[发明专利]一种MEMS热式声粒子传感器

说明书

本发明(一种MEMS热式声粒子传感器)涉及微电子机械加工领域，尤其涉及一种MEMS热式声粒子传感器的设计方法。目前已有的MEMS热式声粒子传感器都是基于两线式流量计原理，自噪声较大，且高频特性较差。为解决这种问题，本发明提供了一种MEMS三线式热式声粒子传感器结构，可应用于声源定位。该传感器为三层悬臂梁结构，由上下极板粘接而成，包括左右两个正交平面的测量单元。每个测量单元上下两层各有两根感温电阻悬臂梁，中层有一根来自上极板或下极板的加热电阻悬臂梁。上下层的四根悬臂梁组成矩形，中层的悬臂梁位于矩形中心。加工步骤包括：每个测量单元的上下极板的正、反两面各制作三根悬臂梁，去掉上下极板中多余的悬臂梁，将上下极板粘接在一起。

技术领域

本发明涉及微电子机械加工领域，尤其涉及一种MEMS热式声粒子传感器的设计方法。

背景技术

声矢量传感器技术是21世纪我国水声技术领域最有发展潜力的研究方向之一，其在工业和生活中也有广泛的应用。在日常生活中，矢量传感器可以用于声音定位，如汽车故障检测、生命体探测等；在水声领域，可以用于水声信号探测、水下侦查等。声矢量包括声粒子速度和声压两部分，其中声压检测方式较为成熟，而声粒子速度检测是一大难点。

传统的声粒子传感器并不是基于微电子技术，是用间接的方法进行测量。应用最广的是压差式声粒子传感器和同振式声粒子传感器，压差式声粒子传感器由两个相距一定距离的声压传感器组成，通过测量两点的声压差，近似的得到声压梯度，进而推出声粒子速度，这种传感器结构简单，但是工作频带较窄、声压梯度或振速灵敏度较低，特别是在低频和弱信号声场情况下，输出信噪比不很高，所有这些缺陷使压差式矢量传感器的应用受到了限制。同振式传感器敏感元件是内部的振子，一般指加速度、速度或位移传感器。将其置于水下声场中时，声波不直接作用在内部敏感元件上，而是在力的作用下矢量水听器的外壳先产生运动，然后弹性元件将这种运动传到内部振子上，而内部振子由于有一个足够大的质量块，因此其保持静止状态，这样就必然导致振动传感器内部敏感元件变形，从而产生电信号。同振式声粒子传感器使用时需要采用弹簧悬挂在刚性框架内，这样弹簧及框架势必会带来声场畸变。因此同振式声粒子传感器尽管技术稳定，性能可靠，灵敏度高，特别是低频指向性能好，但由于工艺技术复杂仍然限制了其进一步发展。

随着MEMS技术的发展，基于MEMS技术的声粒子传感器有着低功耗、小体积、高灵敏度和宽频带等特点，许多公司、学校和科研单位都对其展开了研究。其中，基于传热学原理的MEMS热式声粒子传感器能直接测量声粒子速度，具有更快的响应速度、更高的灵敏度和方向性，有很大的研究价值。Microflown公司对于MEMS热式声粒子传感器有多年的研究技术和背景，其最新的产品是三维声粒子传感器，基本原理是两线式流量计原理，声音传播会引起空气震动，通过检测两根热线的温差来得到垂直于两热线方向上的声音分量，三对正交的热线组即能测量三维空间的声矢量，该结构有以下两点不足之处：

自噪声较大，由于一对线组的两根悬梁均被加热，产生的热噪声比单根悬梁加热大；

高频特性较差，一对线组的两根悬梁均吸放热，由于悬梁自身的热容，使得其截至频率较低。

发明内容

本发明的目的在于，提供了一种MEMS热式声粒子传感器结构，能测量三维空间的声粒子速度，降低双加热丝结构传感器的自噪声，提高传感器的高频性能。

本发明提供了一种MEMS热式声粒子传感器结构，该传感器包括由覆盖铂引线的横梁组成的左右两个正交平面的测量单元，为三层横梁结构。

上述声粒子传感器的结构，每个测量单元上层有两根横梁，中层有一根横梁，下层有两根横梁，上层和下层的四根横梁组成矩形，中层的横梁位于矩形中心。

上述声粒子传感器的结构，每个测量单元上层和下层的四根横梁作为感温电阻使用，中层的横梁作为加热电阻使用。

上述声粒子传感器的结构，三层结构由上下极板粘接而成，中间的悬梁来自上极板或下极板。