[實用新型]一種防御聲學攻擊的MEMS慣性傳感器

有效

• 申請號: 201820764546.8
• 申請日: 2018-05-22
• 公開（公告）號: CN208317007U
• 公開（公告）日: 2019-01-01
• 發明（設計）人: 吳麗翔;王俊力
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: H04R19/00
• 分類號: H04R19/00;H04R31/00
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

本實用新型涉及一種防御聲學攻擊的MEMS慣性傳感器。現有薄膜型聲學超材料結構尺寸過大。本實用新型包括MEMS慣性傳感器模塊和防御聲學攻擊模塊。MEMS慣性傳感器模塊由下向上依次包括第一硅襯底、第一SiO₂刻蝕停止層、下多晶硅圓環電極、SiO₂支撐層、上多晶硅振膜層、SiN_x質量塊，上多晶硅振膜層架設在第一背腔上。防御聲學攻擊模塊由下向上依次包括第二硅襯底、第二SiO₂刻蝕停止層和多晶硅振膜層，多晶硅振膜層架設在阻尼腔上。上多晶硅振膜層和多晶硅振膜層設置有環形彈性結構。本實用新型可以有效減弱入射攻擊聲波的能量，能夠預防大范圍聲波頻率的攻擊。

技術領域

本實用新型屬于傳感器安全技術領域，具體涉及一種防御聲學攻擊的MEMS慣性傳感器。

背景技術

相對于傳統傳感器，基于微機電系統(MEMS)的傳感器在尺寸、成本、功耗、可靠性等方面都具有明顯優勢。因此，它被廣泛應用于新型消費電子領域。其中，MEMS慣性傳感器(通常包括MEMS加速度計和MEMS陀螺儀)是一種最典型的MEMS傳感器，在智能手機、無人駕駛汽車、無人機、可穿戴設備等需要導航定位功能的電子產品上都有配備。

MEMS慣性傳感器的簡化物理模型是質量塊-彈簧機械系統：在運動過程中，如果質量塊的運動狀態發生改變，就會產生慣性力。按照牛頓第二定律，與質量塊連接的彈簧會發生形變或產生位移，從而通過彈性力平衡慣性力，使質量塊保持力學平衡。然而，正如固體存在共振現象，質量塊-彈簧組成的簡易機械系統也存在特有共振頻率。如果能量足夠強、頻率在共振頻率附近，聲波會使MEMS慣性傳感器發生強烈的共振響應，導致角速度或角速率測量不準確，甚至完全失效。

正是利用MEMS慣性傳感器的共振特性，最近硬件安全研究者提出了一種叫做共振聲學注入攻擊(acoustic injection attacks)的技術，通過惡意制造的高頻聲波使裝備了慣性傳感器的智能電子產品失去運動自控能力，或者被欺騙劫持。無人機、自動駕駛汽車都是最直接的攻擊目標。另外，還有一種不可聽聲波攻擊技術，通過超聲波調制低頻聲學信號，進而借助語音識別系統(如Siri)來控制整個智能終端系統。

目前，最前沿的消聲或隔音技術是基于薄膜型聲學超材料的技術，其能夠在100～1000 Hz頻率范圍內打破聲音衰減的質量密度定律，有效防止低頻噪聲干擾。傳統消聲方法一般需要較厚的吸收材料，它的尺寸與空氣中傳播的低頻聲波的波長相當(典型的在1～10m)，而薄膜型聲學超材料的尺寸最小可達幾厘米。然而，幾個厘米的聲學超材料比MEMS慣性傳感器仍然大了一個量級，無法將二者緊湊集成。

發明內容

本實用新型的目的就是針對傳統MEMS慣性傳感器不具備聲學攻擊防御功能，以及現有薄膜型聲學超材料結構尺寸過大等問題，提供一種具備聲學攻擊防御功能的MEMS慣性傳感器，實現寬頻段有效消聲，防止惡意聲學共振攻擊，提高傳感器的集成性和安全性。

本實用新型包括兩個模塊：MEMS慣性傳感器模塊和防御聲學攻擊模塊，防御聲學攻擊模塊設置在MEMS慣性傳感器模塊的上方。

所述的MEMS慣性傳感器模塊由下向上依次包括第一硅襯底、第一SiO₂刻蝕停止層、下多晶硅圓環電極、SiO₂支撐層、上多晶硅振膜層、SiN_x質量塊。

貫穿第一硅襯底、第一SiO₂刻蝕停止層、下多晶硅圓環電極、SiO₂支撐層開設有階梯狀圓筒形的第一背腔，其中貫穿SiO₂支撐層部分的圓形橫截面直徑大于貫穿下多晶硅圓環電極部分的圓形橫截面直徑。

圓形的上多晶硅振膜層架設在第一背腔上；所述的上多晶硅振膜層靠近邊沿位置設置有圓環形的彈性結構，彈性結構的圓周外沿與第一背腔的內壁對應；所述的彈性結構由圓周排列的多組通槽組成，增加彈性結構環形內部分的上多晶硅振膜的彈性。