CN113432706A - 一种片上集成的声矢量梯度传感器芯片及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种片上集成的声矢量梯度传感器芯片及其实现方法。本发明包括衬底、第一和第二敏感区域、第一和第二一维热线式声矢量传感器和电极，在第一和第二敏感区域分别设置敏感方向位于同一条直线上的第一和第二一维热线式声矢量传感器；本发明仅需要一块传感芯片即能同时测量声粒子振速及其梯度；水声和空气声中均能够使用；尺寸小，在狭窄空间和高频应用中具有明显的优势；能够实现仅一次差分信号处理就得到矢量梯度信号，降低了信号处理电路的复杂度和噪声；能够减小装配误差带来的矢量传感器声中心连线方向与梯度测量方向的偏差。

Description

一种片上集成的声矢量梯度传感器芯片及其实现方法

技术领域

本发明涉及声矢量梯度传感技术，具体涉及一种片上集成的声矢量梯度传感器芯片及其实现方法。

背景技术

声矢量梯度传感器具有比一般声学传感器更高的指向性，在声源定位、目标跟踪、噪声消除等领域具有重要意义。常见的声学传感器一般有两类：1)声压传感器(如麦克风、水听器等)，其通过测量声压来感知声场。由于声压是标量信息，所以单个声压传感器一般不具有指向性。通常需要将多个声压传感器组合成阵列，从而实现指向性测量。2)声矢量传感器(如Microflown、矢量水听器等)，其通过测量声场中介质粒子位移、振速、加速度等矢量信息来感知声场，所以单个声矢量传感器便可实现指向性测量。在实现相同的指向性的情况下，基于声矢量传感器的阵列比声压传感器更紧凑。通过使用更高指向性的传感器替换原有的传感器单元，可以进一步提高声传感器阵列的指向性，获得超指向性特征。

声粒子振速传感器是常见的一种声矢量传感器，它可以测量声粒子振速这一一阶声场信息，其具有“8”字形(一阶)指向性。基于微电子机械系统(MEMS)技术的热线式声粒子振速传感器，具有体积小、可以直接测量声粒子振速、低频性能良好等特点。声矢量梯度传感器可以测得声粒子振速梯度等二阶声场信息，因此具有比声粒子振速传感器更高的指向性，从而可以实现超指向性。

目前已有的声矢量梯度传感器具有以下四个问题：

(1)基于同振式矢量水听器的声矢量梯度传感器，其在空气中的使用受到了极大的限制；

(2)基于MEMS热线式声粒子振速传感器探头的声矢量梯度传感器，其探头之间的间距受到封装尺寸的限制，导致其在狭窄空间和较高工作频率下的使用受到限制；

(3)基于MEMS热线式声粒子振速传感器探头的声矢量梯度传感器，在信号处理时，至少需要两次差分才能得到矢量梯度，因此信号处理电路相对复杂，且容易将噪声进行多次放大；

(4)基于声矢量传感器探头组装的声矢量梯度传感器，由于装配误差，(可能导致梯度测量方向的两个声矢量传感器的声中心连线方向与测量方向存在一定的夹角)，导致梯度测量不准确。

发明内容

为了解决现有技术的以上问题，本发明提出了一种片上集成的声矢量梯度传感器芯片及其实现方法，将两个一维MEMS热线式声矢量传感器集成到一块芯片上，形成声矢量梯度传感器芯片。

本发明的一个目的在于提出一种片上集成的声矢量梯度传感器芯片。

本发明的片上集成的声矢量梯度传感器芯片包括：衬底、第一和第二敏感区域、第一和第二一维热线式声矢量传感器和电极；其中，对衬底进行镂空或挖槽处理，分别形成第一和第二敏感区域；第一敏感区域与第二敏感区域的边界之间的距离大于热场耦合的距离，使得第一与二敏感区域之间不发生热场耦合；分别在第一和第二敏感区域上设置第一和第二一维热线式声矢量传感器；第一和第二一维热线式声矢量传感器完全相同，包括互相平行的至少两根加热测温梁，或者包括至少两根测温梁和一根加热梁，或者包括一根测温梁和一根加热梁；一维热线式声矢量传感器的敏感方向与加热测温梁或测温梁的方向垂直，第一一维热线式声矢量传感器和第二一维热线式声矢量传感器的中心位于同一条直线上，敏感方向位于同一条直线上；与每一根加热测温梁相对应，或者与每一根测温梁和加热梁相对应，在衬底上设置多个电极，每一根加热测温梁通过相应的电极连接至外部的信号处理电路的一个通道，或者测温梁通过相应的电极连接至外部的信号处理电路的一个通道以及每一根加热梁通过相应的电极连接至外部的加热电路；

