CN113613150B - 一种mems热式麦克风及其实现方法 - Google Patents

一种mems热式麦克风及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种MEMS热式麦克风及其实现方法。本发明在衬底上形成背腔，将敏感梁置于背腔上，并在背腔上设置上盖板形成驻波管；声波从驻波管的管口进入至驻波管内，声压变化引起敏感梁上的温度发生扰动；同时，声波入在驻波管的管底即背腔的表面反射形成驻波，驻波管的管底是硬声场边界，保证声粒子振速为零，敏感梁处的声压为驻波管的管口入射声压的两倍，因此敏感梁的温度只与入射声压成正比，不会受到声粒子振速的影响，消除谐波失真；本发明的麦克风结构与热式声粒子振速传感器类似，制造工艺相同，能够在同一个芯片上完成声压和声粒子振速的测量。

Description

一种MEMS热式麦克风及其实现方法
技术领域
本发明涉及微电子机械传感技术，具体涉及一种MEMS热式麦克风及其实现方法。
背景技术
声音是介质分子的振动传播，介质的疏密对应声压的变化，介质分子振动的速度对应声粒子振速。声压是标量，可以直接用麦克风测量，而声粒子振速是矢量，目前最有效的探测手段是基于热式原理的。热式声矢量传感器由加热梁和测温梁组成，加热梁提供稳定的热场分布，测温梁感知声粒子振动时对热场的扰动，通过测温梁的温度变化测量声粒子振速。
为了得到完整的声场信息，目前通过将热式声粒子振速传感器与传统微机电系统(MEMS)麦克风组合在同一个探头中，实现声压和振速的测量。这种方案存在以下几点不足：
将两个传感器装配在一起，无法保证声中心共点，测量的声压和振速信号会有相位差；
传统压电式和电容式麦克风，由于制造工艺不同，很难与热式声粒子振速传感器做到单芯片集成。
发明内容
为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种MEMS热式麦克风及其实现方法，本发明的麦克风结构与热式声粒子振速传感器类似，制造工艺相同，能够在同一个芯片上完成声压和振速的测量。
本发明的一个目的在于提出一种MEMS热式麦克风。
本发明的MEMS热式麦克风包括：衬底、敏感梁、电极、背腔、上盖板和测温电路；其中，衬底采用硬质材料；在衬底的上表面开设背腔；敏感梁的两端架设在衬底的上表面的背腔的边缘，敏感梁的敏感区域位于背腔上；在衬底上表面没有开设背腔的部分设置两个电极；敏感梁的两端分别连接一个电极，两个电极连接至外部的测温电路；在衬底上表面的背腔上设置有上盖板，上盖板的内表面与背腔的表面构成驻波管，上盖板采用筒状或罩状；筒状的上盖板为内部中空且没有上底和下底的圆筒形，底端位于衬底的上表面且与衬底的上表面密封连接，顶端作为驻波管的管口，筒状的上盖板的内径不小于背腔上表面的直径，筒状的上盖板的内径d和高度L与测量声波的最高频率fh相关，内径d满足下式：
Figure BDA0003221661360000021
c0为驻波管内的介质的声速；筒状的上盖板的高度L满足下式：
Figure BDA0003221661360000022
罩状的上盖板的一侧位于背腔的外边缘且与衬底的上表面密封连接，顶壁的内表面为平面，位于背腔之上且平行于衬底的上表面，另一侧与衬底的上表面有距离形成开口，作为驻波管的管口，顶壁的内表面与衬底的上表面之间的距离s与测量声波的频带相关，满足下式：
Figure BDA0003221661360000023
通过测温电路将电流经电极加到敏感梁上，电流流过敏感梁产生焦耳热，敏感梁的温度大于200℃，在背腔中形成稳定的温度分布；声波从驻波管的管口进入至驻波管内，声压变化引起敏感梁上的温度发生扰动；同时，声场中不仅有声压的变化，还有声粒子振速的变化，声粒子振速会带走敏感梁上的热量，使敏感梁温度降低，即声粒子振速也会改变敏感梁的温度；当声波入射到上盖板和背腔构成的驻波管中时，在驻波管的管底即背腔的表面反射形成驻波，驻波管的管底是硬声场边界，背腔的深度大于250μm以保证敏感梁的加热温度大于200℃且热量不被衬底直接导走，并且深度上限使得敏感梁位于声粒子振速的第一个波腹点之前，保证声粒子振速对敏感梁温度的扰动趋于零，得到敏感梁距离驻波管的管底的距离即背腔的深度x满足下式：
