一種空氣聲質點振速傳感器及其製造方法
2023-09-20 03:45:05 1
一種空氣聲質點振速傳感器及其製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種空氣聲質點振速傳感器及其製造方法，該製造方法包括：⑴依次在矽襯底上沉積結合層和承載層，⑵依次塗膠，光刻和顯影，⑶依次濺射粘附層，濺射敏感層和剝離膠，⑷依次第二次塗膠，第二次光刻和第二次顯影，⑸依次反應離子刻蝕和除膠，⑹依次退火、劃片和腐蝕。經上述製造過程得到包括成形一體的一對薄絲、第一電極、第二電極和第三電極，以及矽襯底的空氣聲質點振速傳感器。本發明實現了對空氣聲質點振速的直接測量，其產品具有體積小、重量輕、成本低、一致性好和性能穩定的優點。
【專利說明】一種空氣聲質點振速傳感器及其製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及傳感器領域，特別涉及一種空氣聲質點振速傳感器及其製造方法。
【背景技術】
[0002]隨著MEMS熱式流量傳感器的不斷研究，如風速計和量熱器等傳感器技術均以發展成熟，一種能夠測量極小量速度的傳感器研究獲得青睞，主要用於測量空氣振動(聲)引起的質點振速，並且質點振速具有方向性。
[0003]傳感器的研究內容主要有兩個方面:一是基於原理的傳感器結構參數設計，與傳感器的性能參數直接相關，比如傳聲器的靈敏度、頻響和本底噪聲等；二是基於傳感器結構參數的MEMS工藝設計和製作，是傳感器能否實現的關鍵基礎。通過簡化的數值分析或軟體建模可通常可確定出傳感器的基本特徵尺寸，所以學者研究的重點大多放在實現傳感器結構的MEMS工藝設計和樣品製作的具體實驗實施上，以改善結構件的各項性能和提高成品率。
[0004]目前，傳統全向聲壓傳聲器是測量空氣聲聲壓P並且全向指向性，而對質點振速U的測量則是通過聲壓梯度的換算得到，例如聲強計。上述傳統傳感器對質點振速u的測量存在計算誤差。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是針對上述不足，提供一種空氣聲質點振速傳感器及其製造方法。
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0007]—種空氣聲質點振速傳感器,包括敏感元件,所述敏感元件為橋式結構,其包括:
[0008]娃襯底，其上形成一橋孔；和
[0009]一對薄絲，平行置於所述橋孔上；
[0010]所述矽襯底上，所述橋孔的一側形成第一電極，所述橋孔的另一側並列形成第二電極和第三電極；一對所述薄絲的一端共同連接所述第一電極，另一端分別連接所述第二電極和所述第三電極；
[0011]所述薄絲、所述第一電極、所述第二電極和所述第三電極一體成形，其由下至上依次由結合層、承載層、粘附層和敏感層組成。
[0012]所述的一種空氣聲質點振速傳感器的製造方法，步驟如下:
[0013]⑴依次在娃襯底上沉積結合層和承載層；
[0014]⑵依次塗膠，光刻和顯影；
[0015]⑶依次濺射粘附層，濺射敏感層和剝離膠；
[0016]⑷依次第二次塗膠，第二次光刻和第二次顯影；
[0017](5)依次反應離子刻蝕和除膠；
[0018](6)依次退火、劃片和腐蝕，形成橋孔，得到成品。[0019]本發明的優點與效果是:
[0020]本發明的空氣聲質點振速傳感器實現了對空氣聲質點振速的直接測量，其具有「8」字型指向性，可在二維平面內對目標聲源作無模糊定向。三個按照笛卡爾坐標系相互正交分布的空氣聲質點振速傳感器匹配一個全向聲壓傳聲器組成矢量傳聲器，在一定條件下，可在全空間內對目標聲源進行定位。本發明具有體積小、重量輕、成本低、一致性好和性能穩定的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明空氣聲質點振速傳感器的一實施例的結構不意圖；
