一种MEMS矢量传声器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种MEMS矢量传声器及其制备方法，该MEMS矢量传声器包括：基底、绝热层、导热层和敏感层；其中，所述敏感层包括：电极、加热电阻和传感电阻；在所述基底顶部开设有前后贯通的凹槽，以在所述基底的左右两侧形成两个凸台；所述绝热层分别布置在所述两个凸台上，且在所述绝热层上布置有所述电极；所述导热层被所述绝热层支撑，以悬空在所述凹槽上；所述加热电阻和传感电阻布置在所述导热层上，且所述加热电阻和传感电阻的两端分别与所述电极连接；本发明专利技术解决了现有MEMS矢量传声器因在低频和高频频带内响应特性衰减而引起的声信号在接收和后续处理上产生严重失真的技术问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS矢量传声器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及矢量传声器
，特别涉及一种MEMS矢量传声器及其制备方法。

技术介绍

[0002]MEMS(Micro
‑
Electro
‑
Mechanical System，微机电系统)矢量传声器用于测量声场质点振速矢量信息，具有指向性，在测量声学量时可抑制环境噪声的影响，并且没有阵列孔径限制，被广泛应用于振动与噪声控制、声源目标识别定位等应用研究。
[0003]现有的MEMS矢量传声器采用平行铂丝悬梁结构，传热介质为空气，当工作时平行铂丝在电源激励下发热，以形成空间温度场，当声波直接引入质点振速时会引起空间温度场的扰动，导致在平行铂丝之间形成微小温差，从而由电热阻效应转化为微小电阻差，通过电桥电路解调微小电阻差以获得响应质点振速的电压输出，从而实现对声场质点振速矢量信息的直接测量。目前在MEMS矢量传声器中使用的铂丝长度需达数毫米，但宽度和厚度只有微米甚至亚微米量级，因此铂丝纵横尺度相差近千倍，造成制备难度大、稳定性和一致性差。此外，在现有MEMS矢量传感器中存在铂丝接收到的热量通过热传导传递至基底上的情况，由于在低频段的质点振速变化速率较慢，因此更多的热量被传导耗散至基底中，不能转化为铂丝的温度变化，从而使得MEMS矢量传感器的灵敏度下降，导致在100Hz以下的频段，灵敏度随频率减小而显著衰减。另外，现有MEMS矢量传感器的传热介质为空气，但受空气介质热传导系数、密度、比热容等物理因素的限制，平行铂丝之间的热扩散受到限制，质点振动引起的热量不能完全传递到铂丝，从而导致平行铂丝不能有效响应高频声场的质点振速变化，造成MEMS矢量传感器在1000Hz以上的频段，灵敏度随频率增加而显著衰减。MEMS矢量传声器在低频和高频频带内响应特性衰减，将会引起声信号在接收和后续处理上产生严重失真。因此，如何解决现有MEMS矢量传声器在音频频带内响应特性不一致的问题成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种MEMS矢量传声器及其制备方法，解决了现有MEMS矢量传声器因在低频和高频频带内响应特性衰减而引起的声信号在接收和后续处理上产生严重失真的技术问题。
[0005]根据本专利技术的一个方面，提供了一种MEMS矢量传声器，用于测量声场质点振速，所述MEMS矢量传声器包括：基底、绝热层、导热层和敏感层；其中，所述敏感层包括：电极、加热电阻和传感电阻；
[0006]在所述基底顶部开设有前后贯通的凹槽，以在所述基底的左右两侧形成两个凸台；所述绝热层分别布置在所述两个凸台上，且在所述绝热层上布置有所述电极；所述导热层被所述绝热层支撑，以悬空在所述凹槽上；所述加热电阻和传感电阻布置在所述导热层上，且所述加热电阻和传感电阻的两端分别与所述电极连接；
[0007]所述绝热层用于隔绝所述基底、导热层和敏感层之间的热传导；
[0008]所述导热层用于增加加热电阻和传感电阻之间的热扩散；
[0009]所述加热电阻用于在电流激励下形成空间温度场；
[0010]所述传感电阻用于当声波引入质点振速而导致所述空间温度场发生受迫对流扰动时产生温度差，以便于通过电桥电路解调所述电阻差以测量声场质点振速。
[0011]可选的，所述敏感层包括：六个电极、一个加热电阻和两个传感电阻，且所述两个传感电阻位于所述加热电阻两侧。
[0012]可选的，所述加热电阻的电阻温度系数为零，以及所述传感电阻的电阻温度系数大于2000ppm/℃。
[0013]可选的，所述基底由以下任意一种材料制成：单晶硅、多晶硅、氧化硅。
[0014]可选的，所述绝热层由以下任意一种材料制成：氧化硅、多孔硅、多孔氧化硅薄膜。
[0015]可选的，述导热层由以下任意一种材料制成：碳化硅、石墨烯。
[0016]为了实现上述目的，本专利技术还提供一种针对上述介绍的MEMS矢量传声器的制备方法，所述制备方法包括：
[0017]步骤1：在硅基底顶面依次通过光刻和刻蚀的方式，以在所述硅基底顶面的两侧区域形成多孔硅；
[0018]步骤2：在经过步骤1处理后的所述硅基底顶面的全部区域沉积氮化硅层，并依次通过光刻和刻蚀的方式，以在所述硅基底顶面的两侧区域形成绝热层；
