CN114422923A - 谐振式mems麦克风、声学成像仪和光声光谱检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振式MEMS麦克风、声学成像仪和光声光谱检测仪，包括绝缘基底；硅谐振器，包括依次相连的谐振器锚点、连接梁、声波接收区和动梳齿，所述谐振器锚点的底部固定在所述绝缘基底上，所述连接梁、声波接收区、动梳齿悬在空中；固定电极，包括电极锚点和定梳齿，所述电极锚点固定在绝缘基底上，定梳齿悬在空中，定梳齿和所述动梳齿互相交错排列。本发明提出的MEMS麦克风采用悬臂梁结构，工作在一阶共振模态，使麦克风只响应共振频率附近特定频段的声波，而降低其他频率范围的噪声，在麦克风的硬件层面实现了自降噪功能；采用变面积式梳齿结构对振动进行检测，在增加电容检测的灵敏度同时，保持了较小的气体阻尼，提高了声波测量的灵敏度。

Description

谐振式MEMS麦克风、声学成像仪和光声光谱检测仪

技术领域

本申请涉及麦克风领域，尤其涉及一种谐振式MEMS麦克风、声学成像仪和光声光谱检测仪。

背景技术

MEMS麦克风由于体积小、功耗低、成本低，广泛应用于消费电子、汽车、安防及智能医疗等领域。一般MEMS麦克风在较宽的频率范围内都具有平坦的响应，但是在一些特定的应用中，希望麦克风只响应特定频段的信号，抑制其他频段噪声或干扰信号的影响。例如在声学成像领域，声学成像仪是一种新型的气体泄漏检测设备，利用麦克风阵列的声源定位技术，检测泄漏产生的声波，可以在远处定位气体泄漏的位置，在实际的工业环境中，环境噪声往往非常嘈杂，这会对麦克风阵列的定位产生干扰，降低信噪比和定位精度，减小可定位距离。又如在光声光谱物质检测领域，通过麦克风对物质激发出的特定频率光声信号进行检测，可实现物质浓度的高精度测量，但环境噪声会对测量结果产生干扰。

目前的MEMS麦克风无法对噪声进行滤波降噪，影响了声学成像仪、光声光谱检测仪等在强噪声环境下的实际使用效果。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种谐振式MEMS麦克风、声学成像仪和光声光谱检测仪，以提升MEMS麦克风在强噪声环境下的信噪比。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种谐振式MEMS麦克风，包括：

绝缘基底；

硅谐振器，所述硅谐振器包括依次相连的谐振器锚点、连接梁、声波接收区和动梳齿，所述谐振器锚点的底部固定在所述绝缘基底上，所述连接梁、声波接收区、动梳齿悬在空中；及

固定电极，包括电极锚点和定梳齿，所述电极锚点固定在绝缘基底上，所述定梳齿悬在空中，所述定梳齿和所述动梳齿互相交错排列。

可选的，所述连接梁和声波接收区均为长方体结构。

可选的，所述动梳齿为一系列薄片状结构，均匀分布在声波接收区的四周。

可选的，所述固定电极具有多个，多个所述固定电极环绕在所述声波接收区的四周。

可选的，还包括第一引线，所述第一引线与所述谐振器锚点相连。

可选的，还包括第二引线，所述第二引线将多个所述固定电极的锚点连接到一起。

可选的，在静止时，所述硅谐振器和所述固定电极的上表面位于同一个平面内，所述连接梁、声波接收区、动梳齿和定梳齿的下表面位于同一个平面内；

当有外部声波输入到所述声波接收区时，所述声波接收区会上下运动，导致动梳齿和定梳齿的重叠面积发生变化，最终导致所述硅谐振器和固定电极之间的电容发生变化。

可选的，静止时，所述声波接收区的下表面与所述绝缘基底上表面的距离不小于200微米。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种声学成像仪，包括第一方面所述的谐振式MEMS麦克风。

