[發明專利]一種聲場質點振速敏感結構及制備方法

在審

• 申請號: 201811610266.2
• 申請日: 2018-12-27
• 公開（公告）號: CN109696236A
• 公開（公告）日: 2019-04-30
• 發明（設計）人: 劉云飛;周瑜;馮杰
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第三研究所
• 主分類號: G01H11/06
• 分類號: G01H11/06;G01P3/50;B81C1/00
• 代理公司: 北京天盾知識產權代理有限公司 11421
• 代理人: 張彩珍

本發明涉及一種聲場質點振速敏感結構及制備方法，硅襯底上形成有橋孔，橋孔的兩側分別設有電極，兩側的電極之間設有薄絲，其特征在于：所述薄絲為多個薄絲，并且對應每個薄絲，在橋孔的兩側相應各設有1個電極；所述多個薄絲中位于最外側的薄絲為通電加熱薄絲，其余薄絲為敏感薄絲；所述聲場質點振速敏感結構為單側非等間距橋式薄絲敏感結構。本發明采用單側非等間距橋式薄絲敏感結構，可有效抑制敏感單元有限長度邊界熱傳導效應，改善傳感器在低頻段響應特性，提升敏感結構對低頻聲場質點振速的響應靈敏度。

技術領域

本發明涉及一種聲場質點振速敏感結構及制備方法。

背景技術

在大量聲學測量應用研究中，由于聲強測量及其頻譜分析對噪聲源的特性研究有著獨特的優越性，成為聲學研究的一種有力工具。通常情況下，聲強信息的獲取需要測量聲場中的聲壓和質點振速。

現有質點振速傳感器的敏感結構為，利用微機電系統工藝(MEMS)技術，在硅基襯底上制備由數條相距很近的金屬鉑電阻絲(薄絲)構成的敏感結構，可直接測量空間聲場傳播引起的媒介分子振動速度——聲場質點振速，具體結構為，硅襯底上形成有橋孔，橋孔的一側上設有第一電極，橋孔的另一側上設有第二電極、第三電極，橋孔上方設有第一薄絲、第二薄絲，第一薄絲、第二薄絲平行設置且保持微間距，兩個薄絲的一端均與第一電極連接，兩個薄絲的另一端分別與第二電極、第三電極連接。工作時，鉑電阻絲被加熱到約200℃以上，當聲波入射到傳感器時，媒介質點(空氣、水或蓖麻油等)的往復振動形成受迫對流傳熱，將一根鉑絲的熱量傳遞給另一根鉑絲，造成兩根鉑絲的溫度發生相反方向的改變，因而它們的電阻值出現差異。借助于惠斯通電橋電路，把阻值的變化轉化為電壓的變化輸出。熱鉑絲的阻值變化幅度與媒介質點振動速度幅度存在依從關系，從而可以利用兩根鉑絲來測量聲場媒介質點振速矢量信息。

現有聲場質點振速敏感結構存在的不足之處在于，由于上述質點振速測量傳感器敏感結構的材料特性和其拓撲結構具有有限長度邊界熱傳導效應，導致熱量從邊界的流失速率高于由低頻聲波引起的熱交換速率，使得傳感器在低頻段響應特性惡化嚴重。該質點振速測量傳感器在100Hz以下的低頻頻段內其靈敏度隨頻率降低而顯著衰減，引起聲信號在接收和后續處理上產生失真，信噪比降低，使傳感器的有效工作頻率下限不足。由于多數噪聲特性分析、聲源目標探測等研究領域主要集中在低頻段聲波，這也限制了這種質點振速測量傳感器的廣泛應用。

發明內容

本發明的發明目的在于提供一種聲場質點振速敏感結構及制備方法，能夠有效提升聲場質點振速敏感結構的低頻響應特性。

基于同一發明構思，本發明具有兩個獨立的技術方案：

1、一種聲場質點振速敏感結構，硅襯底上形成有橋孔，橋孔的兩側分別設有電極，兩側的電極之間設有薄絲，其特征在于：所述薄絲為多個薄絲，并且對應每個薄絲，在橋孔的兩側相應各設有1個電極；所述多個薄絲中位于最外側的薄絲為通電加熱薄絲，其余薄絲為敏感薄絲；所述聲場質點振速敏感結構為單側非等間距橋式薄絲敏感結構。

進一步地，所述多個薄絲由外至內排列，薄絲間距由外至內逐步變大。

進一步地，通電加熱薄絲的寬度大于敏感薄絲的寬度。

進一步地，各敏感薄絲的寬度、結構及材料相同。

進一步地，通電加熱薄絲的寬度為8～10μm，敏感薄絲的寬度為1～2μm。

進一步地，所述薄絲的間距為10～500μm。

進一步地，各薄絲的厚度相同，均為0.1μm～0.5μm。

進一步地，所述薄絲包括由下至上依次布置的支撐層、黏附層和敏感層。

進一步地，所述薄絲的敏感層由金屬材料、半導體材料、石墨烯二維材料中的一種、兩種或三種材料構成。