包括至少两根加热测温梁：测量时，通过外部的信号处理电路对加热测温梁施加电流，对所处的第一和第二敏感区域加热，使得温度位于一维热线式声矢量传感器的工作温度；当声音信号从一个方向传输至第一敏感区域时，空气流动使得第一敏感区域内沿着声音信号的方向温度逐渐升高，在第一敏感区域内产生温度差，温度差与声粒子的振速成正比，从而将声音信号转变成温度信号；第一一维热线式声矢量传感器的两个加热测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第一一维热线式声矢量传感器两个加热测温梁通过各自的电极分别将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过一次差分信号处理得到第一敏感区域内的声粒子振速v₁；同理，当声音信号从一个方向传输至第二敏感区域时，空气流动使得第二敏感区域内沿着声音信号的方向温度逐渐升高，在第二敏感区域内产生温度差，温度差与声粒子的振速成正比，从而将声音信号转变成温度信号；第二一维热线式声矢量传感器的两个加热测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第二一维热线式声矢量传感器两个加热测温梁通过各自的电极分别将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过一次差分信号处理得到第二敏感区域内的声粒子振速v₂；信号处理电路对第一敏感区域内的声粒子振速v₁与第二敏感区域内的声粒子振速v₂进行差分处理，得到整个声矢量梯度传感器芯片区域内的声粒子振速梯度；

包括至少两根测温梁：测量时，通过外部的加热电路对加热梁施加电流，对所处的第一和第二敏感区域加热，使得温度位于一维热线式声矢量传感器的工作温度；当声音信号从一个方向传输至第一敏感区域时，空气流动使得第一敏感区域内沿着声音信号的方向温度逐渐升高，在第一敏感区域内产生温度差，温度差与声粒子的振速成正比，从而将声音信号转变成温度信号；第一一维热线式声矢量传感器的两个测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第一一维热线式声矢量传感器两个测温梁通过各自的电极分别将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过一次差分信号处理得到第一敏感区域内的声粒子振速v₁；同理，当声音信号从一个方向传输至第二敏感区域时，空气流动使得第二敏感区域内沿着声音信号的方向温度逐渐升高，在第二敏感区域内产生温度差，温度差与声粒子的振速成正比，从而将声音信号转变成温度信号；第二一维热线式声矢量传感器的两个测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第二一维热线式声矢量传感器两个测温梁通过各自的电极分别将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过一次差分信号处理得到第二敏感区域内的声粒子振速v₂；信号处理电路对第一敏感区域内的声粒子振速v₁与第二敏感区域内的声粒子振速v₂进行差分处理，得到整个声矢量梯度传感器芯片区域内的声粒子振速梯度；

包括一根测温梁：测量时，通过外部的加热电路对加热梁施加电流，对所处的第一和第二敏感区域加热，使得温度位于一维热线式声矢量传感器的工作温度；当声音信号从一个方向传输至第一敏感区域时，声粒子在第一敏感区域中的振动，使得测温梁周围的温度发生改变，从而将声音信号转变成温度信号；第一一维热线式声矢量传感器的测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第一一维热线式声矢量传感器的测温梁通过相应的电极将电阻信号传输至信号处理电路，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过温度的变化得到第一敏感区域内的声粒子振速v₁；同理，当声音信号从一个方向传输至第二敏感区域时，声粒子在第二敏感区域中的振动，使得测温梁周围的温度发生改变，从而将声音信号转变成温度信号；第二一维热线式声矢量传感器的测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第二一维热线式声矢量传感器的测温梁通过相应的电极将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过温度的变化得到第二敏感区域内的声粒子振速v₂；信号处理电路对第一敏感区域内的声粒子振速v₁与第二敏感区域内的声粒子振速v₂进行差分处理，得到整个芯片区域内的声粒子振速梯度。

