[發明專利]一種寬響應頻帶質點振速傳感器

在審

• 申請號: 202010863143.0
• 申請日: 2020-08-25
• 公開（公告）號: CN111854933A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 謝奕;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: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00;B81B7/02
• 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

本發明涉及一種寬響應頻帶質點振速傳感器，包括敏感元件，其特征在于，所述敏感元件(2)包括：襯底(21)，其上形成一橋孔(211)；和若干敏感絲(20)，平行置于所述橋孔(211)上；所述敏感絲(20)由上至下依次包括敏感材料層(206)和支撐層(205)，所述敏感材料層(206)為中空結構。本發明采用中空結構的敏感絲，降低敏感絲的等效密度，從而降低敏感絲的熱質量，提升結構熱交換速率，從而有效提升了傳感器的響應頻率上限，擴展了傳感器的響應頻帶，且能夠不失真地對寬頻聲音信號的質點振速進行探測。

技術領域

本發明涉及傳感器領域，特別涉及一種寬響應頻帶質點振速傳感器。

背景技術

聲信號包含標量聲壓信號和矢量質點振速信號兩個參量值，他們分別反應了聲場的不同特性。其中，聲場矢量質點振速信號攜帶有聲波傳播方向信息，能夠用于聲源定位追蹤，聲場成像等多個方面，在空氣聲學、水聲學等多種領域之中有廣泛的應用前景。對于標量聲壓信號，可以通過駐極體電容式傳聲器、壓電換能器等多種傳感器進行測量。對于聲矢量信號，傳統的測量方法一般是基于聲壓梯度原理進行間接測量，即通過一定間距上的兩個傳聲器所探測到的聲壓進行梯度計算，間接獲得質點振速信號。傳統的聲矢量信號測量方法往往存在測量精度低，傳感器陣列孔徑尺寸較大等多種問題。

上世紀90年代末，荷蘭相關研究人員基于微機電(MEMS)工藝，提出了一種基于熱溫差式的質點振速傳感器，可以直接測量聲波的質點振速信號。當聲信號作用于這種傳感器時，該傳感器可以通過測溫梁(熱阻絲)的溫度的變化來實現對聲波質點振速信號的直接測量。基于這種結構的傳感器具有工藝簡單，陣列孔徑小、測量精度高等多種優勢，同時具有良好的指向性。

當前，熱溫差式質點振速傳感器主要有兩種結構：一種為平行并列，具有一定間距的三根熱阻絲結構，即位于中間位置的加熱絲以及對稱分布在加熱絲兩側的兩根敏感絲；另一種為平行并列，具有一定間距的兩根熱阻絲結構，兩根熱阻絲既是敏感絲也是加熱絲。當聲音信號作用于這種結構的質點振速傳感器時，兩根敏感絲的溫度會受聲音信號的影響出現擾動，從而使兩根敏感絲的阻值出現差異，從而實現對聲音信號質點振速的探測。

對于熱差分式質點振速傳感器，傳感器材料及敏感絲結構都會對傳感器性能有較大的影響。當前，對于傳統的熱溫差式質點振速傳感器，多通過MEMS工藝等工藝手段，采用多種材料設計并制作實心結構的敏感絲。其中，多采用鉑作為敏感材料，同時選用二氧化硅、氮化硅、鉻等材料形成結合層、承載層、粘附層等結構。傳統熱溫差式質點振速傳感器敏感絲的截面結構示意圖如圖1所示。

然而，基于上述結構的傳統熱溫差式質點振速傳感器由于其敏感層材料存在有限的熱質量，導致在響應高頻聲信號時熱交換速率難以跟上聲波振幅變化速率，從而無法實現較寬的響應頻帶。這將導致傳感器在探測寬頻聲音信號時出現失真，頻帶內噪聲大等一系列問題。這一缺陷直接影響到了質點振速傳感器對寬頻聲音信號的探測，限制了質點振速傳感器的應用場景和適用范圍。Microflown等公司雖然曾通過硬件電路等方法，在一定程度上擴展了熱溫差式質點振速傳感器的響應頻帶，但隨之也引入了更大的噪聲。

發明內容

本發明要解決的技術問題是針對上述不足，提供一種具有高靈敏度、高信噪比的寬響應頻帶質點振速傳感器。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種寬響應頻帶質點振速傳感器，包括敏感元件，所述敏感元件包括：

襯底，其上形成一橋孔；和

若干敏感絲，平行置于所述橋孔上；

所述敏感絲由上至下依次包括敏感材料層和支撐層，所述敏感材料層為中空結構。

進一步的，所述的一種寬響應頻帶質點振速傳感器，所述敏感元件還包括：

若干對電極，設置于所述襯底上的所述橋孔兩側；