低频MEMS矢量传声器及其制备方法与流程

低频mems矢量传声器及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及矢量传声器技术领域，尤其涉及一种低频mems矢量传声器及其制备方法。


背景技术：

2.矢量传声器直接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，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。
3.现有矢量传声器采用平行铂丝悬梁结构，工作时铂丝在电源激励下发热，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，造成铂丝之间的非对称温度变化，铂丝之间形成微小温差，由电热阻效应转化为微小电阻差，可通过电桥电路解调来获得响应质点振速的电压输出，从而实现对质点振速信息的直接测量。目前矢量传感器对低频的声场灵敏度差，在100hz以下的频段，矢量传声器的灵敏度随频率减小而显著衰减。


技术实现要素：

4.本发明提供一种低频mems矢量传声器及其制备方法，针对mems矢量传声器敏感结构的流体动力学构成进行优化设计，减小边界层对矢量传感器探测性能的影响。
5.本发明实施例提供的低频mems矢量传声器，包括：
6.敏感层，包括多组电极和电阻；
7.结构层，用于支撑所述敏感层，所述结构层为细丝结构层；
8.基底，所述基底的正面用于支撑所述结构层，所述基底的正面形成有内凹的拾音槽，所述敏感层和所述结构层的至少部分覆盖于所述拾音槽的上方，所述拾音槽的深度为h1，预设低频声场在所述拾音槽槽壁的边界层厚度为h2，满足：h1＞h2。
9.根据本发明实施例的低频mems矢量传声器，增加悬空细丝的悬空高度，使其超出基底边界层高度，减少基底边界处切变粘滞效应对声场质点振速影响，提高低频mems矢量传声器低频段灵敏度。
10.根据本发明的一些实施例，所述预设低频声场在所述拾音槽槽壁的边界层厚度为h2的范围为：500～1500微米。
11.在本发明的一些实施例中，所述基底包括层叠键合的多片硅片，所述拾音槽至少贯穿位于最上层的所述硅片。
12.根据本发明的一些实施例，所述电阻包括：
13.加热电阻，用于形成温度场；
14.传感电阻，用于感应并传导声波引起的所述温度场的变化。
15.在本发明的一些实施例中，所述加热电阻，由多晶硅掺杂或电阻丝制成；所述传感电阻，由金属材料或掺杂掺杂剂的多晶硅制成。
16.根据本发明的一些实施例，所述结构层的为氮化硅-氧化硅复合结构层，所述基底材料为mems工艺材料，具体为单晶硅、多晶硅和氧化硅中至少一者。
17.本发明还提供了一种低频mems矢量传声器制备方法，所述方法用于制备本发明一些实施例中的低频mems矢量传声器，所述方法包括：
18.s100：在第一硅片的正面和背面沉积复合薄膜，制备基底；
19.s200：在基底的正面溅射金属层；
20.s300：在金属层上旋涂光刻胶，并通过光刻形成敏感层图案；
21.s400：刻蚀金属层，形成敏感层；
22.s500：清洗硅片，去除光刻胶；
23.s600：在基底的正面上旋涂光刻胶，光刻形成结构层图案；
24.s700：刻蚀复合薄膜，形成细丝结构层；
25.s800：清洗硅片，去除光刻胶；
26.s900：用湿法刻蚀基底，制备基底的拾音槽，拾音槽的深度大于预设低频声场在所述拾音槽槽壁的边界层厚度；
27.s1000：使用激光划片，分割出低频mems矢量传声器。
28.根据本发明实施例的低频mems矢量传声器制备方法，通过增加悬空细丝的悬空高度，使其超出基底边界层高度，减少基底边界处切变粘滞效应对声场质点振速影响，提高低频mems矢量传声器低频段灵敏度。
29.根据本发明的一些实施例，在步骤s800和s900之间还包括：
30.s810：在第一硅片的背面进行刻蚀，去除复合薄膜；
31.s820：将第一硅片的背面与第二硅片进行键合。
32.在本发明的一些实施例中，所述拾音槽贯穿所述第一硅片并延伸至所述第二硅片。
33.根据本发明的一些实施例，步骤s820中的键合采用硅硅键合工艺或阳极键合工艺。
附图说明
34.图1为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器使用一片硅片为基底的制备方法流程图；
35.图2为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器使用多片硅片为基底的制备方法流程图；
36.图3为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的侧视图；
37.图4为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的俯视图；
38.图5为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s100所制备的结构侧视图；
39.图6为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s100所制备的结构俯视图；