加热测温梁或者测温梁和加热梁统称为敏感梁。在加热测温梁或者测温梁上设置有热敏电阻。

第一与第二敏感区域的边界之间的距离小于5mm，使得不发生热场耦合且利于集成。

进一步，还包括分割区域，对衬底位于第一敏感区域与第二敏感区域之间的部分进行镂空或挖槽处理，形成分割区域，降低第一与第二一维热线式声矢量传感器之间的热场耦合。

声传播介质粒子的振动范围通常在参考声压级94dB内最大0.1mm，在大声压级下可达到10mm。为了在介质粒子的振动范围内没有衬底阻挡，一维热线式声矢量传感器至敏感区域的内边缘的距离大于10倍介质粒子的最大振动范围。

本发明的另一个目的在于提出一种片上集成的声矢量梯度传感器芯片的实现方法。

本发明的片上集成的声矢量梯度传感器芯片的实现方法，第一和第二一维热线式声矢量传感器采用至少两根加热测温梁，或者至少两根测温梁，或者一根测温梁，包括以下步骤：

一.采用至少两根加热测温梁

1)通过外部的信号处理电路对加热测温梁施加电流，对所处的第一和第二敏感区域加热，使得温度位于一维热线式声矢量传感器的工作温度；

2)当声音信号从一个方向传输至第一敏感区域时，空气流动使得第一敏感区域内沿着声音信号的方向温度逐渐升高，在第一敏感区域内产生温度差，温度差与声粒子的振速成正比，从而将声音信号转变成温度信号；第一一维热线式声矢量传感器的两个加热测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第一一维热线式声矢量传感器两个加热测温梁通过各自的电极分别将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过一次差分信号处理得到第一敏感区域内的声粒子振速v₁；

3)同理，当声音信号从一个方向传输至第二敏感区域时，空气流动使得第二敏感区域内沿着声音信号的方向温度逐渐升高，在第二敏感区域内产生温度差，温度差与声粒子的振速成正比，从而将声音信号转变成温度信号；第二一维热线式声矢量传感器的两个加热测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第二一维热线式声矢量传感器两个加热测温梁通过各自的电极分别将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过一次差分信号处理得到第二敏感区域内的声粒子振速v₂；

4)信号处理电路对第一敏感区域内的声粒子振速v₁与第二敏感区域内的声粒子振速v₂进行差分处理，得到整个声矢量梯度传感器芯片区域内的声粒子振速梯度；

二.采用至少两根测温梁

1)通过外部的加热电路对加热梁施加电流，对所处的第一和第二敏感区域加热，使得温度位于一维热线式声矢量传感器的工作温度；

2)当声音信号从一个方向传输至第一敏感区域时，空气流动使得第一敏感区域内沿着声音信号的方向温度逐渐升高，在第一敏感区域内产生温度差，温度差与声粒子的振速成正比，从而将声音信号转变成温度信号；第一一维热线式声矢量传感器的两个测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第一一维热线式声矢量传感器两个测温梁通过各自的电极分别将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过一次差分信号处理得到第一敏感区域内的声粒子振速v₁；

3)同理，当声音信号从一个方向传输至第二敏感区域时，空气流动使得第二敏感区域内沿着声音信号的方向温度逐渐升高，在第二敏感区域内产生温度差，温度差与声粒子的振速成正比，从而将声音信号转变成温度信号；第二一维热线式声矢量传感器的两个测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第二一维热线式声矢量传感器两个测温梁通过各自的电极分别将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过一次差分信号处理得到第二敏感区域内的声粒子振速v₂；

4)信号处理电路对第一敏感区域内的声粒子振速v₁与第二敏感区域内的声粒子振速v₂进行差分处理，得到整个声矢量梯度传感器芯片区域内的声粒子振速梯度；

三.采用一根测温梁

1)通过外部的加热电路对加热梁施加电流，对所处的第一和第二敏感区域加热，使得温度位于一维热线式声矢量传感器的工作温度；

2)当声音信号从一个方向传输至第一敏感区域时，声粒子在第一敏感区域中的振动，使得测温梁周围的温度发生改变，从而将声音信号转变成温度信号；第一一维热线式声矢量传感器的测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第一一维热线式声矢量传感器的测温梁通过相应的电极将电阻信号传输至信号处理电路，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过温度的变化得到第一敏感区域内的声粒子振速v₁；

