[发明专利]一种声场质点振速敏感结构及制备方法在审
申请号: | 201811610266.2 | 申请日: | 2018-12-27 |
公开(公告)号: | CN109696236A | 公开(公告)日: | 2019-04-30 |
发明(设计)人: | 刘云飞;周瑜;冯杰 | 申请(专利权)人: | 中国电子科技集团公司第三研究所 |
主分类号: | G01H11/06 | 分类号: | G01H11/06;G01P3/50;B81C1/00 |
代理公司: | 北京天盾知识产权代理有限公司 11421 | 代理人: | 张彩珍 |
地址: | 100015 *** | 国省代码: | 北京;11 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 敏感结构 质点振速 电极 桥孔 声场 桥式 制备 热传导效应 响应灵敏度 低频声场 敏感单元 通电加热 响应特性 有效抑制 传感器 低频段 硅衬底 敏感 | ||
本发明涉及一种声场质点振速敏感结构及制备方法,硅衬底上形成有桥孔,桥孔的两侧分别设有电极,两侧的电极之间设有薄丝,其特征在于:所述薄丝为多个薄丝,并且对应每个薄丝,在桥孔的两侧相应各设有1个电极;所述多个薄丝中位于最外侧的薄丝为通电加热薄丝,其余薄丝为敏感薄丝;所述声场质点振速敏感结构为单侧非等间距桥式薄丝敏感结构。本发明采用单侧非等间距桥式薄丝敏感结构,可有效抑制敏感单元有限长度边界热传导效应,改善传感器在低频段响应特性,提升敏感结构对低频声场质点振速的响应灵敏度。
技术领域
本发明涉及一种声场质点振速敏感结构及制备方法。
背景技术
在大量声学测量应用研究中,由于声强测量及其频谱分析对噪声源的特性研究有着独特的优越性,成为声学研究的一种有力工具。通常情况下,声强信息的获取需要测量声场中的声压和质点振速。
现有质点振速传感器的敏感结构为,利用微机电系统工艺(MEMS)技术,在硅基衬底上制备由数条相距很近的金属铂电阻丝(薄丝)构成的敏感结构,可直接测量空间声场传播引起的媒介分子振动速度——声场质点振速,具体结构为,硅衬底上形成有桥孔,桥孔的一侧上设有第一电极,桥孔的另一侧上设有第二电极、第三电极,桥孔上方设有第一薄丝、第二薄丝,第一薄丝、第二薄丝平行设置且保持微间距,两个薄丝的一端均与第一电极连接,两个薄丝的另一端分别与第二电极、第三电极连接。工作时,铂电阻丝被加热到约200℃以上,当声波入射到传感器时,媒介质点(空气、水或蓖麻油等)的往复振动形成受迫对流传热,将一根铂丝的热量传递给另一根铂丝,造成两根铂丝的温度发生相反方向的改变,因而它们的电阻值出现差异。借助于惠斯通电桥电路,把阻值的变化转化为电压的变化输出。热铂丝的阻值变化幅度与媒介质点振动速度幅度存在依从关系,从而可以利用两根铂丝来测量声场媒介质点振速矢量信息。
现有声场质点振速敏感结构存在的不足之处在于,由于上述质点振速测量传感器敏感结构的材料特性和其拓扑结构具有有限长度边界热传导效应,导致热量从边界的流失速率高于由低频声波引起的热交换速率,使得传感器在低频段响应特性恶化严重。该质点振速测量传感器在100Hz以下的低频频段内其灵敏度随频率降低而显著衰减,引起声信号在接收和后续处理上产生失真,信噪比降低,使传感器的有效工作频率下限不足。由于多数噪声特性分析、声源目标探测等研究领域主要集中在低频段声波,这也限制了这种质点振速测量传感器的广泛应用。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种声场质点振速敏感结构及制备方法,能够有效提升声场质点振速敏感结构的低频响应特性。
基于同一发明构思,本发明具有两个独立的技术方案:
1、一种声场质点振速敏感结构,硅衬底上形成有桥孔,桥孔的两侧分别设有电极,两侧的电极之间设有薄丝,其特征在于:所述薄丝为多个薄丝,并且对应每个薄丝,在桥孔的两侧相应各设有1个电极;所述多个薄丝中位于最外侧的薄丝为通电加热薄丝,其余薄丝为敏感薄丝;所述声场质点振速敏感结构为单侧非等间距桥式薄丝敏感结构。
进一步地,所述多个薄丝由外至内排列,薄丝间距由外至内逐步变大。
进一步地,通电加热薄丝的宽度大于敏感薄丝的宽度。
进一步地,各敏感薄丝的宽度、结构及材料相同。
进一步地,通电加热薄丝的宽度为8~10μm,敏感薄丝的宽度为1~2μm。
进一步地,所述薄丝的间距为10~500μm。
进一步地,各薄丝的厚度相同,均为0.1μm~0.5μm。
进一步地,所述薄丝包括由下至上依次布置的支撑层、黏附层和敏感层。
进一步地,所述薄丝的敏感层由金属材料、半导体材料、石墨烯二维材料中的一种、两种或三种材料构成。
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