[发明专利]一种新型MEMS仿生声矢量传感器及其加工方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种新型MEMS仿生声矢量传感器结构，属于声学领域。

背景技术：

声学探测定位技术在海洋、低空和地面运动目标的监测领域有着重要的应用。寄生蝇微小而结构独特的听觉器官所表现出令人惊讶的定位能力，它利用两耳之间鼓膜间桥的机械耦合作用，放大声波到达左右两侧鼓膜的时间差(相位差)，神经系统分辨不同入射角度时产生的不同相位差来实现声源的定位。

目前国内外许多研究人员针对寄生蝇的生理特性，研制出用于声源定位的矢量传感器。加利福尼亚大学的Shivok等通过逐层沉积的方法，加工出了敏感频率为3.5KHz的矢量传感器，但由于工作频率较高，水下传播损耗大，不利于监测低频的舰船噪声(Shivok，T.J.Mems Polymumps-Based Mini-ature Microphone for Directional Sound Sensing，Master’s Thesis，Monterey，CA：Naval Postgraduate.School.2007)。西北工业大学的安鹏等设计出了工作频率在1KHz的MEMS声矢量传感器敏感结构，但由于整个器件采用加强筋增强膜片刚度，工艺出现高台阶，加工难度比较大，而且只能局限在声学测试，无法进行常规电学检测。(安鹏，苑伟政，任森.仿生声压梯度敏感结构设计及加工方法研究.传感技术学报.2010.23(6)：777-781。)

发明内容：

为优化器件加工工艺，保持低频工作频率，而且能通过电学检测将器件集成在电路中，增强器件的可用性，本发明提出一种新型MEMS仿生声矢量传感器及其加工方法。

本发明的技术方案是：一种新型MEMS仿生声矢量传感器，包括硅结构层和玻璃结构层；

所述硅结构层包括左侧振动膜片1、右侧振动膜片2、水平梁3、竖直梁4；左侧振动膜片1和右侧振动膜片2均为正方形，两者通过水平梁3连接；与所述水平梁3形成十字连接的竖直梁4，通过两个端点与锚点区相连，且左侧振动膜片1、右侧振动膜片2和水平梁3与周边锚点区之间通过狭缝8分离，使得左侧振动膜片1、右侧振动膜片2和水平梁3一起形成悬置结构；为了避免振动过程中正方形膜片不必要的变形以便于检测，左侧振动膜片1和右侧振动膜片2，下方存在加强肋5，这样就能在不过大增大膜片质量的同时，保证膜片的刚度；左侧振动膜片1和右侧振动膜片2上均有可动梳齿6，并与连在锚点区域9的固定梳齿7形成梳齿对；

所述玻璃结构层通过玻璃键合台10与硅结构层的锚点区域9键合；与硅结构层悬置结构区域相应位置有凹槽11。

相互连接的两正方形膜片1和2，对应于寄生蝇听觉器官中的两鼓膜。两正方形膜片通过水平梁3实现耦合，即水平梁起到类似于鼓膜间桥的作用，而垂直梁4提供振动过程中的回复扭转力矩。硅结构层和玻璃结构层通过锚点区域9和玻璃键合台10键合，形成流体空腔。可变梳齿6和固定梳齿7形成的梳齿对，使得该MEMS仿生声矢量传感器可以通过电容、光学等检测方法来获取敏感结构所包含两正方形振膜的位移，通过比较声波作用下两振膜的幅值差和相位差，实现对声波入射方位的测量。

所述MEMS仿生声矢量传感器采用基于SOG的工艺，其加工方法具体步骤如下：

步骤一：选取SOI硅片；

步骤二：刻蚀，在SOI硅片的器件层上形成左侧振动膜片1、右侧振动膜片2、水平梁3、竖直梁4、加强肋5和锚点区域9；

步骤三：在玻璃上湿法刻蚀，形成微凹槽11，未刻蚀部分形成玻璃键合台10；

步骤四：将步骤三形成的玻璃键合台10和步骤二形成的锚点区域9阳极键合；

步骤五：去除SOI硅片的底层和埋层；

步骤六：背面刻蚀，形成可变梳齿6、固定梳齿7和狭缝8，使器件层上结构悬空。

上述加工方法中，为了提高器件的检测电容变化量，并使得步骤四的键合工艺更易完成，步骤一选取的SOI硅片电阻率越小越好。

本发明的优点是：

一、结构方面：侧边增加梳齿以及固定梳齿端和结构固定端增加电极，弥补了以往结构由于存在加强肋无法进行电容检测的缺陷。本发明可通过检测电容变化量检测出振动幅度曲线，依次计算出前两阶模态频率时的振幅和阻尼，再通过器件旁边的测试性麦克风测得的声压值，可计算出声波的入射角度，实现声源的定位。