Figure BDA0003221661360000024
敏感梁处的声压的幅度为驻波管的管口入射声压的幅度的两倍，敏感梁的温度只与入射声压成正比，不会受到声粒子振速的影响，消除谐波失真；测温电路采集敏感梁上的温度信号，并将温度信号转化为电压信号，得到声压的幅度和频率。声波从驻波管的管口进入至驻波管内，声压的变化ΔP引起敏感梁上的温度的扰动ΔT满足下式：
Figure BDA0003221661360000025
其中，Tm和Pm分别为环境温度和大气压力，γ为气体的比热容比，空气的比热容比值常取为1.40。提高敏感梁的加热温度Tm能够增加温度的扰动ΔT，即提高麦克风的灵敏度。
衬底采用硅或玻璃。
上盖板采用硅或不锈钢。
进一步，对于上盖板采用罩状的MEMS热式麦克风，对衬底位于背腔的旁侧部分进行镂空处理，形成流道，流道位于驻波管的管口，在流道中设置热式声粒子振速传感器，从而将上盖板采用罩状的热式声粒子振速传感器与MEMS热式麦克风集成在同一块芯片上，并且热式声粒子振速传感器与MEMS热式麦克风的声中心共点。
本发明的另一个目的在于提出一种MEMS热式麦克风的实现方法。
本发明的MEMS热式麦克风的实现方法，包括以下步骤：
1)装置制备：
a)提供硬质材料的衬底；
b)在衬底的上表面开设背腔；
c)将敏感梁的两端架设在衬底的上表面的背腔的边缘，敏感梁的敏感区域位于背腔上；
d)在衬底上表面没有开设背腔的部分设置两个电极；
e)敏感梁的两端分别连接一个电极，两个电极连接至外部的测温电路；
f)在衬底上表面的背腔上设置有上盖板，上盖板的内表面与背腔的表面构成驻波管，上盖板采用筒状或罩状；筒状的上盖板为内部中空且没有上底和下底的圆筒形，底端位于衬底的上表面且与衬底的上表面密封连接，顶端作为驻波管的管口，筒状的上盖板的内径不小于背腔上表面的直径，筒状的上盖板的内径d和高度L与测量声波的最高频率fh相关，内径d满足下式：
Figure BDA0003221661360000031
c0为介质的声速；筒形的高度L满足下式：
Figure BDA0003221661360000032
罩状的上盖板的一侧位于背腔的外边缘且与衬底的上表面密封连接，顶壁的内表面为平面，且平行于衬底的上表面，另一侧与衬底的上表面有距离形成开口，作为驻波管的管口，顶壁的内表面与衬底的上表面之间的距离s与测量声波的频带相关，满足下式：
Figure BDA0003221661360000033
2)通过测温电路将电流经电极加到敏感梁上，电流流过敏感梁产生焦耳热，在背腔中形成稳定的温度分布；
3)声波从驻波管的管口进入至驻波管内，声压变化引起敏感梁上的温度发生扰动；
4)同时，声场中不仅有声压的变化，还有声粒子振速的变化，声粒子振速会带走敏感梁上的热量，使敏感梁温度降低，即声粒子振速也会改变敏感梁的温度；当声波入射到上盖板和背腔构成的驻波管中时，在驻波管的管底即背腔的表面反射形成驻波，驻波管的管底是硬声场边界，背腔的深度大于250μm保证加热温度能大于200℃且热量不被衬底直接导走，并且深度上限使敏感梁位于声粒子振速的第一个波腹点之前，保证声粒子振速对敏感梁温度的扰动趋于零，得到敏感梁距离驻波管底部的距离即背腔的深度x满足下式：
Figure BDA0003221661360000041
敏感梁处的声压为驻波管的管口入射声压的两倍，敏感梁的温度只与入射声压成正比，不会受到声粒子振速的影响，消除谐波失真；
5)测温电路采集敏感梁上的温度信号，并将温度信号转化为电压信号，得到声压的幅度和频率。
进一步，根据敏感梁处的声压的幅度为驻波管的管口入射声压的幅度的两倍，将敏感梁处的声压的幅度除以二，得到驻波管的管口入射声压的幅度。
本发明的优点：
本发明在衬底上形成背腔，将敏感梁置于背腔上，并在背腔上设置上盖板形成驻波管；声波从驻波管的管口进入至驻波管内，声压变化引起敏感梁上的温度发生扰动；同时，声波入在驻波管的管底即背腔的表面反射形成驻波，驻波管的管底是硬声场边界，保证声粒子振速为零，敏感梁处的声压为驻波管的管口入射声压的两倍，因此敏感梁的温度只与入射声压成正比，不会受到声粒子振速的影响，消除谐波失真；本发明的麦克风结构与热式声粒子振速传感器类似，制造工艺相同，能够在同一个芯片上完成声压和声粒子振速的测量。
