專(zhuān)利名稱(chēng)：一種新型mems仿生聲矢量傳感器及其加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型MEMS仿生聲矢量傳感器結(jié)構(gòu)，屬于聲學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
聲學(xué)探測(cè)定位技術(shù)在海洋、低空和地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。寄生蠅微小而結(jié)構(gòu)獨(dú)特的聽(tīng)覺(jué)器官所表現(xiàn)出令人驚訝的定位能力，它利用兩耳之間鼓膜間橋的機(jī)械耦合作用，放大聲波到達(dá)左右兩側(cè)鼓膜的時(shí)間差(相位差)，神經(jīng)系統(tǒng)分辨不同入射角度時(shí)產(chǎn)生的不同相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)聲源的定位。
目前國(guó)內(nèi)外許多研究人員針對(duì)寄生蠅的生理特性，研制出用于聲源定位的矢量傳感器。加利福尼亞大學(xué)的Siivok等通過(guò)逐層沉積的方法，加工出了敏感頻率為3. 5KHz的矢量傳感器，但由于工作頻率較高，水下傳播損耗大，不利于監(jiān)測(cè)低頻的艦船噪聲(Shivok， Τ. J. Mems Polymumps-Based Mini-ature Microphone for Directional Sound Sensing, Master's Thesis,Monterey, CA :Naval Postgraduate. School. 2007)。西北工業(yè)大學(xué)的安鵬等設(shè)計(jì)出了工作頻率在IKHz的MEMS聲矢量傳感器敏感結(jié)構(gòu)，但由于整個(gè)器件采用加強(qiáng)筋增強(qiáng)膜片剛度，工藝出現(xiàn)高臺(tái)階，加工難度比較大，而且只能局限在聲學(xué)測(cè)試，無(wú)法進(jìn)行常規(guī)電學(xué)檢測(cè)。(安鵬，苑偉政，任森.仿生聲壓梯度敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工方法研究.傳感技術(shù)學(xué)報(bào).2010. 23(6) :777-781。)

發(fā)明內(nèi)容
為優(yōu)化器件加工工藝，保持低頻工作頻率，而且能通過(guò)電學(xué)檢測(cè)將器件集成在電路中，增強(qiáng)器件的可用性，本發(fā)明提出一種新型MEMS仿生聲矢量傳感器及其加工方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種新型MEMS仿生聲矢量傳感器，包括硅結(jié)構(gòu)層和玻璃結(jié)構(gòu)層；
所述硅結(jié)構(gòu)層包括左側(cè)振動(dòng)膜片1、右側(cè)振動(dòng)膜片2、水平梁3、豎直梁4 ；左側(cè)振動(dòng)膜片1和右側(cè)振動(dòng)膜片2均為正方形，兩者通過(guò)水平梁3連接；與所述水平梁3形成十字連接的豎直梁4，通過(guò)兩個(gè)端點(diǎn)與錨點(diǎn)區(qū)相連，且左側(cè)振動(dòng)膜片1、右側(cè)振動(dòng)膜片2和水平梁3 與周邊錨點(diǎn)區(qū)之間通過(guò)狹縫8分離，使得左側(cè)振動(dòng)膜片1、右側(cè)振動(dòng)膜片2和水平梁3 —起形成懸置結(jié)構(gòu)；為了避免振動(dòng)過(guò)程中正方形膜片不必要的變形以便于檢測(cè)，左側(cè)振動(dòng)膜片 1和右側(cè)振動(dòng)膜片2，下方存在加強(qiáng)肋5，這樣就能在不過(guò)大增大膜片質(zhì)量的同時(shí)，保證膜片的剛度；左側(cè)振動(dòng)膜片1和右側(cè)振動(dòng)膜片2上均有可動(dòng)梳齒6，并與連在錨點(diǎn)區(qū)域9的固定梳齒7形成梳齒對(duì)；