3)同理，当声音信号从一个方向传输至第二敏感区域时，声粒子在第二敏感区域中的振动，使得测温梁周围的温度发生改变，从而将声音信号转变成温度信号；第二一维热线式声矢量传感器的测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第二一维热线式声矢量传感器的测温梁通过相应的电极将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过温度的变化得到第二敏感区域内的声粒子振速v₂；

4)信号处理电路对第一敏感区域内的声粒子振速v₁与第二敏感区域内的声粒子振速v₂进行差分处理，得到整个声矢量梯度传感器芯片区域内的声粒子振速梯度。

本发明的优点：

本发明仅需要一块传感芯片即能同时测量声粒子振速及其梯度；水声和空气声中均能够使用；尺寸小，在狭窄空间和高频应用中具有明显的优势；能够实现仅一次差分信号处理就得到矢量梯度信号，降低了信号处理电路的复杂度和噪声；能够减小装配误差带来的矢量传感器声中心连线方向与梯度测量方向的偏差。

附图说明

图1为本发明的片上集成的声矢量梯度传感器芯片的实施例一的示意图；

图2为本发明的片上集成的声矢量梯度传感器芯片的实施例二的示意图；

图3为本发明的片上集成的声矢量梯度传感器芯片的实施例三的示意图；

图4为本发明的片上集成的声矢量梯度传感器芯片的实施例一和实施例二的矢量梯度信号处理的示意图；

图5为本发明的片上集成的声矢量梯度传感器芯片的实施例三的矢量梯度信号处理的示意图。

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。

实施例一

如图1所示，本实施例的第一和第二一维热线式声矢量传感器采用两根测温梁，本实施的片上集成的声矢量梯度传感器芯片包括：衬底1、第一敏感区域21、第二敏感区域22、第一一维热线式声矢量传感器31、第二一维热线式声矢量传感器32和电极4；其中，对衬底进行镂空或挖槽处理，分别形成第一和第二敏感区域；第一敏感区域与第二敏感区域的边界之间的距离大于热场耦合的距离，使得第一与二敏感区域之间不发生热场耦合；分别在第一和第二敏感区域上设置第一和第二一维热线式声矢量传感器；第一和第二一维热线式声矢量传感器完全相同，包括互相平行的两根测温梁和一根加热梁；一维热线式声矢量传感器的敏感方向与测温梁的方向垂直，第一一维热线式声矢量传感器和第二一维热线式声矢量传感器的中心位于同一条直线上，敏感方向位于同一条直线上；与每一根测温梁和加热梁相对应，在衬底上设置多个电极，每一根测温梁通过相应的电极连接至外部的信号处理电路的一个通道，每一根加热梁通过相应的电极连接至外部的加热电路；

本实施中，第一与第二敏感区域的边界之间的距离为0.1～5mm，使得不发生热场耦合且利于集成。一维热线式声矢量传感器至敏感区域的内边缘的距离大于10倍介质粒子的最大振动范围。

本实施例的片上集成的声矢量梯度传感器芯片的实现方法，如图4所示，包括以下步骤：

1)通过外部的加热电路对加热梁施加电流，对所处的第一和第二敏感区域加热，使得温度位于一维热线式声矢量传感器的工作温度；第一与第二敏感区域的敏感方向沿x方向；

2)当声音信号从一个方向传输至第一敏感区域时，声信号的传输方向不沿着敏感量的方向即声信号的传输方向与敏感方向不完全垂直，空气流动使得第一敏感区域内沿着声音信号的方向温度逐渐升高，在第一敏感区域内产生温度差，温度差与声粒子的振速成正比，从而将声音信号转变成温度信号；第一一维热线式声矢量传感器的两个测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第一一维热线式声矢量传感器两个测温梁通过各自的电极分别将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过一次差分信号处理得到第一敏感区域内的声粒子振速v₁；