附图说明
图1为本发明的MEMS热式麦克风的实施例一的示意图，其中，(a)为剖面图，(b)为俯视图；
图2为本发明的MEMS热式麦克风的实施例二的剖面图；
图3为本发明的上盖板采用罩状的MEMS热式麦克风与热式声粒子振速传感器集成的剖面图。
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，本实施例的上盖板采用筒状，本实施例的MEMS热式麦克风包括：衬底1、敏感梁3、电极5、背腔4、上盖板2和测温电路；其中，衬底采用硬质材料；在衬底的上表面开设背腔；敏感梁的两端架设在衬底的上表面的背腔的边缘，敏感梁的敏感区域位于背腔上；在衬底上表面没有开设背腔的部分设置两个电极；敏感梁的两端分别连接一个电极，两个电极连接至外部的测温电路；在衬底上表面的背腔上设置有上盖板，上盖板的内表面与背腔的表面构成驻波管，；筒状的上盖板为内部中空且没有上底和下底的圆筒形，底端位于衬底的上表面且与衬底的上表面密封连接，顶端作为驻波管的管口，对于最高频率fh＝20kHz且驻波管内的介质为空气时，筒状的上盖板的内径d小于1厘米和高度L小于4.3毫米；敏感梁距离驻波管的管底的距离即背腔的深度x小于4.3毫米。
实施例二，
如图2所示，本实施例的上盖板采用罩状，罩状的上盖板的一侧位于背腔的外边缘且与衬底的上表面密封连接，顶壁的内表面为平面，位于背腔之上且平行于衬底的上表面，另一侧与衬底的上表面有距离形成开口，作为驻波管的管口，顶壁的内表面与衬底的上表面之间的距离s小于8.5毫米。上盖板采用罩状，背腔的底表面以及对着驻波管的管口的侧表面，均构成驻波管的管底，敏感梁距离背腔的底表面以及敏感梁距离背腔的对着驻波管的管口的侧表面的距离均为背腔的深度x，x小于4.3毫米。
如图3所示，对于上盖板采用罩状的MEMS热式麦克风，对衬底位于背腔的旁侧部分进行镂空处理，形成流道，流道位于驻波管的管口，在流道中设置热式声粒子振速传感器，从而将上盖板采用罩状的MEMS热式麦克风与热式声粒子振速传感器7集成在同一块芯片上，并且热式声粒子振速传感器与MEMS热式麦克风的声中心共点。
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 (7)

1.一种MEMS热式麦克风，其特征在于，所述MEMS热式麦克风包括：衬底、敏感梁、电极、背腔、上盖板和测温电路；其中，衬底采用硬质材料；在衬底的上表面开设背腔；敏感梁的两端架设在衬底的上表面的背腔的边缘，敏感梁的敏感区域位于背腔上；在衬底上表面没有开设背腔的部分设置两个电极；敏感梁的两端分别连接一个电极，两个电极连接至外部的测温电路；在衬底上表面的背腔上设置有上盖板，上盖板的内表面与背腔的表面构成驻波管，上盖板采用筒状或罩状；筒状的上盖板为内部中空且没有上底和下底的圆筒形，底端位于衬底的上表面且与衬底的上表面密封连接，顶端作为驻波管的管口，筒状的上盖板的内径不小于背腔上表面的直径，筒状的上盖板的内径d和高度L与测量声波的最高频率fh相关，内径d满足下式：
Figure FDA0003221661350000011
c0为驻波管内的介质的声速；筒状的上盖板的高度L满足下式：
Figure FDA0003221661350000012
罩状的上盖板的一侧位于背腔的外边缘且与衬底的上表面密封连接，顶壁的内表面为平面，位于背腔之上且平行于衬底的上表面，另一侧与衬底的上表面有距离形成开口，作为驻波管的管口，顶壁的内表面与衬底的上表面之间的距离s与测量声波的频带相关，满足下式：
Figure FDA0003221661350000013
通过测温电路将电流经电极加到敏感梁上，电流流过敏感梁产生焦耳热，敏感梁的温度大于200℃，在背腔中形成稳定的温度分布；声波从驻波管的管口进入至驻波管内，声压变化引起敏感梁上的温度发生扰动；同时，声场中不仅有声压的变化，还有声粒子振速的变化，声粒子振速会带走敏感梁上的热量，使敏感梁温度降低，即声粒子振速也会改变敏感梁的温度；当声波入射到上盖板和背腔构成的驻波管中时，在驻波管的管底即背腔的表面反射形成驻波，驻波管的管底是硬声场边界，背腔的深度大于250μm以保证敏感梁的加热温度大于200℃且热量不被衬底直接导走，并且深度上限使得敏感梁位于声粒子振速的第一个波腹点之前，保证声粒子振速对敏感梁温度的扰动趋于零，得到敏感梁距离驻波管的管底的距离即背腔的深度x满足下式：