所述玻璃結(jié)構(gòu)層通過(guò)玻璃鍵合臺(tái)10與硅結(jié)構(gòu)層的錨點(diǎn)區(qū)域9鍵合；與硅結(jié)構(gòu)層懸置結(jié)構(gòu)區(qū)域相應(yīng)位置有凹槽11。
相互連接的兩正方形膜片1和2，對(duì)應(yīng)于寄生蠅聽(tīng)覺(jué)器官中的兩鼓膜。兩正方形膜片通過(guò)水平梁3實(shí)現(xiàn)耦合，即水平梁起到類(lèi)似于鼓膜間橋的作用，而垂直梁4提供振動(dòng)過(guò)程中的回復(fù)扭轉(zhuǎn)力矩。硅結(jié)構(gòu)層和玻璃結(jié)構(gòu)層通過(guò)錨點(diǎn)區(qū)域9和玻璃鍵合臺(tái)10鍵合，形成流3體空腔?？勺兪猃X6和固定梳齒7形成的梳齒對(duì)，使得該MEMS仿生聲矢量傳感器可以通過(guò)電容、光學(xué)等檢測(cè)方法來(lái)獲取敏感結(jié)構(gòu)所包含兩正方形振膜的位移，通過(guò)比較聲波作用下兩振膜的幅值差和相位差，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波入射方位的測(cè)量。
所述MEMS仿生聲矢量傳感器采用基于SOG的工藝，其加工方法具體步驟如下
步驟一選取SOI硅片；
步驟二 刻蝕，在SOI硅片的器件層上形成左側(cè)振動(dòng)膜片1、右側(cè)振動(dòng)膜片2、水平梁3、豎直梁4、加強(qiáng)肋5和錨點(diǎn)區(qū)域9 ；
步驟三在玻璃上濕法刻蝕，形成微凹槽11，未刻蝕部分形成玻璃鍵合臺(tái)10 ；
步驟四將步驟三形成的玻璃鍵合臺(tái)10和步驟二形成的錨點(diǎn)區(qū)域9陽(yáng)極鍵合；
步驟五去除SOI硅片的底層和埋層；
步驟六背面刻蝕，形成可變梳齒6、固定梳齒7和狹縫8，使器件層上結(jié)構(gòu)懸空。
上述加工方法中，為了提高器件的檢測(cè)電容變化量，并使得步驟四的鍵合工藝更易完成，步驟一選取的SOI硅片電阻率越小越好。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
一、結(jié)構(gòu)方面?zhèn)冗呍黾邮猃X以及固定梳齒端和結(jié)構(gòu)固定端增加電極，彌補(bǔ)了以往結(jié)構(gòu)由于存在加強(qiáng)肋無(wú)法進(jìn)行電容檢測(cè)的缺陷。本發(fā)明可通過(guò)檢測(cè)電容變化量檢測(cè)出振動(dòng)幅度曲線，依次計(jì)算出前兩階模態(tài)頻率時(shí)的振幅和阻尼，再通過(guò)器件旁邊的測(cè)試性麥克風(fēng)測(cè)得的聲壓值，可計(jì)算出聲波的入射角度，實(shí)現(xiàn)聲源的定位。
二、工藝方面利用SOG工藝在玻璃上刻蝕流體間隙，工藝簡(jiǎn)單，間隙深度可控，避免了采用ICP工藝深刻蝕時(shí)出現(xiàn)footing效應(yīng)，以及以往結(jié)構(gòu)多層沉積和高臺(tái)階光刻涂膠不均給結(jié)構(gòu)加工帶來(lái)的不足，優(yōu)化了加工工藝，提高了器件的結(jié)構(gòu)精度和成品率。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。


圖1是本發(fā)明提出的新型仿生MEMS聲矢量傳感器結(jié)構(gòu)硅結(jié)構(gòu)層示意圖2是本發(fā)明提出的新型仿生MEMS聲矢量傳感器結(jié)構(gòu)玻璃結(jié)構(gòu)層示意圖3是本發(fā)明提出的新型仿生MEMS聲矢量傳感器結(jié)構(gòu)加工工藝流程圖中，1-左側(cè)振動(dòng)膜片，2-右側(cè)振動(dòng)膜片，3-水平梁，4-豎直梁，5-加強(qiáng)肋，6_可動(dòng)梳齒，7-固定梳齒，8-狹縫，9-錨點(diǎn)區(qū)域；10為玻璃鍵合臺(tái)，11為凹槽