3)同理，当声音信号从一个方向传输至第二敏感区域时，空气流动使得第二敏感区域内沿着声音信号的方向温度逐渐升高，在第二敏感区域内产生温度差，温度差与声粒子的振速成正比，从而将声音信号转变成温度信号；第二一维热线式声矢量传感器的两个测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第二一维热线式声矢量传感器两个测温梁通过各自的电极分别将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过一次差分信号处理得到第二敏感区域内的声粒子振速v₂；

4)信号处理电路对第一敏感区域内的声粒子振速v₁与第二敏感区域内的声粒子振速v₂进行差分处理，得到整个声矢量梯度传感器芯片区域内的

当Δx＜＜λ时，Δx为两个声矢量传感器声中心之间的距离，λ为入射声波的波长；

垂直于图1中的箭头方向的方向，也即沿着敏感梁的方向，为一维热线式声矢量传感器的最不灵敏方向，当声音信号从该方向入射时，理论上两个一维热线式声矢量传感器都将无法测得声粒子振速，因此对于该方向入射的声音信号，声矢量梯度传感器芯片的输出为零，也即该方向为声矢量梯度传感器芯片的最不灵敏方向。

实施例二

在本实施中，还包括分割区域5，对衬底位于第一敏感区域与第二敏感区域之间的部分进行镂空处理，形成分割区域，降低第一与第二一维热线式声矢量传感器之间的热场耦合，其他同实施例一。

实例三

在本实施中，第一与第二一维热线式声矢量传感器包括一根测温梁和一根加热梁，其他同实施例一。

本实施例的片上集成的声矢量梯度传感器芯片的实现方法，如图5所示，包括以下步骤：

1)通过外部的加热电路对加热梁施加电流，对所处的第一和第二敏感区域加热，使得温度位于一维热线式声矢量传感器的工作温度；

2)当声音信号从一个方向传输至第一敏感区域时，声粒子在第一敏感区域中的振动，使得测温梁周围的温度发生改变，从而将声音信号转变成温度信号；第一一维热线式声矢量传感器的测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第一一维热线式声矢量传感器的测温梁通过相应的电极将电阻信号传输至信号处理电路，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过温度的变化得到第一敏感区域内的声粒子振速v₁；

3)同理，当声音信号从一个方向传输至第二敏感区域时，声粒子在第二敏感区域中的振动，使得测温梁周围的温度发生改变，从而将声音信号转变成温度信号；第二一维热线式声矢量传感器的测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第二一维热线式声矢量传感器的测温梁通过相应的电极将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过温度的变化得到第二敏感区域内的声粒子振速v₂；

4)信号处理电路对第一敏感区域内的声粒子振速v₁与第二敏感区域内的声粒子振速v₂进行差分处理，得到整个声矢量梯度传感器芯片区域内的声粒子振速梯度。

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 (5)

1.一种片上集成的声矢量梯度传感器芯片，其特征在于，所述片上集成的声矢量梯度传感器芯片包括：衬底、第一和第二敏感区域、第一和第二一维热线式声矢量传感器和电极；其中，对衬底进行镂空或挖槽处理，分别形成第一和第二敏感区域；第一敏感区域与第二敏感区域的边界之间的距离大于热场耦合的距离，使得第一与二敏感区域之间不发生热场耦合；分别在第一和第二敏感区域上设置第一和第二一维热线式声矢量传感器；第一和第二一维热线式声矢量传感器完全相同，包括互相平行的至少两根加热测温梁，或者包括至少两根测温梁和一根加热梁，或者包括一根测温梁和一根加热梁；一维热线式声矢量传感器的敏感方向与加热测温梁或测温梁的方向垂直，第一一维热线式声矢量传感器和第二一维热线式声矢量传感器的中心位于同一条直线上，敏感方向位于同一条直线上；与每一根加热测温梁相对应，或者与每一根测温梁和加热梁相对应，在衬底上设置多个电极，每一根加热测温梁通过相应的电极连接至外部的信号处理电路的一个通道，或者测温梁通过相应的电极连接至外部的信号处理电路的一个通道以及每一根加热梁通过相应的电极连接至外部的加热电路；