[0022]圖2-1?2-6為以圖1中A-A截面示出的本發明空氣聲質點振速傳感器的製造方法的製造流程示意圖；
[0023]圖3為圖1中空氣聲質點振速傳感器的指向性測試圖。
[0024]附圖標記說明:
[0025]圖1中:101-矽襯底、102-橋孔、103-薄絲、104-第一電極、105-第二電極、106-第三電極；
[0026]圖2中:201-矽襯底、202-Si02結合層、203_Si3N4承載層、204-光刻膠、205_Cr粘附層、206-Pt敏感層、207- 二次光刻膠。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步詳細的說明:
[0028]如圖1所示，一種空氣聲質點振速傳感器包括敏感元件和轉換電路，其中敏感元件為橋式結構，包括:矽襯底101、薄絲103和電極。矽襯底101上形成一橋孔102，其截面為梯形或方形。一對薄絲103平行置於橋孔102上，一對薄絲的長度、形狀和結構等完全相同。電極包括第一電極104、第二電極105和第三電極106。在橋孔102的一側的娃襯底101上形成第一電極104,橋孔102的另一側的娃襯底101上並列形成第二電極和第三電極。一對薄絲103的一端共同連接第一電極104, —對薄絲103的另一端分別連接第二電極105和第三電極106。薄絲103、第一電極104、第二電極105和第三電極106成形為一體,其由下至上依次由結合層、承載層、粘附層和敏感層組成。
[0029]結合層為SiO2 ;承載層為Si3N4 ;粘附層為Cr或Ti，優選為Cr，Cr的粘附性更好；該傳感器的工作原理的主要依據是敏感層的熱阻效應，敏感層為Pt或Au，優選為Pt，Pt的熱阻效應更好，材料均勻性更好，抗氧化能力更強。
[0030]本發明的工作原理是在給定初始耗散功率下，基於熱阻效應的兩個薄絲被加熱到一定的相同工作溫度，理想的穩態下兩個薄絲的溫度和電阻均相同。當工作在空氣聲場中時，質點振速引起兩個薄絲產生溫差，熱阻效應使得兩個薄絲產生電阻差，通過電路解調該電阻差獲得相對應的質點振速，最終實現對空氣聲的測量。本發明空氣聲質點振速傳感器是一種微機電(MEMS)器件，其橋式結構的製備需要通過MEMS工藝來完成。
[0031]上述空氣聲質點振速傳感器的製造方法，步驟如下:
[0032]⑴依次在娃襯底上沉積結合層和承載層；
[0033]結合層作為過渡層，是為了避免矽襯底與承載層之間晶向的不匹配會造成承載層所受應力過大而斷裂。承載層必須是低應力的，避免其被釋放懸空後因應力過大而斷裂。粘附層是為了實現敏感層能夠更好的粘附到承載層上。
[0034]⑵依次塗膠，光刻和顯影；
[0035]⑶依次濺射粘附層，濺射敏感層和剝離膠；
[0036]濺射敏感層工藝可以獲得緻密性和均勻性更好的敏感層。
[0037]⑷依次第二次塗膠，第二次光刻和第二次顯影；
[0038](5)依次反應離子刻蝕和除膠；
[0039](6)依次退火、劃片和腐蝕，形成橋孔，得到成品。
[0040]退火工藝是為了提高敏感層熱阻係數的穩定性。劃片工藝要先於腐蝕，因為先製作出的懸空兩端固支梁會因無法承受精密切割刀片降溫用水的衝擊而斷裂。腐蝕為先各向異性腐蝕和後各向同性腐蝕。MEMS工藝步驟中涉及光刻工藝所需的掩模板，可依據橋式結構的圖形進行預先製備。
[0041]本發明一優選實施例:
