CN113636523B - 一种用于热线式声质点振速传感器的灵敏度增强装置 - Google Patents
一种用于热线式声质点振速传感器的灵敏度增强装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种用于热线式声质点振速传感器的灵敏度增强装置，包括：MEMS芯片(1)、PCB板(2)和声学共振腔体(3)；声学共振腔体(3)的中部开设第一矩形孔，且其内部为中空结构；声学共振腔体(3)之上设置PCB板(2)；PCB板(2)之上设置MEMS芯片(1)，且MEMS芯片(1)的中部刻蚀第三矩形孔，其中部设有经过选择性腐蚀的两根热线(4)，两根悬空的热线(4)分别与位于MEMS芯片(1)的顶部设置的正面金属电极(5)和底部设置的背面金属电极对应相连，同时正面金属电极(5)和背面金属电极上分别布设引线，并通过引线将MEMS芯片(1)与PCB板(2)相连接。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体地说，涉及一种用于热线式声质点振速传感器的灵敏度增强装置。
背景技术
热线式声质点振速传感器是一种新型的声学传感器，其能够直接测量声质点振速量，作为目前唯一能够测量声质点振速的传感器，其具有很广泛的应用前景，能够补充声学研究并发现一些新的声学现象和应用。
热线式声质点振速传感器是利用声波对热场的扰动来进行传感。该传感器通常包括两根间距约为100微米的细长铂丝，两根铂丝相互平行、悬空且截面尺寸为亚微米级别，而长度一般在1000微米。对铂丝通以恒定电压使其加热至数百摄氏度后，两根铂丝将通过热对流加热周围的空气。由于间距很小，两根铂丝会通过空气间隙产生热耦合。当结构未受到任何扰动时，两根铂丝周围温度场处于稳态，等温线轮廓相互对称；当结构受到空气流动的扰动时，热场温度分布将在空气流动方向上发生变化，两根铂丝将会通过空气间隙发生热量传递(受迫对流)，从而引起两根铂丝之间的温度差异。当空气流动激励来回震荡时，温度分布轮廓也会来回震荡，铂丝的温度差亦会如此。
MEMS的英文全称为Micro-Electro-Mechanical System，中文名称为微机电系统，是指尺寸在几毫米甚至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。MEMS技术因具有微型化、智能化、高度集成化和可批量生产的优点，已广泛应用于电子、医学、工业、汽车和航空航天系统等领域。
现有的热线式声质点振速传感器相比传统声压传感器的优势在于可以测量声信号大小的同时得到声质点振速方向，属于矢量传感器；但是，现有的热线式声质点振速传感器存在灵敏度较低的技术问题，其用来增强灵敏度的装置结构复杂，且制作复杂，对制作的精度要求高。
发明内容
为解决现有技术存在上述缺陷，本发明提出了一种用于热线式声质点振速传感器的MEMS芯片，通过控制声学共振腔体的开口处的截面积和声学共振腔体的容积，结构简单，制作容易，易操作，大大提高热线处的声质点振速增益，从而提升热线式声质点振速传感器的灵敏度。
本发明提供的一种用于热线式声质点振速传感器的灵敏度增强装置，该装置包括：MEMS芯片、PCB板和声学共振腔体；
声学共振腔体的中部开设第一矩形孔，且其内部为中空结构；声学共振腔体之上设置PCB板，且该PCB板的中部开设第二矩形孔；PCB板之上设置MEMS芯片，且MEMS芯片的中部刻蚀第三矩形孔，第三矩形孔的中部设有两根悬空的热线，两根悬空的热线分别与位于MEMS芯片的顶部设置的正面金属电极和底部设置的背面金属电极对应相连，同时正面金属电极和背面金属电极上分别布设引线，并通过引线将MEMS芯片与PCB板相连接。
作为上述技术方案的改进之一，所述中空结构的横截面呈凸字形结构；
所述凸字形中空结构包括：第一矩形腔体和第二矩形腔体，二者均为矩形结构；
第一矩形腔体位于第二矩形腔体之上，且第一矩形腔体的外形结构小于第二矩形腔体的外形结构。