包括至少两根加热测温梁：测量时，通过外部的信号处理电路对加热测温梁施加电流，对所处的第一和第二敏感区域加热，使得温度位于一维热线式声矢量传感器的工作温度；当声音信号从一个方向传输至第一敏感区域时，空气流动使得第一敏感区域内沿着声音信号的方向温度逐渐升高，在第一敏感区域内产生温度差，温度差与声粒子的振速成正比，从而将声音信号转变成温度信号；第一一维热线式声矢量传感器的两个加热测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第一一维热线式声矢量传感器两个加热测温梁通过各自的电极分别将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过一次差分信号处理得到第一敏感区域内的声粒子振速v₁；同理，当声音信号从一个方向传输至第二敏感区域时，空气流动使得第二敏感区域内沿着声音信号的方向温度逐渐升高，在第二敏感区域内产生温度差，温度差与声粒子的振速成正比，从而将声音信号转变成温度信号；第二一维热线式声矢量传感器的两个加热测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第二一维热线式声矢量传感器两个加热测温梁通过各自的电极分别将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过一次差分信号处理得到第二敏感区域内的声粒子振速v₂；信号处理电路对第一敏感区域内的声粒子振速v₁与第二敏感区域内的声粒子振速v₂进行差分处理，得到整个声矢量梯度传感器芯片区域内的声粒子振速梯度；

包括至少两根测温梁：测量时，通过外部的加热电路对加热梁施加电流，对所处的第一和第二敏感区域加热，使得温度位于一维热线式声矢量传感器的工作温度；当声音信号从一个方向传输至第一敏感区域时，空气流动使得第一敏感区域内沿着声音信号的方向温度逐渐升高，在第一敏感区域内产生温度差，温度差与声粒子的振速成正比，从而将声音信号转变成温度信号；第一一维热线式声矢量传感器的两个测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第一一维热线式声矢量传感器两个测温梁通过各自的电极分别将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过一次差分信号处理得到第一敏感区域内的声粒子振速v₁；同理，当声音信号从一个方向传输至第二敏感区域时，空气流动使得第二敏感区域内沿着声音信号的方向温度逐渐升高，在第二敏感区域内产生温度差，温度差与声粒子的振速成正比，从而将声音信号转变成温度信号；第二一维热线式声矢量传感器的两个测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第二一维热线式声矢量传感器两个测温梁通过各自的电极分别将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过一次差分信号处理得到第二敏感区域内的声粒子振速v₂；信号处理电路对第一敏感区域内的声粒子振速v₁与第二敏感区域内的声粒子振速v₂进行差分处理，得到整个声矢量梯度传感器芯片区域内的声粒子振速梯度；

包括一根测温梁：测量时，通过外部的加热电路对加热梁施加电流，对所处的第一和第二敏感区域加热，使得温度位于一维热线式声矢量传感器的工作温度；当声音信号从一个方向传输至第一敏感区域时，声粒子在第一敏感区域中的振动，使得测温梁周围的温度发生改变，从而将声音信号转变成温度信号；第一一维热线式声矢量传感器的测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第一一维热线式声矢量传感器的测温梁通过相应的电极将电阻信号传输至信号处理电路，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过温度的变化得到第一敏感区域内的声粒子振速v₁；同理，当声音信号从一个方向传输至第二敏感区域时，声粒子在第二敏感区域中的振动，使得测温梁周围的温度发生改变，从而将声音信号转变成温度信号；第二一维热线式声矢量传感器的测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第二一维热线式声矢量传感器的测温梁通过相应的电极将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过温度的变化得到第二敏感区域内的声粒子振速v₂；信号处理电路对第一敏感区域内的声粒子振速v₁与第二敏感区域内的声粒子振速v₂进行差分处理，得到整个芯片区域内的声粒子振速梯度。

2.如权利要求1所述的片上集成的声矢量梯度传感器芯片，其特征在于，所述第一与第二敏感区域的边界之间的距离小于5mm，使得不发生热场耦合且利于集成。

3.如权利要求1所述的片上集成的声矢量梯度传感器芯片，其特征在于，还包括分割区域，对衬底位于第一敏感区域与第二敏感区域之间的部分进行镂空或挖槽处理，形成分割区域，降低第一与第二一维热线式声矢量传感器之间的热场耦合。

