CN1737510A - 压阻式矢量水听器及制备方法 - Google Patents
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本发明涉及利用压阻原理制作矢量水听器，具体为压阻式矢量水听器及制备方法。其特点是：在硅片上通过微机械加工制作出用于敏感声信号的悬臂梁结构和质量结构，在梁结构上植入掺杂电阻，用于感受应变信号，并与另一片腐有槽结构的硅片键和，封接到槽内的气体可用于产生阻尼。衬底选择：N型Si(100)面，正面通过半导体平面制作工艺制作半导体应变电阻，背面通过体微机械加工工艺制作敏感结构。本发明的优点是：制作的传感器体积小，灵敏度高，成本低、安全可靠、制做过程较为简便。
Description
(一)技术领域：本发明涉及利用压阻原理制作矢量水听器技术，具体为压阻式矢量水听器及制备方法。
(二)背景技术：矢量水听器的出现使声纳信息的获取量得到了很大提高，从原来的只能测量标量(声压)信息，转变到即可测量标量(声压)信息，又可测声场的矢量信息(质点振速，加速度等)，这些信息量的加大，对声纳信号处理大有益处。目前，无论国内还是国外，矢量水听器采用的都是压电原理，国外以benjamin利用压电加速度计制作的声矢量传感器较具有代表性。其性能指标如下：
频响：100Hz～2000Hz、灵敏度：100mV/g、尺寸：≥5cm其所作矢量水听器已应用于潜艇声纳系统。从灵敏度指标看100mV/g的灵敏度在水下测试过程中，当频率低于1k时，利用脉冲比较法测量声压接收灵敏度时，信号已很难测量。国内有代表性的矢量水听器是由哈尔滨工程大学制作的，采用的是压电原理。当水听器有效尺寸小于30mm时，灵敏度很低，利用脉冲比较法测量的声压接收灵敏度同样低到测不出来，利用压阻原理制作的矢量水听器能够解决灵敏度低的问题。
(三)发明内容：本发明的目的在于提供一种低频率、小尺寸、易于复合设计、制做的压阻式矢量水听器及制备方法。本发明的目的是这样实现的：在单晶硅片上通过微机械加工制作出用于敏感声信号敏感结构：悬臂梁结构(1)和质量结构(4)，在悬臂梁结构(1)上植入掺杂电阻(2)，用于感受应变信号，并与另一片腐有浅槽结构(6)的硅片在键和面(5)键和，封接到空隙结构(3)的气体可用于产生阻尼，经声学灌封形成矢量水听器。采用半导体单晶硅N型Si(100)面制作，正面制作工艺过程：在单晶硅衬底上进行热氧化，形成一层SiO2，第一次光刻：形成半导体压敏电阻图形，然后进行扩硼工艺，形成方块电阻200Ω/□的半导体压敏电阻图形，退火后，进行第二次光刻，扩散浓硼，制作电阻图形的电极接触孔，经再分布、氧化后，进行第三次光刻，光刻电阻图形和引出点图形的欧姆接触区，然后蒸铝，厚度，进行第四次光刻，形成铝电极图形，即把电阻图形的欧姆接触区与引出点图形的欧姆接触区通过铝电极连接起来，完成正面半导体压敏电阻(2)的制作。背面工艺过程：进行第五次光刻，形成背板图形露出将要被腐蚀的区域，然后进行各向异性腐蚀，去掉硅材料形成空隙结构(3)、形成单晶硅质量结构(4)和悬臂梁结构(1)，最后与另一片同样通过光刻、腐蚀出浅槽槽结构(6)的单晶硅材料底结构(7)在键和面(5)位置进行静电封接或粘接形成敏感结构；当有声信号时，由于悬臂梁结构(1)的存在，并且由于单晶硅质量结构单元(4)有保持原有运动状态的性质，因此质量单元相对于外壳有相对运动，通过建立方程，推导出质量单元的相对位移x与水听器振速的幅值成正比。
质量结构单元沿梁的法线方向的位移将声质点振速转换成悬臂梁结构(1)的一种弹性变形，这种变形可通过半导体应变电阻的压阻效应将其转换成可用电信号，这种方法的特点是：可以根据需要在很小的面积内制出很大的电阻值，耗电电流小，在较高的电压下工作，结构尺寸可以作得很小，其本身由于没有粘接环节而没有蠕变，灵敏系数大，应变电阻应在梁的靠近根部的区域制作，由于惠斯通电桥由四个电阻组成，因此分别在四个梁的近根部区域制作四个电阻，用于将梁的应变转换成电阻的变化，最后通过电路检测方法将电阻的变化引出，
对于恒压源供电情况，可推得
VSC＝V0Kε (2)
K为压阻元件灵敏系数，它由单晶硅材料的晶向、掺杂浓度、掺杂类型所决定，是元件材料参数，ε为应变，V0是电源电压。
在悬臂梁结构(1)上有半导体压敏电阻(2)，空隙结构(3)将悬臂梁结构(1)质量结构(4)分开，在单晶硅材料底结构(7)上有槽结构(6)，在键和面(5)有敏感结构的单晶硅与单晶硅材料底结构(7)静电封接、粘接。本发明的优点是：制作的传感器体积小，灵敏度高，成本低、安全可靠、制做过程较为简便。