作为上述技术方案的改进之一，所述灵敏度增强装置的工作频带的中心频率为3.6-7.6kHz。
作为上述技术方案的改进之一，所述第一矩形腔体的长为1.8-2.2mm；宽为0.8-1.2mm；高为2.3-2.7mm；第二矩形腔体的长为4.8-5.2mm；宽为4.8-5.2mm；高为2.8-3.2mm。
作为上述技术方案的改进之一，所述两根悬空的热线均采用氧化硅和铂制成；热线的长为0.8-1.2mm，热线的宽为1.8-2.2um。
作为上述技术方案的改进之一，所述MEMS芯片的底部设有导电胶，通过导电胶将MEMS芯片固定在PCB板上。
作为上述技术方案的改进之一，所述MEMS芯片的顶部的两侧设有正面金属电极，MEMS芯片的底部的两侧设有背面金属电极，两根悬空的热线中的一根热线连接正面金属电极，并通过引线将正面金属电极与PCB板上设置的第一电极相连接；两根热线中的另外一根热线连接背面金属电极，并通过引线将背面金属电极与PCB板上设置的第二电极相连接。
作为上述技术方案的改进之一，所述第三矩形孔、第二矩形孔、第一矩形孔和中空结构共同形成了一个声波传播通道，将外界声波直接传播到达声强共振腔体内。
第一矩形孔的长为1.8-2.2mm；第一矩形孔的宽为0.8-1.2mm；第二矩形孔的长为1.8-2.2mm；第二矩形孔的宽为0.8-1.2mm；第三矩形孔的长为1.8-2.2mm；第三矩形孔的宽为0.8-1.2mm。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明的装置的热线排列方向与声质点振速方向相同，均垂直于MEMS芯片，使其能够通过两根热线的温度差异感知该位置的声质点振速，通过控制声学共振腔体的开口处的截面积和声学共振腔体的容积，提高热线处的声质点振速增益，从而能够提高热线式声质点振速传感器的灵敏度，不影响其方向性；所感知的声质点振速是垂直于声学共振腔体的腔口方向，具有明确的方向性。
附图说明
图1是本发明的一种用于热线式声质点振速传感器的灵敏度增强装置的结构示意图；
图2是图1的本发明的一种用于热线式声质点振速传感器的灵敏度增强装置的侧视图；
图3是本发明的一种用于热线式声质点振速传感器的灵敏度增强装置的采用comsol仿真的声学共振腔体的声质点振速场分布示意图。
附图标记：
1、MEMS芯片 2、PCB板
3、声学共振腔体 4、热线
5、金属电极 6、第一电极
7、第二电极 8、第一矩形腔体
9、第二矩形腔体
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1和2所示，本发明提供了一种用于热线式声质点振速传感器的灵敏度增强装置，提高声质点振速传感器的灵敏度，并且不影响声质点振速方向的感知；
该装置包括：MEMS芯片1、PCB板2(Printed circuit boards，印刷电路板)和声学共振腔体3；
声学共振腔体3的中部开设第一矩形孔，且其内部为中空结构；声学共振腔体3之上设置PCB板，且该PCB板的中部开设第二矩形孔；PCB板之上设置MEMS芯片，且MEMS芯片的中部刻蚀第三矩形孔，第三矩形孔的中部设有经过选择性腐蚀的两根悬空的热线4，两根悬空的热线4分别位于MEMS芯片1的顶部和底部，使其在垂直方向上形成的平面垂直于MEMS芯片1所在的水平面，两根悬空的热线4分别与位于MEMS芯片1的顶部设置的正面金属电极5和底部设置的背面金属电极对应相连，同时正面金属电极5和背面金属电极上分别布设引线，并通过引线将MEMS芯片1与PCB板2相连接；其中，第一矩形孔、第二矩形孔和第三矩形孔是重合的，即第一矩形孔之上重叠第二矩形孔，第二矩形孔之上重叠第三矩形孔。
所述中空结构的横截面呈凸字形结构，且该凸字形结构的顶部与第三矩形孔重合。
声学共振腔体3内的凸字形中空结构包括：第一矩形腔体8和第二矩形腔体9，二者均为矩形结构；其中，第一矩形腔体8位于第二矩形腔体9之上，且第一矩形腔体8的外形结构小于第二矩形腔体9的外形结构。