40.图7为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s200所制备的结构侧视图；
41.图8为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s200所制备的结构俯视图；
42.图9为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s300所制备的结构侧视图；
43.图10为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s300所制备的结构俯视图；
44.图11为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s400所制备的结构侧视图；
45.图12为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s400所制备的结构俯视图；
46.图13为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s500所制备的结构侧视图；
47.图14为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s500所制备的结构俯视图；
48.图15为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s600所制备的结构侧视图；
49.图16为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s600所制备的结构俯视图；
50.图17为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s700所制备的结构侧视图；
51.图18为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s700所制备的结构俯视图；
52.图19为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s800所制备的结构侧视图；
53.图20为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s800所制备的结构俯视图；
54.图21为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s900所制备的结构侧视图；
55.图22为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s900所制备的结构俯视图；
56.图23为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s1000所制备的结构俯视图；
57.图24为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s810所制备的结构俯视图；
58.图25为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中步骤s820所制备的结构俯视图；
59.图26为根据本发明实施例的低频mems矢量传声器的制备方法中通过多片硅片键合成基底制得的低频mems矢量传声器的侧视图。
60.附图标记：
61.mems矢量传声器1000，
62.敏感层1，电极10，电阻11，加热电阻110，传感电阻120，
63.结构层2，复合薄膜21，
64.基底3，第一硅片31，第二硅片32，拾音槽33，
65.光刻胶4，金属层5。
具体实施方式
66.为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
67.现有矢量传声器采用平行细丝悬梁结构，传热介质为空气，工作时会形成空间温度场。当声波直接引入质点振速时会引起空间温度场的扰动，敏感丝通过感知温度扰动可检测到声场的质点振速信息。平行细丝悬梁结构由基底支撑，与基底表面存在微小间距。
68.根据mems矢量传感器流体动力学模型，由于实际流体存在切边粘滞，从而在边界附近形成一很薄的边界层。在这一层内，流动速度很快地从边界处的零值增加到与远离边界处的正常速度值相接近，频率愈高，这一边界层就愈薄。当声场频率较低时，基底表面形成的边界层较厚，平行细丝悬梁处声场质点振速受影响较大，导致矢量传感器低频声场灵敏度出现显著衰减。矢量传感器在低频频带内响应特性衰减，将严重影响导致矢量传感器对低频声场特性目标的探测。
69.本发明旨在一定程度上解决上述技术问题，提出了一种低频mems矢量传声器及其制备方法。
70.本发明实施例提供的低频mems矢量传声器1000，如图3和图4所示，包括：敏感层1、结构层2和基底3，其中，敏感层1包括多组电极10和电阻11，结构层2为细丝结构层2且用于支撑敏感层1，基底3的正面用于支撑结构层2，基底3的正面形成有内凹的拾音槽33，敏感层1和结构层2的至少部分覆盖于拾音槽33的上方，拾音槽33的深度为h1，预设低频声场在拾音槽33槽壁的边界层厚度为h2，满足：h1＞h2。
