CN208317007U - 一种防御声学攻击的mems惯性传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种防御声学攻击的MEMS惯性传感器。现有薄膜型声学超材料结构尺寸过大。本实用新型包括MEMS惯性传感器模块和防御声学攻击模块。MEMS惯性传感器模块由下向上依次包括第一硅衬底、第一SiO2刻蚀停止层、下多晶硅圆环电极、SiO2支撑层、上多晶硅振膜层、SiNx质量块，上多晶硅振膜层架设在第一背腔上。防御声学攻击模块由下向上依次包括第二硅衬底、第二SiO2刻蚀停止层和多晶硅振膜层，多晶硅振膜层架设在阻尼腔上。上多晶硅振膜层和多晶硅振膜层设置有环形弹性结构。本实用新型可以有效减弱入射攻击声波的能量，能够预防大范围声波频率的攻击。
Description
技术领域
本实用新型属于传感器安全技术领域，具体涉及一种防御声学攻击的MEMS惯性传感器。
背景技术
相对于传统传感器，基于微机电系统(MEMS)的传感器在尺寸、成本、功耗、可靠性等方面都具有明显优势。因此，它被广泛应用于新型消费电子领域。其中，MEMS惯性传感器(通常包括MEMS加速度计和MEMS陀螺仪)是一种最典型的MEMS传感器，在智能手机、无人驾驶汽车、无人机、可穿戴设备等需要导航定位功能的电子产品上都有配备。
MEMS惯性传感器的简化物理模型是质量块-弹簧机械系统：在运动过程中，如果质量块的运动状态发生改变，就会产生惯性力。按照牛顿第二定律，与质量块连接的弹簧会发生形变或产生位移，从而通过弹性力平衡惯性力，使质量块保持力学平衡。然而，正如固体存在共振现象，质量块-弹簧组成的简易机械系统也存在特有共振频率。如果能量足够强、频率在共振频率附近，声波会使MEMS惯性传感器发生强烈的共振响应，导致角速度或角速率测量不准确，甚至完全失效。
正是利用MEMS惯性传感器的共振特性，最近硬件安全研究者提出了一种叫做共振声学注入攻击(acoustic injection attacks)的技术，通过恶意制造的高频声波使装备了惯性传感器的智能电子产品失去运动自控能力，或者被欺骗劫持。无人机、自动驾驶汽车都是最直接的攻击目标。另外，还有一种不可听声波攻击技术，通过超声波调制低频声学信号，进而借助语音识别系统(如Siri)来控制整个智能终端系统。
目前，最前沿的消声或隔音技术是基于薄膜型声学超材料的技术，其能够在100～1000 Hz频率范围内打破声音衰减的质量密度定律，有效防止低频噪声干扰。传统消声方法一般需要较厚的吸收材料，它的尺寸与空气中传播的低频声波的波长相当(典型的在1～10m)，而薄膜型声学超材料的尺寸最小可达几厘米。然而，几个厘米的声学超材料比MEMS惯性传感器仍然大了一个量级，无法将二者紧凑集成。
发明内容
本实用新型的目的就是针对传统MEMS惯性传感器不具备声学攻击防御功能，以及现有薄膜型声学超材料结构尺寸过大等问题，提供一种具备声学攻击防御功能的MEMS惯性传感器，实现宽频段有效消声，防止恶意声学共振攻击，提高传感器的集成性和安全性。
本实用新型包括两个模块：MEMS惯性传感器模块和防御声学攻击模块，防御声学攻击模块设置在MEMS惯性传感器模块的上方。
所述的MEMS惯性传感器模块由下向上依次包括第一硅衬底、第一SiO2刻蚀停止层、下多晶硅圆环电极、SiO2支撑层、上多晶硅振膜层、SiNx质量块。
贯穿第一硅衬底、第一SiO2刻蚀停止层、下多晶硅圆环电极、SiO2支撑层开设有阶梯状圆筒形的第一背腔，其中贯穿SiO2支撑层部分的圆形横截面直径大于贯穿下多晶硅圆环电极部分的圆形横截面直径。
圆形的上多晶硅振膜层架设在第一背腔上；所述的上多晶硅振膜层靠近边沿位置设置有圆环形的弹性结构，弹性结构的圆周外沿与第一背腔的内壁对应；所述的弹性结构由圆周排列的多组通槽组成，增加弹性结构环形内部分的上多晶硅振膜的弹性。
SiNx质量块设置在弹性结构的圆周范围内，贯穿SiNx质量块和上多晶硅振膜层开设有通气孔。