根据本申请实施例的第三方面，提供一种光声光谱检测仪，包括第一方面所述的谐振式MEMS麦克风。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请谐振器锚点的底部固定在所述绝缘基底上，所述连接梁、声波接收区、动梳齿悬在空中，所述电极锚点固定在绝缘基底上，所述定梳齿悬在空中，形成悬臂梁结构，工作在一阶共振模态，使麦克风只响应共振频率附近特定频段的声波，而降低其他频率范围的噪声，在麦克风的硬件层面实现了自降噪功能；所述定梳齿和所述动梳齿互相交错排列，采用变面积式梳齿结构对振动进行检测，在增加电容检测的灵敏度同时，保持了较小的气体阻尼，提高了声波测量的灵敏度。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种谐振式MEMS麦克风的立体图。

图2是根据一示例性实施例示出的一种谐振式MEMS麦克风的俯视图。

图3是根据一示例性实施例示出的一种谐振式MEMS麦克风的电容检测原理图（局部结构侧视图）。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如发明内容中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所发明内容中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

图1是根据一示例性实施例示出的一种谐振式MEMS麦克风的立体图。图2是根据一示例性实施例示出的一种谐振式MEMS麦克风的俯视图。参考图1和图2，本发明实施例提供一种谐振式MEMS麦克风，包括：硅谐振器1、固定电极2和绝缘基底3，其中：

所述绝缘基底3的材料可以为玻璃或二氧化硅等绝缘材料。所述绝缘基底3的作用是支撑所述硅谐振器1和固定电极2，并用于溅射电极引线。在完成整个MEMS加工工艺流程后，绝缘基底3会被切割成长方体小块，作为MEMS麦克风的基座。

所述硅谐振器1包括依次相连的谐振器锚点4、连接梁5、声波接收区6和动梳齿7，所述谐振器锚点4的底部固定在所述绝缘基底3上，所述连接梁5、声波接收区6、动梳齿7悬在空中，形成悬臂梁结构。

所述固定电极2包括电极锚点8和定梳齿9，所述电极锚点8固定在绝缘基底3上，所述定梳齿9悬在空中。

所述定梳齿9和所述动梳齿7互相交错排列。

由上述实施例可知，本申请谐振器锚点的底部固定在所述绝缘基底上，所述连接梁、声波接收区、动梳齿悬在空中，所述电极锚点固定在绝缘基底上，所述定梳齿悬在空中，形成悬臂梁结构，工作在一阶共振模态，使麦克风只响应共振频率附近特定频段的声波，而降低其他频率范围的噪声，在麦克风的硬件层面实现了自降噪功能；所述定梳齿和所述动梳齿互相交错排列，采用变面积式梳齿结构对振动进行检测，在增加电容检测的灵敏度同时，保持了较小的气体阻尼，提高了声波测量的灵敏度。

在一可能的实施例中，所述连接梁5和声波接收区6均为长方体结构。连接梁5的主要作用是调控谐振式MEMS麦克风的谐振频率，连接梁5的长度越大，宽度越小，则麦克风的谐振频率越小。通过对连接梁5的尺寸进行调节，可以设计得到任意谐振频率的MEMS麦克风。声波接收区6具有较大的面积，主要用于将声波压强转化为驱动硅谐振器的压力，声波接收区6的面积越大，接收到的压力就越大，声波探测灵敏度则越高。

在一可能的实施例中，所述动梳齿7和定梳齿9为一系列薄片状结构，均匀分布在声波接收区6的四周。所述动梳齿7和定梳齿9的厚度与声波接收区6的厚度相等，梳齿长度与宽度的比值一般大于10，这种梳齿式的电极设计可以有效提升硅谐振器1和固定电极2之间的有效正对面积，从而提升静态电容以及电容检测灵敏度。

在一可能的实施例中，所述固定电极2具有多个，多个所述固定电极2环绕在所述声波接收区6的四周。

具体地，图1中示出5个所述固定电极，标记为201、202、203、204、205，所述电极锚点8固定在绝缘基底3上，定梳齿9悬在空中。5个固定电极（201、202、203、204、205）环绕在声波接收区6的四周，硅谐振器1上的动梳齿7和固定电极上的定梳齿9互相交错排列。

在一可能的实施例中，还包括第一引线10，所述第一引线10与所述谐振器锚点4相连。

在一可能的实施例中，还包括第二引线11，所述第二引线11将多个所述固定电极2的锚点连接到一起。

所述第一引线10与谐振器锚点4相连，因此第一引线10与硅谐振器1的电位相等。第二引线11将5个固定电极（201、202、203、204、205）的锚点连接到一起，因此第二引线11与固定电极2各个分电极的电位相等。因此所述第一引线10和第二引线11之间的电容等于硅谐振器1和固定电极2之间的电容。