第一矩形腔体8的长为2mm；宽为1mm；高为2.5mm；第二矩形腔体9的长为5mm；宽为5mm；高为3mm；此时，增强装置的工作频带的中心频率为5.6kHz，工作频率带宽可以通过为腔体添加阻尼来拓宽，典型带宽为2kHz；
其中，第一矩形腔体8和第二矩形腔体9的长、宽、高的尺寸可根据增强装置的工作频带的中心频率的需要进行调整。
该增强装置的工作频带的中心频率f计算公式为：
其中：v是声速；A是声学共振腔体3的腔体结构的开口截面积；Leq是声学共振腔体3的腔体结构的从开口到腔体底部的高度，如图2所示；V0是声学共振腔体3的腔体结构的容积；
因此，腔体结构的开口截面积越小，腔体结构的高度越大，并且腔体结构的容积越大，那么腔体结构工作频带的中心频率f越低。
根据上述计算公式可知，该增强装置的工作频带的中心频率限定在3.6-7.6kHz频段范围内，实现声质点振速增益的提高。声学共振腔体3的腔体内的容积、腔体开口(即第一矩形孔)的大小及其形状与声质点振速增益的工作频段等声学性能相关，并且从加工工艺方面考虑，长方体的腔体便于加工。因此，在本实施例中，采用长方体的腔体结构。
腔体结构的原理来自亥姆霍兹共振器。腔体结构带来的声质点振速增益是由亥姆霍兹共振器在共振时开口处气体流速增加产生的。产生共振时，腔内气体体积剧烈变化，由于声学共振腔体3的开口截面积远小于整个声学共振腔体3的截面积，因此，腔内的气体体积变化会导致在开口处气体的快速流动，从而产生声质点振速的增益。开口面积过大，增益不明显；开口面积过小，开口处粘滞损耗大，导致增益下降。因此，开口面积需要合适的选择，经过多次试验，可以得到声学共振腔体3的开口处的长为1.8-2.2mm；宽为0.8-1.2mm；对应的截面积为1.44-2.64mm2。因此，第一矩形孔的长为1.8-2.2mm；宽为0.8-1.2mm；对应的截面积为1.44-2.64mm2。
声学共振腔体3与PCB板2的外形结构一样。
两根悬空的热线4均采用氧化硅和铂制成。热线长为1mm，热线宽为2um，厚度是由200nm氮化硅以及100um铂金属组成，热线的厚度为200nm+100um。
所述第一矩形孔、第二矩形孔和第三矩形孔均为长宽比为2:1的矩形孔。由于声学共振腔体3的开口(即第一矩形孔)与第二矩形孔、第三矩形孔均是重合的，因此，第二矩形孔的长为1.8-2.2mm；第二矩形孔的宽为0.8-1.2mm；第三矩形孔的长为1.8-2.2mm；第三矩形孔的宽为0.8-1.2mm。
在本实施例中，所述MEMS芯片1的底部设有导电胶，通过导电胶将MEMS芯片1固定在PCB板2上，
MEMS芯片1的顶部的第三矩形孔的两侧设有正面金属电极5，MEMS芯片1的底部的第三矩形孔的两侧设有背面金属电极，两根悬空的热线4中的一根热线4连接正面金属电极5，并通过引线将正面金属电极5与PCB板2上设置的第一电极6相连接；两根热线中的另外一根热线4连接背面金属电极，并通过引线将背面金属电极与PCB板上设置的第二电极7相连接，用于将电信号引入PCB板2并将其进行放大处理，获得放大后的信号。其中，如图1所示，两个第一电极6紧挨着MEMS芯片，两个第二电极7远离MEMS芯片。
根据热线感知声质点振速的原理，当两根热线4通电后，其保持一定的温度，周边声信号会导致两根热线4的温度产生变化，从而产生电信号的变化。将热线4产生的电信号引入PCB板，并在PCB板中进行调理放大，即可获得所需的声质点振速信号，将该信号作为传感器的输出信号，该信号即反映声场的变化。从微观上说是声质点振速信号，从宏观上可以说是声信号。
第三矩形孔、第二矩形孔、第一矩形孔和中空结构共同形成了一个声波传播通道，能够将外界声波直接传播到达声强共振腔体内，实现声强共振。