所述的防御声学攻击模块由下向上依次包括第二硅衬底、第二SiO2刻蚀停止层和多晶硅振膜层。
贯穿第二硅衬底开设有圆台形的第二背腔，贯穿第二SiO2刻蚀停止层开设有圆筒形的阻尼腔，阻尼腔的圆形横截面直径大于第二背腔的圆形上顶面直径，第二背腔的圆形下底面直径大于圆形上多晶硅振膜层的直径。
圆形的多晶硅振膜层架设在阻尼腔上；所述的多晶硅振膜层靠近边沿位置设置有圆环形的弹性结构，弹性结构的圆周外沿与阻尼腔的内壁对应；所述的弹性结构由圆周排列的多组通槽组成，增加弹性结构环形内部分的多晶硅振膜的弹性。
进一步，所述的第一硅衬底和第二硅衬底的厚度为300～500um。
进一步，所述的第一SiO2刻蚀停止层、SiO2支撑层、第二SiO2刻蚀停止层是厚度为200～ 1000nm的SiO2薄膜。
进一步，所述的下多晶硅圆环电极、上多晶硅振膜层、多晶硅振膜层是厚度为100～ 500nm的多晶硅薄膜。
进一步，所述的SiNx质量块是厚度为200～1000nm的SiNx薄膜。
进一步，所述的通槽是蛇形槽，或者是由两个梳状槽形成的叉指形槽。
本实用新型的MEMS惯性传感器模块采用电容式传感，电容两极分别为下多晶硅圆环电极和上多晶硅振膜层，下多晶硅圆环电极为固定电极，上多晶硅振膜层为活动电极。当多晶硅振膜层振动时，在阻尼腔内形成的压膜阻尼会抑制多晶硅振膜层的振动，使得传输的声音能量大幅降低，因此起到了防御声学攻击的作用。上多晶硅振膜层和多晶硅振膜层的由通槽形成的弹性结构，既可以增强振膜弹性又可以用作通气结构。
本实用新型中，当有与MEMS惯性传感器模块中质量块谐振频率相近的声波对MEMS惯性传感器进行攻击时，其上方的防御声学攻击模块通过阻尼腔的压膜阻尼效应，可以有效减弱入射攻击声波的能量，从而实现防御功能。同时，防御声学攻击模块还能实现宽带的声波损耗，能够预防大范围声波频率的攻击。本实用新型通过MEMS惯性传感器模块感知物体的惯性或加速度，通过防御声学攻击模块防止外界使用与MEMS惯性传感器模块中质量块谐振频率相近的声波对其进行攻击。
附图说明
图1为本实用新型的剖面结构示意图；
图2为图1中上多晶硅振膜的结构示意图。
具体实施方式
一种防御声学攻击的MEMS惯性传感器，参见图1所示。
包括MEMS惯性传感器模块1和防御声学攻击模块2，防御声学攻击模块2设置在MEMS 惯性传感器模块1的上方。
MEMS惯性传感器模块1由下向上依次包括第一硅衬底11、第一SiO2刻蚀停止层12、下多晶硅圆环电极13、SiO2支撑层14、上多晶硅振膜层15、SiNx质量块16。其中，第一硅衬底11的厚度为300～500um；第一SiO2刻蚀停止层12是厚度为200～1000nm的SiO2薄膜；下多晶硅圆环电极13是厚度为100～500nm的多晶硅薄膜；SiO2支撑层14是厚度为 200～1000nm的SiO2薄膜；上多晶硅振膜层15是厚度为100～500nm的多晶硅薄膜；SiNx质量块16是厚度为200～1000nm的SiNx薄膜。
贯穿第一硅衬底11、第一SiO2刻蚀停止层12、下多晶硅圆环电极13、SiO2支撑层14开设有阶梯状圆筒形的第一背腔17，其中贯穿SiO2支撑层14部分的圆形横截面直径大于贯穿下多晶硅圆环电极13部分的圆形横截面直径。
圆形的上多晶硅振膜层15架设在第一背腔17上。上多晶硅振膜层15的结构参见图2 所示。
上多晶硅振膜层15靠近边沿位置设置有圆环形的弹性结构，弹性结构的圆周外沿与第一背腔17的内壁对应。该弹性结构由圆周排列的多组通槽18组成，通槽18为线形槽，可以是蛇形槽，或者是由两个梳状槽形成的叉指形槽。弹性结构的设置可以增加弹性结构环形内部分的上多晶硅振膜的弹性。
SiNx质量块16设置在弹性结构的圆周范围内，贯穿SiNx质量块16和上多晶硅振膜层 15开设有通气孔19。
防御声学攻击模块2由下向上依次包括第二硅衬底21、第二SiO2刻蚀停止层22和多晶硅振膜层23。其中，第二硅衬底21的厚度为300～500um；第二SiO2刻蚀停止层22是厚度为200～1000nm的SiO2薄膜；多晶硅振膜层23是厚度为100～500nm的多晶硅薄膜。