所述第一引线10和第二引线11可通过溅射金属的方法，固定到绝缘基底3上。所述硅谐振器1和固定电极2所在的硅晶圆可通过键合的方式，与所述绝缘基底3溅射金属的一面紧密结合，使所述第一引线10与所述谐振器锚点4相连，所述第二引线11与多个所述电极锚点8相连。

在静止时，所述硅谐振器1和所述固定电极2的上表面位于同一个平面内，所述连接梁5、声波接收区6、动梳齿7和定梳齿9的下表面位于同一个平面内。

图3是根据一示例性实施例示出的一种谐振式MEMS麦克风的电容检测原理图（局部结构侧视图）。参考图3，声波接收区6的下表面与所述绝缘基底3上表面的距离为h ₁，定梳齿9的下表面与所述绝缘基底3上表面的距离为h ₂。在静止时，h ₁与 h ₂相等；当有外部声波输入到所述声波接收区6时，所述声波接收区6会上下运动，h ₁发生变化而h ₂不变，导致动梳齿7和定梳齿9的重叠面积S发生变化，最终导致所述第一引线10和第二引线11之间的电容发生变化。优选地，静止时，所述声波接收区6的下表面与所述绝缘基底3上表面的距离不小于200微米，防止谐振器振动时的气体阻尼过大，减小声波检测灵敏度。

优选地，所述动梳齿7和定梳齿9的间距不大于5微米，以提升电容检测灵敏度。

平行板电容器的电容计算公式为

，

为介电常数，S为电极有效重 叠面积，d为电极间距，电容与重叠面积成正比，与电极间距成反比。传统的变间距式电容检 测，需要很小的电极间距（一般不超过5微米）来实现较高的电容检测灵敏度，这导致谐振器 在运动方向会受到很大的压膜阻尼，反而降低谐振器的Q值和声波检测灵敏度。本发明采用 的变面积式电容检测，电极方向与谐振器运动方向并不相同，动、静梳齿间距不大于5微米 （电容检测的间距），谐振器与基底的间距不小于200微米（压膜阻尼的间距），因此既可以实 现高灵敏度电容检测，也可以保证谐振器在运动方向受到较小的阻尼。

所述第一引线10和第二引线11之间的电容可由后续的电容检测电路处理，电容检测电路将电容变化转换为电压变化，电压的幅值与声波强度成正比，因而本发明提出的硅谐振器可作为检测声波的麦克风。

所述电容检测的灵敏度与动梳齿7和定梳齿9的数量成正比，因此将声波接收区6的四周全部覆盖梳齿结构，可以有效利用MEMS芯片的晶圆面积，提升电容检测灵敏度。

所述硅谐振器1是悬臂梁结构，其一阶固有谐振频率的振动模态为连接梁5、声波接收区6绕着谐振器锚点4上下振动。当输入声波频率与硅谐振器1的一阶固有谐振频率相等时，由于共振效应，硅谐振器1的振幅最大；输入声波频率与硅谐振器1的一阶固有谐振频率相差越大，硅谐振器1的振幅越小。因此，硅谐振器1本质上是一个带通滤波器，仅对一阶固有谐振频率附近的声波信号具有增益作用，而对远离一阶固有谐振频率的信号具有抑制作用，从而起到降噪功能。

本申请所述硅谐振器锚点的底部固定在所述绝缘基底上，所述连接梁、声波接收区、动梳齿悬在空中，所述电极锚点固定在绝缘基底上，所述定梳齿悬在空中，形成悬臂梁结构，工作在一阶共振模态，使麦克风只响应共振频率附近特定频段的声波，而降低其他频率范围的噪声，在麦克风的硬件层面实现了自降噪功能；所述定梳齿和所述动梳齿互相交错排列，采用变面积式梳齿结构对振动进行检测，在增加电容检测的灵敏度同时，保持了较小的气体阻尼，提高了声波测量的灵敏度。