71.其中，根据mems矢量传声器1000流体动力学模型，由于实际流体存在切边粘滞，从而在基底3边界附近形成一很薄的边界层。在这一层内，流动速度很快地从边界处的零值增加到与远离边界处的正常速度值相接近，频率愈高，这一边界层就愈薄。设边界层厚度为h2，声波频率为ω，动力学粘滞系数为ν，则：h2＝(ν/ω)1/2。
72.根据本发明实施例的低频mems矢量传声器1000，增加悬空细丝的悬空高度，使其超出基底3边界层高度，减少基底3边界处切变粘滞效应对声场质点振速影响，提高低频mems矢量传声器1000低频段灵敏度。
73.根据本发明的一些实施例，预设低频声场在拾音槽33槽壁的边界层厚度为h2的范围为：500～1500微米。其中，对于低频声场，基底3边界处的边界层厚度在500～1500微米左右，本发明通过增加基底3与悬空细丝之间的距离，使其超过基底3形成的边界层厚度，减少或隔绝流体的切变粘滞对mems矢量传声器1000灵敏度的影响。
74.在本发明的一些实施例中，基底3包括层叠键合的多片硅片，拾音槽33至少贯穿位于最上层的硅片。如图26所示，基底3可以由第一硅片31和第二硅片32通过键合等方式连接而成。
75.根据本发明的一些实施例，电阻11包括：用于形成温度场的加热电阻110和用于感应并传导声波引起的温度场的变化的传感电阻120。
76.具体而言，如图4所示，在低频mems矢量传声器1000工作时，加热电阻110和传感电阻120在在电流激励下耗散热量，在悬空细丝附近形成空间温度场。声波引入质点振速时引起空间温度场发生受迫对流扰动，传感电阻120的温度发生微小非对称温度变换，形成温度差，引起传感电阻120产生微小电阻差，通过电桥电路解调该微小电阻差可实现声场质点振速的测量。
77.在本发明的一些实施例中，如图4所示，加热电阻110，由多晶硅掺杂或电阻丝制成；传感电阻120，由金属材料或掺杂掺杂剂的多晶硅制成。
78.根据本发明的一些实施例，结构层2的为氮化硅-氧化硅复合结构层2，基底3材料为mems工艺材料，具体为单晶硅、多晶硅和氧化硅中至少一者。其中，采用氮化硅-氧化硅复合结构层2具备的良好的机械性能，以支撑敏感层1。
79.本发明实施例提供的低频mems矢量传声器制备方法，该方法用于制备本发明一些实施例中的的低频mems矢量传声器1000，如图1和图5至图23所示，制备方法包括：
80.s100：在第一硅片的正面和背面沉积复合薄膜，制备基底。其中，复合薄膜可以为氧化硅-氮化硅复合薄膜。
81.s200：在基底的正面溅射金属层；
82.s300：在金属层上旋涂光刻胶，并通过光刻形成敏感层图案；
83.s400：刻蚀金属层，形成敏感层；
84.s500：清洗硅片，去除光刻胶；
85.s600：在基底的正面上旋涂光刻胶，光刻形成结构层图案；
86.s700：刻蚀复合薄膜，形成细丝结构层。通过将氧化硅-氮化硅复合薄膜制备得到细丝结构层，以支撑敏感层。
87.s800：清洗硅片，去除光刻胶；
88.s900：用湿法刻蚀基底，制备基底的拾音槽，拾音槽的深度大于预设低频声场在拾音槽槽壁的边界层厚度；
89.s1000：使用激光划片，分割出低频mems矢量传声器。
90.根据本发明实施例的低频mems矢量传声器制备方法，在各步骤中利用光刻胶4进行结构层2和敏感层1的图案刻蚀，并通过增加悬空细丝的悬空高度，使其超出基底3边界层高度，减少基底3边界处切变粘滞效应对声场质点振速影响，提高低频mems矢量传声器1000低频段灵敏度。
91.根据本发明的一些实施例，根据mems矢量传声器1000结构设计，细丝的悬空高度受传声器厚度制约，mems矢量传声器1000厚度越厚，细丝的悬空高度越大，在上述制备方法中通过使用厚度较大的硅片，并通过加深蚀刻深度的方法制备出较深的拾音槽33以提高细丝的悬空高度，另外还可以通过采用硅片键合工艺，将两片硅片键合在一起，实现硅片加厚，然后进行刻蚀，因此，如图2和图24至图26所示，在步骤s800和s900之间还可以包括：
92.s810：在第一硅片的背面进行刻蚀，去除复合薄膜；
93.s820：将第一硅片的背面与第二硅片进行键合。其中，键合后的第一硅片和第二硅片形成新的基底。
94.在本发明的一些实施例中，拾音槽33贯穿第一硅片31并延伸至第二硅片32，以此，通过将拾音槽33贯穿多片硅片，就可以在由多片硅片键合而成的基底3上制备出尽可能深的拾音槽33，从而进一步提高mems矢量传声器1000的性能。
95.根据本发明的一些实施例，步骤s820中的键合采用硅硅键合工艺或阳极键合工艺。采用阳极键合时，键合边界处的氧化硅可以作为步骤s900的蚀刻的自停止界面，此时，需要使第一硅片31的厚度大于或等于边界层的厚度，从而使得将第一硅片31蚀刻而形成的拾音槽33的深度大于等于边界层的厚度。
96.通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。