贯穿第二硅衬底21开设有圆台形的第二背腔24，贯穿第二SiO2刻蚀停止层22开设有圆筒形的阻尼腔25，阻尼腔25的圆形横截面直径大于第二背腔24的圆形上顶面直径，第二背腔24的圆形下底面直径大于圆形上多晶硅振膜层15的直径。
圆形的多晶硅振膜层23架设在阻尼腔25上，多晶硅振膜层23与上多晶硅振膜层15结构相似，靠近边沿位置设置有圆环形的弹性结构，弹性结构的圆周外沿与阻尼腔25的内壁对应。所述的弹性结构由圆周排列的多组通槽组成，通槽为线形槽，可以是蛇形槽，或者是由两个梳状槽形成的叉指形槽。弹性结构的设置可以增加弹性结构环形内部分的多晶硅振膜的弹性。
制作该MEMS惯性传感器具体方法如下：
步骤1.采用化学气相沉积技术(CVD)、热氧化法或正硅酸乙酯(TEOS)热分解法在厚度为300～500um的第一硅衬底上制备厚度为200～1000nm的SiO2薄膜，该SiO2薄膜层即为第一SiO2刻蚀停止层；
步骤2.在第一SiO2刻蚀停止层上，采用化学气相沉积技术(CVD)制备厚度为100～500nm的多晶硅薄膜，该多晶硅薄膜层即为下多晶硅电极层；
步骤3.按照设计的圆环形的沟槽图案，采用光刻刻蚀方法(litho-etch)将下多晶硅电极层刻穿，作为下多晶硅圆环电极；
步骤4.在下多晶硅圆环电极上采用正硅酸乙酯(TEOS)热分解法覆盖厚度为200～1000nm的SiO2薄膜，该SiO2薄膜层即为SiO2支撑层；
步骤5.在SiO2支撑层上采用化学气相沉积技术(CVD)制备厚度为100～500nm的多晶硅薄膜，该多晶硅薄膜层即为上多晶硅振膜层；
步骤6.采用光刻刻蚀方法(litho-etch)，在上多晶硅振膜层上靠近边沿位置开设通槽，多个通槽圆周排列，形成圆环形的弹性结构；
步骤7.在上多晶硅振膜层上，采用化学气相沉积技术(CVD)制备厚度为200～1000nm 的SiNx薄膜；
步骤8.采用光刻刻蚀方法(litho-etch)将SiNx薄膜去掉多余SiNx，只留下在弹性结构的圆周区域内的SiNx，作为SiNx质量块；
步骤9.采用光刻刻蚀方法(litho-etch)贯穿SiNx质量块和上多晶硅振膜层开设通气孔；
步骤10.由第一硅衬底的下表面开始，对应下多晶硅圆环电极通孔位置，采用光刻刻蚀方法(litho-etch)将第一硅衬底刻穿，形成第一硅衬底通孔；
步骤11.由第一SiO2刻蚀停止层的下表面开始，沿第一硅衬底通孔采用气态氢氟酸腐蚀技术或氢氟酸湿法刻蚀方法将第一SiO2刻蚀停止层以及SiO2支撑层刻穿；
步骤12.由上多晶硅振膜层圆周排列的通槽向下，采用气态氢氟酸腐蚀技术或氢氟酸湿法刻蚀方法，将SiO2支撑层对应圆环形的弹性结构范围内的SiO2薄膜腐蚀干净；第一硅衬底通孔、下多晶硅圆环电极通孔、第一SiO2刻蚀停止层通孔、SiO2支撑层通孔形成阶梯圆筒形的第一背腔。
其中，步骤2和5化学气相沉积技术(CVD)的淀积过程中，采用气体在位掺杂技术进行磷元素掺杂；步骤10光刻刻蚀方法中的刻蚀工序采用深反应离子刻蚀方法(DRIE)。
防御声学攻击模块2具体制作方法如下：
步骤a.采用化学气相沉积技术(CVD)、热氧化法或正硅酸乙酯(TEOS)热分解法在第在厚度为300～500um的二硅衬底上制备厚度为200～1000nm的SiO2薄膜，该SiO2薄膜层即为第二SiO2刻蚀停止层；
步骤b.在第二SiO2刻蚀停止层上，采用化学气相沉积技术(CVD)制备厚度为100～500nm的多晶硅薄膜，该多晶硅薄膜层即为多晶硅振膜层；
步骤c.按照设计的振膜图案，采用光刻刻蚀方法(litho-etch)，在多晶硅振膜层上靠近边沿位置开设通槽，多个通槽圆周排列，形成圆环形的弹性结构；
步骤d.由第二硅衬底的下表面开始，通过光刻刻蚀方法(litho-etch)将第二硅衬底刻穿，形成贯穿第二硅衬底的圆台形的第二背腔，第二背腔的下底面大于圆形的上多晶硅振膜层的外围；