其中，两根热线4在垂直方向形成的平面垂直于MEMS芯片1在水平方向形成的平面，且与声波传播通道平行，其目的是热线排列方向与质点振速方向相同，均垂直于MEMS芯片，使其能够通过两根热线4的温度差异感知该位置的声质点振速。
如图3所示，从仿真结果可以看出，由于腔体结构的调制作用，热线所处的第三矩形孔的开口位置获得了很大的质点振速增益，质点振速方向是与声波传播通道方向相同；其中，图3的中部的质点振速最大，颜色越深，越往四周扩散，则质点振速越小，颜色越浅；其中，图3的中部最大的箭头所指的方向为质点振速方向，其与声波传播通道方向相同。
腔体结构紧贴在PCB板下方，实现导通，热线受热产生电信号，并通过PCB板进行放大，输出放大后的声信号，放大后的声信号经过声传播通道传播经过腔体开口处，获得放大倍数后的质点振速增益，进而提高灵敏度。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种用于热线式声质点振速传感器的灵敏度增强装置，其特征在于，该装置包括：MEMS芯片（1）、PCB板（2）和声学共振腔体（3）；
声学共振腔体（3）的中部开设第一矩形孔，且其内部为中空结构；声学共振腔体（3）之上设置PCB板（2），且该PCB板（2）的中部开设第二矩形孔；PCB板（2）之上设置MEMS芯片（1），且MEMS芯片（1）的中部刻蚀第三矩形孔，第三矩形孔的中部设有两根悬空的热线（4），两根悬空的热线（4）分别与位于MEMS芯片（1）的顶部设置的正面金属电极（5）和底部设置的背面金属电极对应相连，正面金属电极（5）和背面金属电极上分别布设引线，并通过引线将MEMS芯片（1）与PCB板（2）相连接；
所述中空结构的横截面呈凸字形结构；
所述凸字形中空结构包括：第一矩形腔体（8）和第二矩形腔体（9），二者均为矩形结构；
第一矩形腔体（8）位于第二矩形腔体（9）之上，且第一矩形腔体（8）的外形结构小于第二矩形腔体（9）的外形结构；
所述第一矩形腔体（8）的长为1.8-2.2mm；宽为0.8-1.2mm；高为2.3-2.7mm；第二矩形腔体（9）的长为4.8-5.2mm；宽为4.8-5.2mm ；高为2.8-3.2mm；
所述MEMS芯片（1）的顶部的两侧设有正面金属电极（5），MEMS芯片（1）的底部的两侧设有背面金属电极，两根悬空的热线（4）中的一根热线连接正面金属电极（5），并通过引线将正面金属电极（5）与PCB板（2）上设置的第一电极（6）相连接；两根热线中的另外一根热线（4）连接背面金属电极，并通过引线将背面金属电极与PCB板（2）上设置的第二电极（7）相连接；
所述第三矩形孔、第二矩形孔、第一矩形孔和中空结构共同形成了一个声波传播通道，将外界声波直接传播到达声强共振腔体内；
第一矩形孔的长为1.8-2.2mm；第一矩形孔的宽为0.8-1.2mm；第二矩形孔的长为1.8-2.2mm；第二矩形孔的宽为0.8-1.2mm；第三矩形孔的长为1.8-2.2mm；第三矩形孔的宽为0.8-1.2mm。
2.根据权利要求1所述的用于热线式声质点振速传感器的灵敏度增强装置，其特征在于，所述灵敏度增强装置的工作频带的中心频率为3.6-7.6kHz。
3.根据权利要求1所述的用于热线式声质点振速传感器的灵敏度增强装置，其特征在于，所述两根悬空的热线（4）均采用氧化硅和铂制成；热线（4）的长为0.8-1.2mm，热线（4）的宽为1.8-2.2um。
4.根据权利要求1所述的用于热线式声质点振速传感器的灵敏度增强装置，其特征在于，所述MEMS芯片（1）的底部设有导电胶，通过导电胶将MEMS芯片（1）固定在PCB板（2）上。
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2020
- 2020-04-27 CN CN202010344107.3A patent/CN113636523B/zh active Active
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