腐蚀器件层，最后用BOE或HF溶液腐蚀SOI片的氧化层，使孔的底部为SOI片的衬底层。

6.根据权利要求4所述的可抑制振动干扰的电容式MEMS矢量声波传感器的加工方法，其特征在于，所述步骤S04中以二氧化硅作为掩膜刻蚀支撑体下表面以减小其厚度。

7.根据权利要求6所述的可抑制振动干扰的电容式MEMS矢量声波传感器的加工方法，其特征在于，所述步骤S06之后还包括：

划片得到电容式MEMS矢量声波传感器，将矢量声波传感器芯片粘贴到PCB板上，用金丝键合的方法将矢量声波传感器芯片上的焊盘与PCB板上的焊盘连接。