(四)附图说明：图1为本发明压阻式矢量水听器敏感基元结构原理示意图；图2为本发明压阻式矢量水听器敏感单晶硅质量结构正面结构原理示意图；图3为本发明压阻式矢量水听器单晶硅底结构原理示意图；图4为本发明压阻式矢量水听器悬臂梁结构单臂结构原理主视示意图；图5为本发明压阻式矢量水听器悬臂梁结构单臂梁结构原理俯视示意图；图6为本发明压阻式矢量水听器悬臂梁结构双臂梁结构原理主视示意图；图7为本发明压阻式矢量水听器悬臂梁结构双臂梁结构原理俯视示意图；图8为本发明压阻式矢量水听器悬臂梁结构四臂梁结构原理主视示意图；图9为本发明压阻式矢量水听器悬臂梁结构四臂梁结构原理俯视示意图。
(五)具体实施方式：在单晶硅片上通过微机械加工制作出用于敏感声信号敏感结构：悬臂梁结构(1)和质量结构(4)，在悬臂梁结构(1)上植入掺杂电阻(2)，用于感受应变信号，并与另一片腐有浅槽结构(6)的硅片在键和面(5)键和，封接到空隙结构(3)的气体可用于产生阻尼，经声学灌封形成矢量水听器。采用半导体单晶硅N型Si(100)面制作，正面制作工艺过程：在单晶硅衬底上进行热氧化，形成一层SiO2，第一次光刻：形成半导体压敏电阻图形，然后进行扩硼工艺，形成方块电阻200Ω/□的半导体压敏电阻图形，退火后，进行第二次光刻，扩散浓硼，制作电阻图形的电极接触孔，经再分布、氧化后，进行第三次光刻，光刻电阻图形和引出点图形的欧姆接触区，然后蒸铝，厚度，进行第四次光刻，形成铝电极图形，即把电阻图形的欧姆接触区与引出点图形的欧姆接触区通过铝电极连接起来，完成正面半导体压敏电阻(2)的制作。背面工艺过程：进行第五次光刻，形成背板图形露出将要被腐蚀的区域，然后进行各向异性腐蚀，去掉硅材料形成空隙结构(3)、形成单晶硅质量结构(4)和悬臂梁结构(1)，最后与另一片同样通过光刻、腐蚀出浅槽槽结构(6)的单晶硅材料底结构(7)在键和面(5)位置进行静电封接或粘接形成敏感结构；当有声信号时，由于悬臂梁结构(1)的存在，并且由于单晶硅质量结构单元(4)有保持原有运动状态的性质，因此质量单元相对于外壳有相对运动，通过建立方程，推导出质量单元的相对位移x与水听器振速的幅值成正比。
质量结构单元沿梁的法线方向的位移将声质点振速转换成悬臂梁结构(1)的一种弹性变形，这种变形可通过半导体应变电阻的压阻效应将其转换成可用电信号，这种方法的特点是：可以根据需要在很小的面积内制出很大的电阻值，耗电电流小，在较高的电压下工作，结构尺寸可以作得很小，其本身由于没有粘接环节而没有蠕变，灵敏系数大，应变电阻应在梁的靠近根部的区域制作，由于惠斯通电桥由四个电阻组成，因此分别在四个梁的近根部区域制作四个电阻，用于将梁的应变转换成电阻的变化，最后通过电路检测方法将电阻的变化引出，
对于恒压源供电情况，可推得
VSC＝V0Kε (2)
K为压阻元件灵敏系数，它由单晶硅材料的晶向、掺杂浓度、掺杂类型所决定，是元件材料参数，ε为应变，V0是电源电压。
在悬臂梁结构(1)上有半导体压敏电阻(2)，空隙结构(3)将悬臂梁结构(1)质量结构(4)分开，在单晶硅材料底结构(7)上有槽结构(6)，在键和面(5)有敏感结构的单晶硅与单晶硅材料底结构(7)静电封接、粘接。
Claims (5)
1、一种压阻式矢量水听器及制备方法，其特征在于：在单晶硅片上通过微机械加工制作出用于敏感声信号敏感结构：悬臂梁结构(1)和质量结构(4)，在悬臂梁结构(1)上植入掺杂电阻(2)，用于感受应变信号，并与另一片腐有浅槽结构(6)的硅片在键和面(5)键和，封接到空隙结构(3)的气体产生阻尼，经声学灌封形成矢量水听器。
2、根据权利要求1所述的一种压阻式矢量水听器及制备方法，其特征在于：采用半导体单晶硅N型Si的100晶面制作，正面制作工艺过程：在单晶硅衬底上进行热氧化，形成一层SiO2，第一次光刻：形成半导体压敏电阻图形，然后进行扩硼工艺，形成方块电阻200Ω/□的半导体压敏电阻图形，退火后，进行第二次光刻，扩散浓硼，制作电阻图形的电极接触孔，经再分布、氧化后，进行第三次光刻，光刻电阻图形和引出点图形的欧姆接触区，然后蒸铝，厚度，进行第四次光刻，形成铝电极图形，即将电阻图形的欧姆接触区与引出点图形的欧姆接触区通过铝电极连接起来，完成正面半导体压敏电阻(2)的制作。
3、根据权利要求1所述的一种压阻式矢量水听器及制备方法，其特征在于：背面工艺过程：进行第五次光刻，形成背板图形露出将要被腐蚀的区域，然后进行各向异性腐蚀，去掉硅材料形成空隙结构(3)、形成单晶硅质量结构(4)和悬臂梁结构(1)，最后与另一片同样通过光刻、腐蚀出浅槽槽结构(6)的单晶硅材料底结构(7)在键和面(5)位置进行静电封接、粘接形成敏感结构；当有声信号时，由于悬臂梁结构(1)的存在，并且由于单晶硅质量结构单元(4)有保持原有运动状态的性质，因此质量单元相对于外壳有相对运动，通过建立方程，推导出质量单元的相对位移x与水听器振速的幅值成正比。