具體實(shí)施例方式
本實(shí)施例中的新型MEMS仿生聲矢量傳感器，包括硅結(jié)構(gòu)層和玻璃結(jié)構(gòu)層；
參閱圖1，所述硅結(jié)構(gòu)層包括左側(cè)振動(dòng)膜片1、右側(cè)振動(dòng)膜片2、水平梁3、豎直梁4 ； 左側(cè)振動(dòng)膜片1和右側(cè)振動(dòng)膜片2均為正方形，兩者通過(guò)水平梁3連接；與所述水平梁3形成十字連接的豎直梁4，通過(guò)兩個(gè)端點(diǎn)與錨點(diǎn)區(qū)相連，且左側(cè)振動(dòng)膜片1、右側(cè)振動(dòng)膜片2和水平梁3與周邊錨點(diǎn)區(qū)之間通過(guò)狹縫8分離，使得左側(cè)振動(dòng)膜片1、右側(cè)振動(dòng)膜片2和水平梁3—起形成懸置結(jié)構(gòu)；為了避免振動(dòng)過(guò)程中正方形膜片產(chǎn)生擾動(dòng)而不便于檢測(cè)，左側(cè)振動(dòng)膜片1和右側(cè)振動(dòng)膜片2下方存在“米”字形分布的加強(qiáng)肋5，這樣就能在不過(guò)大增大膜片質(zhì)量的同時(shí)，保證膜片的剛度；左側(cè)振動(dòng)膜片1和右側(cè)振動(dòng)膜片2上均有可動(dòng)梳齒6，并CN 成梳齒對(duì)；
參閱圖2，所述玻璃結(jié)構(gòu)層通過(guò)玻璃鍵合臺(tái)10與硅結(jié)構(gòu)層的錨點(diǎn)區(qū)域9鍵合；與硅結(jié)構(gòu)層懸置結(jié)構(gòu)區(qū)域相應(yīng)位置有凹槽11。
所述MEMS仿生聲矢量傳感器采用基于SOG的工藝，其加工方法具體步驟如下
步驟一選取電阻率為(0. 01 0. 02)的SOI硅片，器件層、埋層和基底層厚度分別為20口111、0.5“111、39(^111，采用標(biāo)準(zhǔn)工藝清洗；
步驟二 光刻形成掩膜圖形，ICP刻蝕SOI硅片的器件層，形成左側(cè)振動(dòng)膜片1、右側(cè)振動(dòng)膜片2、水平梁3、豎直梁4、加強(qiáng)肋5和錨點(diǎn)區(qū)域9?？涛g深度為17μπι;
步驟三使用濃度為40%的HF溶液在玻璃上濕法刻蝕，形成微凹槽11，未刻蝕部分形成玻璃鍵合臺(tái)10?？涛g時(shí)間為80s，刻蝕深度為5 μ m ；
步驟四將步驟三形成的玻璃鍵合臺(tái)10和步驟二形成的錨點(diǎn)區(qū)域9在-600V下進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，鍵合時(shí)間90min ；
步驟五依次使用質(zhì)量百分比為20%的KOH溶液濕法刻蝕池，質(zhì)量百分百分比為 25%的TMAH溶液濕法刻蝕2.證，去除SOI硅片的基底層，最后采用40%的HF溶液漂洗去除埋層；
步驟六光刻形成掩膜圖形，背面ICP刻蝕，形成可變梳齒6、固定梳齒7和狹縫8， 使硅結(jié)構(gòu)層上結(jié)構(gòu)懸空，刻蝕深度為3 μ m。
權(quán)利要求