本发明实施例还提供一种声学成像仪，包括上述的谐振式MEMS麦克风。所述声学成像仪的传感结构由多个所述谐振式MEMS麦克风组成，多个所述谐振式MEMS麦克风按照一定的空间位置排成阵列，根据声源到所述阵列中不同麦克风之间的声波传播时间差异，利用波束形成算法定位出声源位置，测量声源的幅值，并以图像的方式显示声源在空间的分布，即取得空间声场分布云图。气体泄漏、局部放电等产生的声源频率大多在20kHz以上的超声频段，在实际的工业环境中，环境噪声往往非常嘈杂，这会对麦克风阵列的定位产生干扰，降低信噪比和定位精度，减小可定位距离。为了降低20kHz以下的环境噪声，本发明实施例提供的声学成像仪将谐振式MEMS麦克风的一阶固有谐振频率设置为40kHz，响应带宽设置在20kHz-60kHz，这样可以覆盖大部分有效的超声波声源信号，降低低频的环境噪声，从而提升声学成像仪的信噪比和定位精度。

本发明实施例还提供一种光声光谱检测仪，包括上述的谐振式MEMS麦克风。所述光声光谱检测仪包括可调制激光器、光声池、所述谐振式MEMS麦克风、锁相放大器等。待测物质（气体、液体、固体）吸收经过调制的激光能量后，由于光声效应，会产生周期性的热膨胀，进而激发出声波，声波频率取决于激光的调制频率，声波的强弱即反映了待测物质的浓度等信息。通过麦克风对物质激发出的特定频率声波信号进行检测，可实现物质浓度的高精度测量，但环境噪声会对测量结果产生干扰。本发明实施例提供的光声光谱检测仪，将调制声波的频率设置为所述谐振式MEMS麦克风的一阶固有谐振频率，可使麦克风对待测信号的响应幅值达到最大。由于所述谐振式MEMS麦克风采用变面积式梳齿设计，受到的气体阻尼很小，可实现高Q值、窄带宽，因此采用所述谐振式MEMS麦克风的光声光谱检测仪只响应调制频率附近的窄带宽信号，对环境噪声免疫。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种谐振式MEMS麦克风，其特征在于，包括：

绝缘基底；

硅谐振器，所述硅谐振器包括依次相连的谐振器锚点、连接梁、声波接收区和动梳齿，所述谐振器锚点的底部固定在所述绝缘基底上，所述连接梁、声波接收区、动梳齿悬在空中；及

固定电极，所述固定电极包括电极锚点和定梳齿，所述电极锚点固定在绝缘基底上，所述定梳齿悬在空中，所述定梳齿和所述动梳齿互相交错排列。

2.根据权利要求1所述的一种谐振式MEMS麦克风，其特征在于，所述连接梁和声波接收区均为长方体结构。

3.根据权利要求1所述的一种谐振式MEMS麦克风，其特征在于，所述动梳齿为一系列薄片状结构，均匀分布在声波接收区的四周。

4.根据权利要求1所述的一种谐振式MEMS麦克风，其特征在于，所述固定电极具有多个，多个所述固定电极环绕在所述声波接收区的四周。

5.根据权利要求1所述的一种谐振式MEMS麦克风，其特征在于，还包括第一引线，所述第一引线与所述谐振器锚点相连。

6.根据权利要求1所述的一种谐振式MEMS麦克风，其特征在于，还包括第二引线，所述第二引线将多个所述固定电极的锚点连接到一起。

7.根据权利要求1所述的一种谐振式MEMS麦克风，其特征在于，在静止时，所述硅谐振器和所述固定电极的上表面位于同一个平面内，所述连接梁、声波接收区、动梳齿和定梳齿的下表面位于同一个平面内；

当有外部声波输入到所述声波接收区时，所述声波接收区会上下运动，导致动梳齿和定梳齿的重叠面积发生变化，最终导致所述硅谐振器和固定电极之间的电容发生变化。

8.根据权利要求1所述的一种谐振式MEMS麦克风，其特征在于，静止时，所述声波接收区的下表面与所述绝缘基底上表面的距离不小于200微米；所述动梳齿和定梳齿的间距不大于5微米。

9.一种声学成像仪，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的谐振式MEMS麦克风。

10.一种光声光谱检测仪，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的谐振式MEMS麦克风。

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