步骤e.由第二SiO2刻蚀停止层的下表面开始，沿第二背腔侧壁通过气态氢氟酸腐蚀技术或氢氟酸湿法刻蚀方法将第二SiO2刻蚀停止层刻穿，形成第二SiO2刻蚀停止层通孔；
步骤f.由多晶硅振膜层圆周排列的折线形的通孔向下，采用气态氢氟酸腐蚀技术或氢氟酸湿法刻蚀方法，将第二SiO2刻蚀停止层的对应通孔形成的圆周范围内的SiO2薄膜腐蚀干净，形成阻尼腔，阻尼腔的横截面大于第二背腔的上顶面。
其中，步骤b化学气相沉积技术(CVD)的淀积过程中，采用气体在位掺杂技术进行磷元素掺杂；步骤d中所述的光刻刻蚀方法中的刻蚀工序采用KOH湿法腐蚀。
Claims (6)
1.一种防御声学攻击的MEMS惯性传感器，其特征在于：包括MEMS惯性传感器模块(1)和防御声学攻击模块(2)，防御声学攻击模块(2)设置在MEMS惯性传感器模块(1)的上方；
所述的MEMS惯性传感器模块(1)由下向上依次包括第一硅衬底(11)、第一SiO2刻蚀停止层(12)、下多晶硅圆环电极(13)、SiO2支撑层(14)、上多晶硅振膜层(15)、SiNx质量块(16)；
贯穿第一硅衬底(11)、第一SiO2刻蚀停止层(12)、下多晶硅圆环电极(13)、SiO2支撑层(14)开设有阶梯状圆筒形的第一背腔(17)，其中贯穿SiO2支撑层(14)部分的圆形横截面直径大于贯穿下多晶硅圆环电极(13)部分的圆形横截面直径；
圆形的上多晶硅振膜层(15)架设在第一背腔(17)上；所述的上多晶硅振膜层(15)靠近边沿位置设置有圆环形的弹性结构，弹性结构的圆周外沿与第一背腔(17)的内壁对应；所述的弹性结构由圆周排列的多组通槽(18)组成；
SiNx质量块(16)设置在弹性结构的圆周范围内，贯穿SiNx质量块(16)和上多晶硅振膜层(15)开设有通气孔(19)；
所述的防御声学攻击模块(2)由下向上依次包括第二硅衬底(21)、第二SiO2刻蚀停止层(22)和多晶硅振膜层(23)；
贯穿第二硅衬底(21)开设有圆台形的第二背腔(24)，贯穿第二SiO2刻蚀停止层(22)开设有圆筒形的阻尼腔(25)，阻尼腔(25)的圆形横截面直径大于第二背腔(24)的圆形上顶面直径，第二背腔(24)的圆形下底面直径大于圆形上多晶硅振膜层(15)的直径；
圆形的多晶硅振膜层(23)架设在阻尼腔(25)上；所述的多晶硅振膜层(23)靠近边沿位置设置有圆环形的弹性结构，弹性结构的圆周外沿与阻尼腔(25)的内壁对应；所述的弹性结构由圆周排列的多组通槽组成。
2.如权利要求1所述的一种防御声学攻击的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述的第一硅衬底(11)和第二硅衬底(21)的厚度为300～500um。
3.如权利要求1所述的一种防御声学攻击的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述的第一SiO2刻蚀停止层(12)、SiO2支撑层(14)、第二SiO2刻蚀停止层(22)是厚度为200～1000nm的SiO2薄膜。
4.如权利要求1所述的一种防御声学攻击的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述的下多晶硅圆环电极(13)、上多晶硅振膜层(15)、多晶硅振膜层(23)是厚度为100～500nm的多晶硅薄膜。
5.如权利要求1所述的一种防御声学攻击的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述的SiNx质量块(16)是厚度为200～1000nm的SiNx薄膜。
6.如权利要求1所述的一种防御声学攻击的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述的通槽是蛇形槽，或者是由两个梳状槽形成的叉指形槽。
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