[0042]結合層為SiO2，承載層為Si3N4，粘附層為Cr，敏感層為Pt。其中，矽襯底為〈100〉晶向單晶娃，厚度不小於500 μ m。薄絲的長度不小於lmm,寬度可選2-5 μ m,其中，SiO2結合層的厚度約20nm、Si3N4承載層的厚度約180nm、Cr粘附層的厚約IOnm和Pt敏感層的厚度約90nm。薄絲的寬度可選70-150 μ m ;橋孔高度不小於200 μ m。
[0043]進一步的，第一電極104的中心點到第二電極105的中心點的距離與第一電極104的中心點到第三電極106的中心點的距離相等。此結構所需薄絲的長度最短，生產上可節約成本。
[0044]如圖2-1至2-6所示，其示出了上述實施例中空氣聲質點振速傳感器的製造方法為，步驟如下:
[0045]⑴依次在矽襯底201上沉積SiO2結合層202和Si3N4承載層203 =SiO2結合層202和Si3N4承載層203均通過沉積工藝採用LPCVD爐直接生成。優選的是，SiO2結合層202和Si3N4承載層203的厚度分別為20nm和180nm。
[0046]LPCVD是指低壓化學氣相沉積，在爐內的高溫化學反應後使相應的固態產物沉積到襯底表面的一種MEMS工藝，目的是獲得低應力的和均勻性好的承載層Si3N4。
[0047]⑵依次塗膠，光刻和顯影:光刻膠204為正性光刻膠，厚度為2 μ m ;在熱板上進行前烘，採用光刻機和相應製備好的掩模板進行光刻，再用顯影液進行顯影工藝，最後在熱板上進行堅膜。
[0048]⑶依次濺射Cr，濺射Pt和剝離膠:Cr粘附層205和Pt敏感層206均通過濺射工藝採用磁控濺射儀直接生成。優選的是，Cr粘附層205和Pt敏感層206的厚度分別為IOnm和90nm。用高純度的丙酮對光刻膠進行剝離。
[0049]⑷依次第二次塗膠，第二次光刻和第二次顯影:其中除所使用相應製備好的掩模板不同外，其它工藝過程與步驟⑵相同。
[0050](5)依次反應離子刻蝕和除膠:採用反應離子刻蝕機對在光刻膠圖形掩模外的SiO2結合層202和Si3N4承載層203進行幹法刻蝕，直至露出矽襯底201 ;用高純度的丙酮對二次光刻膠207進行剝離，再採用反應離子刻蝕機進行徹底除膠，得到樣品片。
[0051](6)依次退火、劃片和腐蝕:採用高溫爐對樣品片進行退火；採用精密機械切割機對樣品片進行劃片，優選的是，精密機械切割機的高速旋轉刀片厚度為200 μ m和切割深度為250 μ m。在水浴箱中用50%濃度KOH溶液對樣品片進行矽襯底的各向異性腐蝕，直至腐蝕深度為200 μ m以上，形成橋孔；最後用幹法腐蝕儀器清理掉橋孔內剩餘的矽。
[0052]進一步的，上述製造方法中的矽襯底為四英寸單晶矽片，晶向為〈100〉，厚度為500 μ m。矽襯底晶向的選擇是為了實現後續的各向異性溼法腐蝕，厚度的選擇是為了實現溼法腐蝕的深度能夠達到所需橋孔高度。
[0053]進一步的，上述製造方法製造出的空氣聲質點振速傳感器成品的具體尺寸為，矽襯底的尺寸為長X寬X厚=2500 X 1500 X 500 μ m，橋孔的高為200 μ m，電極的尺寸為長寬=500ymX500ym,以及薄絲的尺寸為長X寬X厚=1000X3X0.3 μ m，其中SiO2結合層的厚度為20nm、Si3N4承載層的厚度為180nm、Cr粘附層的厚度為IOnm和Pt敏感層的厚度為90nmo
[0054]如圖3所示，其示出了上述實施例的空氣聲質點振速傳感器在初步配置一個前置預放大電橋電路之後，進行的採用250Hz和IkHz兩個聲頻率的指向性測試的測試結果。其中，外側的「8」字曲線是250Hz的測試結果，內側的「8」字曲線是IkHz的測試結果。
[0055]測試環境:消聲室內。
[0056]測試儀器:B&K的Pulse，電腦，音箱，360°轉臺及相關數據線。
