[發(fā)明專(zhuān)利]一種新型MEMS仿生聲矢量傳感器及其加工方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110366771.9
• 申請(qǐng)日: 2011-11-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102508203A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 苑偉政;劉振亞;任森;鄧進(jìn)軍;莊成乾
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01S5/22
• 分類(lèi)號(hào): G01S5/22;G01H11/06;B81B3/00;B81C1/00
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專(zhuān)利中心 61204
• 代理人: 呂湘連

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種新型MEMS仿生聲矢量傳感器結(jié)構(gòu)，屬于聲學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

聲學(xué)探測(cè)定位技術(shù)在海洋、低空和地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。寄生蠅微小而結(jié)構(gòu)獨(dú)特的聽(tīng)覺(jué)器官所表現(xiàn)出令人驚訝的定位能力，它利用兩耳之間鼓膜間橋的機(jī)械耦合作用，放大聲波到達(dá)左右兩側(cè)鼓膜的時(shí)間差(相位差)，神經(jīng)系統(tǒng)分辨不同入射角度時(shí)產(chǎn)生的不同相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)聲源的定位。

目前國(guó)內(nèi)外許多研究人員針對(duì)寄生蠅的生理特性，研制出用于聲源定位的矢量傳感器。加利福尼亞大學(xué)的Shivok等通過(guò)逐層沉積的方法，加工出了敏感頻率為3.5KHz的矢量傳感器，但由于工作頻率較高，水下傳播損耗大，不利于監(jiān)測(cè)低頻的艦船噪聲(Shivok，T.J.Mems?Polymumps-Based?Mini-ature?Microphone?for?Directional?Sound?Sensing，Master’s?Thesis，Monterey，CA：Naval?Postgraduate.School.2007)。西北工業(yè)大學(xué)的安鵬等設(shè)計(jì)出了工作頻率在1KHz的MEMS聲矢量傳感器敏感結(jié)構(gòu)，但由于整個(gè)器件采用加強(qiáng)筋增強(qiáng)膜片剛度，工藝出現(xiàn)高臺(tái)階，加工難度比較大，而且只能局限在聲學(xué)測(cè)試，無(wú)法進(jìn)行常規(guī)電學(xué)檢測(cè)。(安鵬，苑偉政，任森.仿生聲壓梯度敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工方法研究.傳感技術(shù)學(xué)報(bào).2010.23(6)：777-781。)

發(fā)明內(nèi)容：

為優(yōu)化器件加工工藝，保持低頻工作頻率，而且能通過(guò)電學(xué)檢測(cè)將器件集成在電路中，增強(qiáng)器件的可用性，本發(fā)明提出一種新型MEMS仿生聲矢量傳感器及其加工方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種新型MEMS仿生聲矢量傳感器，包括硅結(jié)構(gòu)層和玻璃結(jié)構(gòu)層；

所述硅結(jié)構(gòu)層包括左側(cè)振動(dòng)膜片1、右側(cè)振動(dòng)膜片2、水平梁3、豎直梁4；左側(cè)振動(dòng)膜片1和右側(cè)振動(dòng)膜片2均為正方形，兩者通過(guò)水平梁3連接；與所述水平梁3形成十字連接的豎直梁4，通過(guò)兩個(gè)端點(diǎn)與錨點(diǎn)區(qū)相連，且左側(cè)振動(dòng)膜片1、右側(cè)振動(dòng)膜片2和水平梁3與周邊錨點(diǎn)區(qū)之間通過(guò)狹縫8分離，使得左側(cè)振動(dòng)膜片1、右側(cè)振動(dòng)膜片2和水平梁3一起形成懸置結(jié)構(gòu)；為了避免振動(dòng)過(guò)程中正方形膜片不必要的變形以便于檢測(cè)，左側(cè)振動(dòng)膜片1和右側(cè)振動(dòng)膜片2，下方存在加強(qiáng)肋5，這樣就能在不過(guò)大增大膜片質(zhì)量的同時(shí)，保證膜片的剛度；左側(cè)振動(dòng)膜片1和右側(cè)振動(dòng)膜片2上均有可動(dòng)梳齒6，并與連在錨點(diǎn)區(qū)域9的固定梳齒7形成梳齒對(duì)；

所述玻璃結(jié)構(gòu)層通過(guò)玻璃鍵合臺(tái)10與硅結(jié)構(gòu)層的錨點(diǎn)區(qū)域9鍵合；與硅結(jié)構(gòu)層懸置結(jié)構(gòu)區(qū)域相應(yīng)位置有凹槽11。

相互連接的兩正方形膜片1和2，對(duì)應(yīng)于寄生蠅聽(tīng)覺(jué)器官中的兩鼓膜。兩正方形膜片通過(guò)水平梁3實(shí)現(xiàn)耦合，即水平梁起到類(lèi)似于鼓膜間橋的作用，而垂直梁4提供振動(dòng)過(guò)程中的回復(fù)扭轉(zhuǎn)力矩。硅結(jié)構(gòu)層和玻璃結(jié)構(gòu)層通過(guò)錨點(diǎn)區(qū)域9和玻璃鍵合臺(tái)10鍵合，形成流體空腔。可變梳齒6和固定梳齒7形成的梳齒對(duì)，使得該MEMS仿生聲矢量傳感器可以通過(guò)電容、光學(xué)等檢測(cè)方法來(lái)獲取敏感結(jié)構(gòu)所包含兩正方形振膜的位移，通過(guò)比較聲波作用下兩振膜的幅值差和相位差，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波入射方位的測(cè)量。

所述MEMS仿生聲矢量傳感器采用基于SOG的工藝，其加工方法具體步驟如下：

步驟一：選取SOI硅片；

步驟二：刻蝕，在SOI硅片的器件層上形成左側(cè)振動(dòng)膜片1、右側(cè)振動(dòng)膜片2、水平梁3、豎直梁4、加強(qiáng)肋5和錨點(diǎn)區(qū)域9；

步驟三：在玻璃上濕法刻蝕，形成微凹槽11，未刻蝕部分形成玻璃鍵合臺(tái)10；

步驟四：將步驟三形成的玻璃鍵合臺(tái)10和步驟二形成的錨點(diǎn)區(qū)域9陽(yáng)極鍵合；

步驟五：去除SOI硅片的底層和埋層；

步驟六：背面刻蝕，形成可變梳齒6、固定梳齒7和狹縫8，使器件層上結(jié)構(gòu)懸空。

上述加工方法中，為了提高器件的檢測(cè)電容變化量，并使得步驟四的鍵合工藝更易完成，步驟一選取的SOI硅片電阻率越小越好。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

一、結(jié)構(gòu)方面：側(cè)邊增加梳齒以及固定梳齒端和結(jié)構(gòu)固定端增加電極，彌補(bǔ)了以往結(jié)構(gòu)由于存在加強(qiáng)肋無(wú)法進(jìn)行電容檢測(cè)的缺陷。本發(fā)明可通過(guò)檢測(cè)電容變化量檢測(cè)出振動(dòng)幅度曲線，依次計(jì)算出前兩階模態(tài)頻率時(shí)的振幅和阻尼，再通過(guò)器件旁邊的測(cè)試性麥克風(fēng)測(cè)得的聲壓值，可計(jì)算出聲波的入射角度，實(shí)現(xiàn)聲源的定位。