4.如权利要求1所述的片上集成的声矢量梯度传感器芯片，其特征在于，所述一维热线式声矢量传感器至敏感区域的内边缘的距离大于10倍介质粒子的最大振动范围。

5.一种如权利要求1所述的片上集成的声矢量梯度传感器芯片的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

一.采用至少两根加热测温梁

1)通过外部的信号处理电路对加热测温梁施加电流，对所处的第一和第二敏感区域加热，使得温度位于一维热线式声矢量传感器的工作温度；

2)当声音信号从一个方向传输至第一敏感区域时，空气流动使得第一敏感区域内沿着声音信号的方向温度逐渐升高，在第一敏感区域内产生温度差，温度差与声粒子的振速成正比，从而将声音信号转变成温度信号；第一一维热线式声矢量传感器的两个加热测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第一一维热线式声矢量传感器两个加热测温梁通过各自的电极分别将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过一次差分信号处理得到第一敏感区域内的声粒子振速v₁；

3)同理，当声音信号从一个方向传输至第二敏感区域时，空气流动使得第二敏感区域内沿着声音信号的方向温度逐渐升高，在第二敏感区域内产生温度差，温度差与声粒子的振速成正比，从而将声音信号转变成温度信号；第二一维热线式声矢量传感器的两个加热测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第二一维热线式声矢量传感器两个加热测温梁通过各自的电极分别将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过一次差分信号处理得到第二敏感区域内的声粒子振速v₂；

4)信号处理电路对第一敏感区域内的声粒子振速v₁与第二敏感区域内的声粒子振速v₂进行差分处理，得到整个声矢量梯度传感器芯片区域内的声粒子振速梯度；

二.采用至少两根测温梁

1)通过外部的加热电路对加热梁施加电流，对所处的第一和第二敏感区域加热，使得温度位于一维热线式声矢量传感器的工作温度；

2)当声音信号从一个方向传输至第一敏感区域时，空气流动使得第一敏感区域内沿着声音信号的方向温度逐渐升高，在第一敏感区域内产生温度差，温度差与声粒子的振速成正比，从而将声音信号转变成温度信号；第一一维热线式声矢量传感器的两个测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第一一维热线式声矢量传感器两个测温梁通过各自的电极分别将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过一次差分信号处理得到第一敏感区域内的声粒子振速v₁；

3)同理，当声音信号从一个方向传输至第二敏感区域时，空气流动使得第二敏感区域内沿着声音信号的方向温度逐渐升高，在第二敏感区域内产生温度差，温度差与声粒子的振速成正比，从而将声音信号转变成温度信号；第二一维热线式声矢量传感器的两个测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第二一维热线式声矢量传感器两个测温梁通过各自的电极分别将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过一次差分信号处理得到第二敏感区域内的声粒子振速v₂；

4)信号处理电路对第一敏感区域内的声粒子振速v₁与第二敏感区域内的声粒子振速v₂进行差分处理，得到整个声矢量梯度传感器芯片区域内的声粒子振速梯度；

三.采用一根测温梁

1)通过外部的加热电路对加热梁施加电流，对所处的第一和第二敏感区域加热，使得温度位于一维热线式声矢量传感器的工作温度；

2)当声音信号从一个方向传输至第一敏感区域时，声粒子在第一敏感区域中的振动，使得测温梁周围的温度发生改变，从而将声音信号转变成温度信号；第一一维热线式声矢量传感器的测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第一一维热线式声矢量传感器的测温梁通过相应的电极将电阻信号传输至信号处理电路，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过温度的变化得到第一敏感区域内的声粒子振速v₁；

3)同理，当声音信号从一个方向传输至第二敏感区域时，声粒子在第二敏感区域中的振动，使得测温梁周围的温度发生改变，从而将声音信号转变成温度信号；第二一维热线式声矢量传感器的测温梁通过其上的热敏电阻，将温度信号转变为电阻信号；第二一维热线式声矢量传感器的测温梁通过相应的电极将电阻信号传输至信号处理电路对应的通道，将电阻信号转化为电压信号，信号处理电路通过温度的变化得到第二敏感区域内的声粒子振速v₂；

4)信号处理电路对第一敏感区域内的声粒子振速v₁与第二敏感区域内的声粒子振速v₂进行差分处理，得到整个声矢量梯度传感器芯片区域内的声粒子振速梯度。

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