[0057]將質點振速傳感器放置在轉臺的中心位置，音箱距離轉臺3米左右，Pulse硬體通過相關數據線分別與音箱與和轉臺連接上。測試時，設置Pulse軟體使音箱依次發出250Hz和IkHz的單頻聲音，同時發出指令使轉臺按照每次2°的步長進行旋轉，旋轉一周後，Pulse軟體自動繪製出對應的指向性圖。其表明本發明產品的「8」字指向性良好。
[0058]以上所述僅為本發明較佳的實施方式，並非用來限定本發明的實施範圍，但凡在本發明的保護範圍內所做的等效變化及修飾，皆應認為落入了本發明的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種空氣聲質點振速傳感器，包括敏感元件，其特徵在於，所述敏感元件為橋式結構，其包括: 娃襯底，其上形成一橋孔；和 一對薄絲，平行置於所述橋孔上； 所述矽襯底上，所述橋孔的一側形成第一電極，所述橋孔的另一側並列形成第二電極和第三電極；一對所述薄絲的一端共同連接所述第一電極，另一端分別連接所述第二電極和所述第三電極； 所述薄絲、所述第一電極、所述第二電極和所述第三電極一體成形，其由下至上依次由結合層、承載層、粘附層和敏感層組成。
2.根據權利要求1所述的一種空氣聲質點振速傳感器，其特徵在於，所述結合層為SiO2，所述承載層為Si3N4，所述粘附層為Cr或Ti，所述敏感層為Pt或Au。
3.根據權利要求1或2所述的一種空氣聲質點振速傳感器，其特徵在於，所述第一電極的中心點到所述第二電極的中心點的距離與所述第一電極的中心點到所述第三電極的中心點的距離相等。
4.根據權利要求1或2所述的一種空氣聲質點振速傳感器的製造方法，其特徵在於，步驟如下: ⑴依次在矽襯底上沉積結合層和承載層； ⑵依次塗膠，光刻和顯影；` ⑶依次濺射粘附層，濺射敏感層和剝離膠； ⑷依次第二次塗膠，第二次光刻和第二次顯影； (5)依次反應離子刻蝕和除膠； (6)依次退火、劃片和腐蝕，形成橋孔，得到成品。
5.根據權利要求4所述的一種空氣聲質點振速傳感器的製造方法，其特徵在於，所述步驟⑴中，所述結合層和承載層均通過沉積工藝採用LPCVD爐直接生成。
6.根據權利要求4所述的一種空氣聲質點振速傳感器的製造方法，其特徵在於，所述步驟⑵中，所述光刻膠為正性光刻膠，厚度為2 μ m ;在熱板上進行前烘，採用光刻機和相應製備好的掩模板進行光刻，再用顯影液進行顯影工藝，最後在熱板上進行堅膜。
7.根據權利要求4所述的一種空氣聲質點振速傳感器的製造方法，其特徵在於，所述步驟⑶中，所述粘附層和敏感層均通過濺射工藝採用磁控濺射儀直接生成；用丙酮對光刻膠進行剝離。
8.根據權利要求4所述的一種空氣聲質點振速傳感器的製造方法，其特徵在於，所述步驟⑷中，除所使用相應製備好的掩模板不同外，其它工藝過程與步驟⑵相同。
9.根據權利要求4所述的一種空氣聲質點振速傳感器的製造方法，其特徵在於，所述步驟(5)中，採用反應離子刻蝕機對在光刻膠圖形掩模外的結合層和承載層進行幹法刻蝕，直至露出矽襯底；用丙酮對光刻膠進行剝離，再採用反應離子刻蝕機進行徹底除膠，得到樣P Mrmn ο
10.根據權利要求4所述的一種空氣聲質點振速傳感器的製造方法，其特徵在於，所述步驟(6)中，採用高溫爐對樣品片進行退火；採用精密機械切割機對樣品片進行劃片；在水浴箱中用強鹼溶液對樣品片進行矽襯底的各向異性腐蝕，形成橋孔；最後用幹法腐蝕儀器清理掉 橋孔內剩餘的矽。
【文檔編號】B81B7/02GK103663353SQ201310752209
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】趙龍江, 馮傑, 侍豔華, 程進, 馮暉, 周瑜 申請人:中國電子科技集團公司第三研究所