4、根据权利要求1所述的一种压阻式矢量水听器及制备方法，其特征在于：质量结构单元沿梁的法线方向的位移将声质点振速转换成悬臂梁结构(1)的一种弹性变形，这种变形可通过半导体应变电阻的压阻效应将其转换成可用电信号，这种方法的特点是：可以根据需要在很小的面积内制出很大的电阻值，耗电电流小，在较高的电压下工作，结构尺寸可以作得很小，其本身由于没有粘接环节而没有蠕变，灵敏系数大，应变电阻应在梁的靠近根部的区域制作，由于惠斯通电桥由四个电阻组成，因此分别在四个梁的近根部区域制作四个电阻，用于将梁的应变转换成电阻的变化，最后通过电路检测方法将电阻的变化引出，
对于恒压源供电情况，可推得
VSC＝V0Kε (2)
K为压阻元件灵敏系数，它由单晶硅材料的晶向、掺杂浓度、掺杂类型所决定，是元件材料参数，ε为应变，V0是电源电压。
5、根据权利要求1所述的一种压阻式矢量水听器，其特征在于：在悬臂梁结构(1)上有半导体压敏电阻(2)，空隙结构(3)将悬臂梁结构(1)质量结构(4)分开，在单晶硅材料底结构(7)上有槽结构(6)，在键和面(5)有敏感结构的单晶硅与单晶硅材料底结构(7)静电封接、粘接。
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|---|---|---|---|
| CN 200510010301 CN1737510A (zh) | 2005-09-05 | 2005-09-05 | 压阻式矢量水听器及制备方法 |
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| CN 200510010301 CN1737510A (zh) | 2005-09-05 | 2005-09-05 | 压阻式矢量水听器及制备方法 |
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| CN1737510A true CN1737510A (zh) | 2006-02-22 |
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| CN 200510010301 Pending CN1737510A (zh) | 2005-09-05 | 2005-09-05 | 压阻式矢量水听器及制备方法 |
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| CN (1) | CN1737510A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100451576C (zh) * | 2006-07-26 | 2009-01-14 | 中北大学 | 共振隧穿仿生矢量水声传感器 |
| CN101354283B (zh) * | 2008-09-08 | 2010-06-16 | 中北大学 | 微纳仿生矢量水声传感器的封装结构 |
| CN109579975A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-04-05 | 中北大学 | X、y方向振动抑制的压阻式三维矢量水听器 |
| CN113075726A (zh) * | 2021-05-10 | 2021-07-06 | 联合微电子中心有限责任公司 | 水听器及其制造方法 |
-
2005
- 2005-09-05 CN CN 200510010301 patent/CN1737510A/zh active Pending
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| CN100451576C (zh) * | 2006-07-26 | 2009-01-14 | 中北大学 | 共振隧穿仿生矢量水声传感器 |
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| WO2022237301A1 (zh) * | 2021-05-10 | 2022-11-17 | 联合微电子中心有限责任公司 | 水听器及其制造方法 |
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