Figure FDA0003221661350000014
敏感梁处的声压的幅度为驻波管的管口入射声压的幅度的两倍，敏感梁的温度只与入射声压成正比，不会受到声粒子振速的影响，消除谐波失真；测温电路采集敏感梁上的温度信号，并将温度信号转化为电压信号，得到声压的幅度和频率。
2.如权利要求1所述的MEMS热式麦克风，其特征在于，所述衬底采用硅或玻璃。
3.如权利要求1所述的MEMS热式麦克风，其特征在于，所述上盖板采用硅或不锈钢。
4.如权利要求1所述的MEMS热式麦克风，其特征在于，对于上盖板采用罩状的MEMS热式麦克风，对衬底位于背腔的旁侧部分进行镂空处理，形成流道，流道位于驻波管的管口，在流道中设置热式声粒子振速传感器，从而将上盖板采用罩状的热式声粒子振速传感器与MEMS热式麦克风集成在同一块芯片上，并且热式声粒子振速传感器与MEMS热式麦克风的声中心共点。
5.一种如权利要求1所述的MEMS热式麦克风的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：
1)装置制备：
a)提供硬质材料的衬底；
b)在衬底的上表面开设背腔；
c)将敏感梁的两端架设在衬底的上表面的背腔的边缘，敏感梁的敏感区域位于背腔上；
d)在衬底上表面没有开设背腔的部分设置两个电极；
e)敏感梁的两端分别连接一个电极，两个电极连接至外部的测温电路；
f)在衬底上表面的背腔上设置有上盖板，上盖板的内表面与背腔的表面构成驻波管，上盖板采用筒状或罩状；筒状的上盖板为内部中空且没有上底和下底的圆筒形，底端位于衬底的上表面且与衬底的上表面密封连接，顶端作为驻波管的管口，筒状的上盖板的内径不小于背腔上表面的直径，筒状的上盖板的内径d和高度L与测量声波的最高频率fh相关，内径d满足下式：
Figure FDA0003221661350000021
c0为介质的声速；筒形的高度L满足下式：
Figure FDA0003221661350000022
罩状的上盖板的一侧位于背腔的外边缘且与衬底的上表面密封连接，顶壁的内表面为平面，且平行于衬底的上表面，另一侧与衬底的上表面有距离形成开口，作为驻波管的管口，顶壁的内表面与衬底的上表面之间的距离s与测量声波的频带相关，满足下式：
Figure FDA0003221661350000031
2)通过测温电路将电流经电极加到敏感梁上，电流流过敏感梁产生焦耳热，在背腔中形成稳定的温度分布；
3)声波从驻波管的管口进入至驻波管内，声压变化引起敏感梁上的温度发生扰动；
4)同时，声场中不仅有声压的变化，还有声粒子振速的变化，声粒子振速会带走敏感梁上的热量，使敏感梁温度降低，即声粒子振速也会改变敏感梁的温度；当声波入射到上盖板和背腔构成的驻波管中时，在驻波管的管底即背腔的表面反射形成驻波，驻波管的管底是硬声场边界，背腔的深度大于250μm保证加热温度能大于200℃且热量不被衬底直接导走，并且深度上限使敏感梁位于声粒子振速的第一个波腹点之前，保证声粒子振速对敏感梁温度的扰动趋于零，得到敏感梁距离驻波管底部的距离即背腔的深度x满足下式：
Figure FDA0003221661350000032
敏感梁处的声压为驻波管的管口入射声压的两倍，敏感梁的温度只与入射声压成正比，不会受到声粒子振速的影响，消除谐波失真；
5)测温电路采集敏感梁上的温度信号，并将温度信号转化为电压信号，得到声压的幅度和频率。
6.如权利要求5所述的实现方法，其特征在于，进一步，根据敏感梁处的声压的幅度为驻波管的管口入射声压的幅度的两倍，将敏感梁处的声压的幅度除以二，得到驻波管的管口入射声压的幅度。
7.如权利要求5所述的实现方法，其特征在于，声波从驻波管的管口进入至驻波管内，声压的变化ΔP引起敏感梁上的温度的扰动ΔT满足下式：
Figure FDA0003221661350000033
其中，Tm和Pm分别为环境温度和大气压力，γ为气体的比热容比；提高敏感梁的加热温度Tm增加温度的扰动ΔT，从而提高麦克风的灵敏度。
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