[发明专利]一种MEMS热式麦克风及其实现方法

说明书

本发明公开了一种MEMS热式麦克风及其实现方法。本发明在衬底上形成背腔，将敏感梁置于背腔上，并在背腔上设置上盖板形成驻波管；声波从驻波管的管口进入至驻波管内，声压变化引起敏感梁上的温度发生扰动；同时，声波入在驻波管的管底即背腔的表面反射形成驻波，驻波管的管底是硬声场边界，保证声粒子振速为零，敏感梁处的声压为驻波管的管口入射声压的两倍，因此敏感梁的温度只与入射声压成正比，不会受到声粒子振速的影响，消除谐波失真；本发明的麦克风结构与热式声粒子振速传感器类似，制造工艺相同，能够在同一个芯片上完成声压和声粒子振速的测量。

技术领域

本发明涉及微电子机械传感技术，具体涉及一种MEMS热式麦克风及其实现方法。

背景技术

声音是介质分子的振动传播，介质的疏密对应声压的变化，介质分子振动的速度对应声粒子振速。声压是标量，可以直接用麦克风测量，而声粒子振速是矢量，目前最有效的探测手段是基于热式原理的。热式声矢量传感器由加热梁和测温梁组成，加热梁提供稳定的热场分布，测温梁感知声粒子振动时对热场的扰动，通过测温梁的温度变化测量声粒子振速。

为了得到完整的声场信息，目前通过将热式声粒子振速传感器与传统微机电系统(MEMS)麦克风组合在同一个探头中，实现声压和振速的测量。这种方案存在以下几点不足：

将两个传感器装配在一起，无法保证声中心共点，测量的声压和振速信号会有相位差；

传统压电式和电容式麦克风，由于制造工艺不同，很难与热式声粒子振速传感器做到单芯片集成。

发明内容

为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种MEMS热式麦克风及其实现方法，本发明的麦克风结构与热式声粒子振速传感器类似，制造工艺相同，能够在同一个芯片上完成声压和振速的测量。

本发明的一个目的在于提出一种MEMS热式麦克风。

本发明的MEMS热式麦克风包括：衬底、敏感梁、电极、背腔、上盖板和测温电路；其中，衬底采用硬质材料；在衬底的上表面开设背腔；敏感梁的两端架设在衬底的上表面的背腔的边缘，敏感梁的敏感区域位于背腔上；在衬底上表面没有开设背腔的部分设置两个电极；敏感梁的两端分别连接一个电极，两个电极连接至外部的测温电路；在衬底上表面的背腔上设置有上盖板，上盖板的内表面与背腔的表面构成驻波管，上盖板采用筒状或罩状；筒状的上盖板为内部中空且没有上底和下底的圆筒形，底端位于衬底的上表面且与衬底的上表面密封连接，顶端作为驻波管的管口，筒状的上盖板的内径不小于背腔上表面的直径，筒状的上盖板的内径d和高度L与测量声波的最高频率f_h相关，内径d满足下式：

c₀为驻波管内的介质的声速；筒状的上盖板的高度L满足下式：

罩状的上盖板的一侧位于背腔的外边缘且与衬底的上表面密封连接，顶壁的内表面为平面，位于背腔之上且平行于衬底的上表面，另一侧与衬底的上表面有距离形成开口，作为驻波管的管口，顶壁的内表面与衬底的上表面之间的距离s与测量声波的频带相关，满足下式：

通过测温电路将电流经电极加到敏感梁上，电流流过敏感梁产生焦耳热，敏感梁的温度大于200℃，在背腔中形成稳定的温度分布；声波从驻波管的管口进入至驻波管内，声压变化引起敏感梁上的温度发生扰动；同时，声场中不仅有声压的变化，还有声粒子振速的变化，声粒子振速会带走敏感梁上的热量，使敏感梁温度降低，即声粒子振速也会改变敏感梁的温度；当声波入射到上盖板和背腔构成的驻波管中时，在驻波管的管底即背腔的表面反射形成驻波，驻波管的管底是硬声场边界，背腔的深度大于250μm以保证敏感梁的加热温度大于200℃且热量不被衬底直接导走，并且深度上限使得敏感梁位于声粒子振速的第一个波腹点之前，保证声粒子振速对敏感梁温度的扰动趋于零，得到敏感梁距离驻波管的管底的距离即背腔的深度x满足下式：