[0019]步骤3：在经过步骤2处理后的所述硅基底顶面的全部区域沉积碳化硅层，并依次通过光刻和刻蚀的方式，以在所述硅基底顶面形成被所述绝热层支撑的导热层；
[0020]步骤4：在经过步骤3处理后的所述硅基底顶面的全部区域溅射钛/铂金属层，并依次通过光刻和刻蚀的方式，以形成位于所述硅基底顶面的敏感层；其中，所述敏感层包括：电极、加热电阻和传感电阻，且所述电极位于所述绝热层上、所述加热电阻和传感电阻位于所述导热层上；
[0021]步骤5：根据所述绝热层和所述导热层的位置对所述硅基底进行刻蚀形成凹槽，使得所述绝热层位于所述凹槽两侧的凸台上且所述导热层悬空在所述凹槽上，从而得到所述MEMS矢量传声器。
[0022]可选的，步骤1，具体包括：
[0023]在所述硅基底顶面的中间区域进行光刻，以形成电化学刻蚀掩膜；
[0024]对所述硅基底顶面的两侧区域进行电化学刻蚀以形成多孔硅，并对所述硅基底进行清洗以去除光刻胶。
[0025]可选的，步骤2，具体包括：
[0026]在所述硅基底顶面的全部区域沉积氮化硅层；
[0027]在所述氮化硅层的中间区域进行光刻，以形成干法刻蚀掩膜；
[0028]对所述氮化硅层的两侧区域进行刻蚀，制备热氧化掩膜，并对所述硅基底进行清洗以去除光刻胶；
[0029]对所述硅基底进行热氧化，以在所述硅基底顶面的两侧区域形成绝热层；
[0030]对位于所述硅基底顶面的中间区域的氮化硅层进行刻蚀，并去除热氧化掩膜。
[0031]可选的，步骤3，具体包括：
[0032]在所述硅基底顶面的全部区域沉积碳化硅层；
[0033]在所述碳化硅层上进行光刻，以形成导热层图案膜；
[0034]对所述碳化硅层中不被所述导热层图案膜覆盖的区域进行刻蚀，并对所述硅基底进行清洗以去除光刻胶，以在所述硅基底顶面形成被所述绝热层支撑的导热层；
[0035]步骤4，具体包括：
[0036]在所述硅基底顶面的全部区域溅射钛/铂金属层；
[0037]在所述钛/铂金属层上进行光刻，以形成敏感层图案膜；
[0038]对所述钛/铂金属层中不被所述敏感层图案膜覆盖的区域进行刻蚀，并对所述硅基底进行清洗以去除光刻胶，以形成位于所述硅基底顶面的敏感层。
[0039]本专利技术提供的MEMS矢量传声器及其制备方法，解决了现有MEMS矢量传声器因在低频和高频频带内响应特性衰减而引起的声信号在接收和后续处理上产生严重失真的技术问题。通过在基底和导热层之间加入采用低导热系数的材料制备而成的绝热层，以用来隔绝基底、导热层和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MEMS矢量传声器，用于测量声场质点振速，其特征在于，所述MEMS矢量传声器包括：基底、绝热层、导热层和敏感层；其中，所述敏感层包括：电极、加热电阻和传感电阻；在所述基底顶部开设有前后贯通的凹槽，以在所述基底的左右两侧形成两个凸台；所述绝热层分别布置在所述两个凸台上，且在所述绝热层上布置有所述电极；所述导热层被所述绝热层支撑，以悬空在所述凹槽上；所述加热电阻和传感电阻布置在所述导热层上，且所述加热电阻和传感电阻的两端分别与所述电极连接；所述绝热层用于隔绝所述基底、导热层和敏感层之间的热传导；所述导热层用于增加加热电阻和传感电阻之间的热扩散；所述加热电阻用于在电流激励下形成空间温度场；所述传感电阻用于当声波引入质点振速而导致所述空间温度场发生受迫对流扰动时产生温度差，以便于通过电桥电路解调所述电阻差以测量声场质点振速。2.根据权利要求1所述的MEMS矢量传声器，其特征在于，所述敏感层包括：六个电极、一个加热电阻和两个传感电阻，且所述两个传感电阻位于所述加热电阻两侧。3.根据权利要求1所述的MEMS矢量传声器，其特征在于，所述加热电阻的电阻温度系数为零，以及所述传感电阻的电阻温度系数大于2000ppm/℃。4.根据权利要求1所述的MEMS矢量传声器，其特征在于，所述基底由以下任意一种材料制成：单晶硅、多晶硅、氧化硅。5.根据权利要求1所述的MEMS矢量传声器，其特征在于，所述绝热层由以下任意一种材料制成：氧化硅、多孔硅、多孔氧化硅薄膜。6.根据权利要求1所述的MEMS矢量传声器，其特征在于，所述导热层由以下任意一种材料制成：碳化硅、石墨烯。7.一种针对权利要求1至6中任一项所述的MEMS矢量传声器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：步骤1：在硅基底顶面依次通过光刻和刻蚀的方式，以在所述硅基底顶面的两侧区域形成多孔硅；步骤2：在经过步骤1处理后的所述硅基底顶面的全部区域沉积氮化硅层，并依次通过光刻和刻蚀的方式，以在所述硅基底顶面的两侧区域形成绝热层；步骤3：在经...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏晓村，刘云飞，周瑜，冯杰，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三研究所，
类型：发明
国别省市：