1.一種新型MEMS仿生聲矢量傳感器，其特征在于包括硅結(jié)構(gòu)層和玻璃結(jié)構(gòu)層；所述硅結(jié)構(gòu)層包括左側(cè)振動(dòng)膜片(1)、右側(cè)振動(dòng)膜片( 、水平梁C3)、豎直梁；左側(cè)振動(dòng)膜片(1)和右側(cè)振動(dòng)膜片( 均為正方形，兩者通過(guò)水平梁C3)連接；與所述水平梁C3)形成十字連接的豎直梁G)，通過(guò)兩個(gè)端點(diǎn)與錨點(diǎn)區(qū)相連，且左側(cè)振動(dòng)膜片(1)、右側(cè)振動(dòng)膜片(2) 和水平梁C3)與周邊錨點(diǎn)區(qū)之間通過(guò)狹縫(8)分離，使得左側(cè)振動(dòng)膜片(1)、右側(cè)振動(dòng)膜片(2)和水平梁C3)—起形成懸置結(jié)構(gòu)；左側(cè)振動(dòng)膜片(1)和右側(cè)振動(dòng)膜片( 下方存在加強(qiáng)肋(5)；左側(cè)振動(dòng)膜片(1)和右側(cè)振動(dòng)膜片( 上均有可動(dòng)梳齒(6)，并與連在錨點(diǎn)區(qū)域 (9)的固定梳齒(7)形成梳齒對(duì)；所述玻璃結(jié)構(gòu)層通過(guò)玻璃鍵合臺(tái)(10)與硅結(jié)構(gòu)層的錨點(diǎn)區(qū)域(9)鍵合；與硅結(jié)構(gòu)層懸置結(jié)構(gòu)區(qū)域相應(yīng)位置有凹槽(11)。
2.一種如權(quán)利要求1所述的新型MEMS仿生聲矢量傳感器，其特征在于所述左側(cè)振動(dòng)膜片(1)和右側(cè)振動(dòng)膜片( 下方存在的加強(qiáng)肋( 為米字形。
3.—種如權(quán)利要求1所述的所述MEMS仿生聲矢量傳感器的加工方法，其特征在于包括如下步驟步驟一選取SOI硅片；步驟二刻蝕，在SOI硅片的器件層上形成左側(cè)振動(dòng)膜片(1)、右側(cè)振動(dòng)膜片O)、水平梁(3)、豎直梁(4)、加強(qiáng)肋(5)和錨點(diǎn)區(qū)域(9)；步驟三在玻璃上濕法刻蝕，形成微凹槽(11)，未刻蝕部分形成玻璃鍵合臺(tái)(10)； 步驟四將步驟三形成的玻璃鍵合臺(tái)(10)和步驟二形成的錨點(diǎn)區(qū)域(9)陽(yáng)極鍵合； 步驟五去除SOI硅片的底層和埋層；步驟六背面刻蝕，形成可變梳齒(6)、固定梳齒(7)和狹縫(8)，使器件層上結(jié)構(gòu)懸空。
4.一種如權(quán)利要求3所述的MEMS仿生聲矢量傳感器的加工方法，其特征在于所述步驟一中選取的SOI硅片電阻率范圍為(0. 01 0. 02)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種新型MEMS仿生聲矢量傳感器結(jié)構(gòu)，屬于聲學(xué)領(lǐng)域。該結(jié)構(gòu)的左側(cè)振動(dòng)膜片1和右側(cè)振動(dòng)膜片2上均有可動(dòng)梳齒6，并與連在錨點(diǎn)區(qū)域9的固定梳齒7形成梳齒對(duì)。梳齒對(duì)結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了以往結(jié)構(gòu)由于存在加強(qiáng)肋無(wú)法進(jìn)行電容檢測(cè)的缺陷，從而可通過(guò)檢測(cè)電容變化量檢測(cè)出振動(dòng)幅度曲線，依次計(jì)算出前兩階模態(tài)頻率時(shí)的振幅和阻尼，再通過(guò)器件旁邊的測(cè)試性麥克風(fēng)測(cè)得的聲壓值，計(jì)算出聲波的入射角度，實(shí)現(xiàn)聲源的定位。此外，本發(fā)明還公開(kāi)了該結(jié)構(gòu)的加工方法，利用SOG工藝在玻璃上刻蝕流體間隙，工藝簡(jiǎn)單，間隙深度可控，避免了采用ICP工藝深刻蝕時(shí)出現(xiàn)footing效應(yīng)，優(yōu)化了加工工藝，提高了器件的結(jié)構(gòu)精度和成品率。
文檔編號(hào)B81B3/00GK102508203SQ20111036677
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者任森, 劉振亞, 莊成乾, 苑偉政, 鄧進(jìn)軍 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)