[发明专利]基于石墨烯的MEMS声学传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯的MEMS声学传感器，属于微传感器技术领域。

背景技术

传统的硅微电容传声器都是双芯片结构，先是在不同的硅晶片上单独制备振动膜片和背极板，然后再组装或封装成电容传声器的结构。各种常见的硅微电容传声器的频率响应一般在100Hz-10kHz之间可以满足传声器的频响要求，但在灵敏度和自噪声方面很不足。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm²/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10^-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。由于石墨烯材料是一种机械特性和电学特性优异的材料，可作为MEMS声学传感器的振动膜，比传统的硅膜、金属膜具有更好的结构一致性、更强的柔韧性，以石墨烯为振动膜的声学传感器将会实现更高的灵敏度、分辨率，使声音的检测数据翔实、精准、可靠。

发明内容

本发明的目的就是针对背景技术的不足，设计了一种基于石墨烯材料的MEMS声学传感器，以大幅提高声音微传感器的检测精度和分辨率。

本发明主要结构由上层结构、下层结构及石墨烯组成，上层结构上制作有集音腔、间隙腔、通孔板、拾音孔、上层金属层、上层绝缘层、上层金属连接位、上层键合金属层，下层结构层上制作有通孔板、间隙腔、阻尼孔、阻尼腔、下层金属层、下层绝缘层、下层金属连接位、石墨烯连接位、下层金属键合层、上层金属焊盘、下层金属焊盘、上层金属连接孔、下层金属连接孔、石墨烯连接孔；在上层结构层1上加工有倒四边棱台形结构的集音腔5、6，集音腔5、6的底部分别加工有通孔板7、8，通孔板7、8上均布有拾音腔11、12，在通孔板7、8的下面加工有间隙腔9、10，间隙腔9、10的内壁上淀积有上层金属层13、14，间隙腔9、10四周矩形边框上淀积有上层绝缘层15、16，上层金属层13的左侧连接有上层金属连接位17、上层金属层14的右侧连接有上层金属连接位18、上层结构层1底面的四周边框制作有上层键合金属层3，上层金属层3的底面键合有下层键合金属层4，下层键合金属层4制作于下层结构层2的四周边框位置处，下层结构层2上与间隙腔9、10相对的位置上加工有间隙腔28、29，间隙腔28、29的内壁淀积有下层金属层19、20，间隙腔28、29四周矩形边框上淀积有下层绝缘层21、22，间隙腔28、29的底部加工有通孔板26、27，通孔板26、27上均布有阻尼孔31、32，通孔板26、27的底部有阻尼腔42、43，下层金属层19的左侧与上层金属连接位17相对的位置处加工有上层金属连接位23，下层金属层20的右侧与上层金属连接位18相对的位置处加工有上层金属连接位24，下层结构层2的中央位置加工有石墨烯连接位25，下层结构层2的底面两侧边框上制作有上层金属焊盘32、33、下层金属焊盘34、35，下层结构层2的底面中间位置处石墨烯焊盘36，下层金属链接位22、23通过上层金属连接孔39、40与上层金属焊盘32、33相连，下层金属层19、20通过下层金属连接孔39、40与下层金属焊盘34、35相连，石墨烯连接位25通过石墨烯连接孔41与石墨烯焊盘36相连，上层绝缘层15、16与下层绝缘层21、22中间夹有石墨烯层44。

声波通过集音腔汇聚并穿过拾音孔作用在石墨烯薄膜上，石墨烯薄膜在声压的作用下发生形变并向下运动，由石墨烯与下层金属层形成的电容容值将变大，由石墨烯与上层金属层形成的电容容值将变小，对这些电容组成的惠斯通电桥电路输出电压的测量，就能得到声波的幅值与频率。

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，此传感器采用两层结构键合设计，中间夹有石墨烯层，石墨烯材料是一种机械特性和电学特性优异的材料，可作为MEMS声学传感器的振动膜，比传统的硅膜、金属膜具有更好的结构一致性、更强的柔韧性，以石墨烯为振动膜的声学传感器将会实现更高的灵敏度、分辨率，使声音的检测数据翔实、精准、可靠。

附图说明

图1整体结构图

图2整体结构平面图

图3整体结构截面图

图4上层结构立体图

图5上层结构正面平面图

图6上层结构背面平面图

图7上层结构沿A-A线剖面图

图8下层结构立体图

图9下层结构正面平面图

图10下层结构背面平面图

图11下层结构沿B-B线剖面图