一种质点振速测量敏感结构及制备方法与流程

本发明涉及一种质点振速测量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。

现有质点振速测量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。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于提供一种质点振速测量敏感结构及制备方法，能够有效提升质点振速测量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、一种质点振速测量敏感结构，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，其特征在于：第一薄丝、第二薄丝的结构均为，薄丝的两端部位呈弯曲状，薄丝的中间部位呈平直的矩形状；薄丝中间部位的宽度、厚度大于薄丝两端部位的宽度、厚度。

进一步地，薄丝的两端部位呈s形状或呈“几”字形状。

进一步地，薄丝中间部位的薄丝宽度为1μm—2μm，厚度为0.1μm—0.3μm。

进一步地，薄丝两端部位的薄丝宽度为0.2μm—0.8μm，厚度为0.02μm—0.08μm。

进一步地，薄丝两端部位的s形状或“几”字形状的整体宽度大于3μm。

进一步地，第一薄丝和第二薄丝之间设有与1根或多根薄丝，所说1根或多根薄丝与第一薄丝、第二薄丝平行设置，结构与第一薄丝、第二薄丝相同。

2、一种上述质点振速测量敏感结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在硅衬底上依次沉积绝热层和支撑层，其中，绝热层位于支撑层的下方；

步骤2：进行第一次涂胶、光刻和显影，定义出质点振速测量敏感结构的第一电极、第二电极、第三电极和第一敏感层，第一敏感层即薄丝的两端部位；

步骤3：依次蒸发淀积黏附层和第一敏感层，其中，黏附层位于第一敏感层的下方；

步骤4：剥离光刻胶，形成相应的敏感结构；

步骤5：进行第二次涂胶、光刻和显影，定义出质点振速测量敏感结构的第二敏感层，第二敏感层即薄丝的中间部位；

步骤6：蒸发淀积第二敏感层，剥离光刻胶，形成相应的敏感结构；

步骤7：进行第三次涂胶、光刻和显影，定义质点振速测量敏感结构的桥孔结构；

步骤8：进行干法刻蚀，刻蚀去掉未被光刻胶覆盖的支撑层和绝热层；

步骤9：对硅衬底进行异性湿法腐蚀，形成桥孔结构；

步骤10：进行划片、引线键合及封装，得到成品。

进一步地，步骤6中，对第二敏感层采用高温退火工艺进行热处理。

本发明具有的有益效果：

本发明薄丝采用复合结构，薄丝的两端部位呈弯曲状，薄丝的中间部位呈平直的矩形状；薄丝中间部位的宽度、厚度大于薄丝两端部位的宽度、厚度。本发明薄丝两端部位采用窄薄弯曲的特有结构，减小通过薄丝进行热传导的有效截面积，同时增加了热传递路径长度，从而可有效抑制敏感结构有限长度边界热传导效应，改善在低频段响应特性；另一方面，薄丝中间部位采用宽厚平直的敏感结构，可通过大电流提高作业温度，保障敏感结构对声场质点振速的响应灵敏度。

本发明薄丝的两端部位呈s形状或呈“几”字形状；薄丝中间部位的薄丝宽度为1μm—2μm，厚度为0.1μm—0.3μm；薄丝两端部位的薄丝宽度为0.2μm—0.8μm，厚度为0.02μm—0.08μm；薄丝两端部位的s形状或“几”字形状的整体宽度大于3μm，进一步保证了有效改善在低频段响应特性。本发明第一薄丝和第二薄丝之间设有与1根或多根薄丝，可进一步提高对声场的响应特性。

本发明基于mems(微机电系统)工艺制备，使第一电极、第二电极、第三电极、第一薄丝、第二薄丝一次成型，工艺设计合理，有效保证产品质量，其中，加工薄丝中间部位(第二敏感层)时采用高温退火工艺进行热处理，有效提高了敏感层的热稳定性。

附图说明

图1是本发明质点振速测量敏感结构的结构示意图；

图2是本发明加工工艺流程中状态一的示意图；

图3是本发明加工工艺流程中状态二的示意图；

图4是本发明加工工艺流程中状态三的示意图；

图5是本发明加工工艺流程中状态四的示意图；

图6是本发明加工工艺流程中状态五的示意图；

图7是本发明加工工艺流程中状态六的示意图；

图8是本发明加工工艺流程中状态七的示意图；

图9是本发明加工工艺流程中状态八的示意图；

图10是本发明加工工艺流程中状态九的示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，硅衬底1上形成有桥孔，桥孔的一侧上设有第一电极2，桥孔的另一侧上设有第二电极3、第三电极4，此为现有技术。桥孔上方设有第一薄丝5、第二薄丝6，第一薄丝5、第二薄丝6平行设置且保持微间距，两个薄丝的一端均与第一电极2连接，两个薄丝的另一端分别与第二电极3、第三电极连接4。第一薄丝5、第二薄丝6的结构均为，薄丝的两端部位呈弯曲状，实施时，薄丝的两端部位呈s形状或呈“几”字形状，本实施例中，薄丝的两端部位呈s形状。薄丝的中间部位呈平直的矩形状；薄丝中间部位的宽度、厚度大于薄丝两端部位的宽度、厚度。薄丝中间部位的薄丝宽度为1μm—2μm，厚度为0.1μm—0.3μm，本实施例中，薄丝中间部位的薄丝宽度为1.5μm，厚度为0.2μm。薄丝两端部位的薄丝宽度为0.2μm—0.8μm，厚度为0.02μm—0.08μm，本实施例中，薄丝两端部位的薄丝宽度为0.5μm，厚度为0.05μm。薄丝的两端部位采用热导系数＜15w/m·k的金属材料或半导体材料制成，薄丝的中间部位采用电阻温度系数＞3000ppm的金属材料或石墨烯材料制成。

实施例二：

实施例二中，第一薄丝和第二薄丝之间设有1根薄丝，所说1根薄丝与第一薄丝、第二薄丝平行设置，结构与第一薄丝、第二薄丝相同。薄丝中间部位的薄丝宽度为8μm，厚度为0.2μm。薄丝两端部位的薄丝宽度为0.5μm，厚度为0.08μm。其余结构同实施例一。

实施例三：

本发明质点振速测量敏感结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：如图2所示，在硅衬底上依次沉积绝热层和支撑层，其中，绝热层位于支撑层的下方；

步骤2：如图3所示，进行第一次涂胶、光刻和显影，定义出质点振速测量敏感结构的第一电极、第二电极、第三电极和第一敏感层,第一敏感层即薄丝的两端部位；

步骤3：如图4所示，依次蒸发淀积黏附层和第一敏感层，其中，黏附层位于第一敏感层的下方；

步骤4：如图5所示，剥离光刻胶，形成相应的敏感结构；

步骤5：如图6所示，进行第二次涂胶、光刻和显影，定义出质点振速测量敏感结构的第二敏感层,第二敏感层即薄丝的中间部位；

步骤6：如图7所示，蒸发淀积第二敏感层，剥离光刻胶，形成相应的敏感结构；对第二敏感层采用高温退火工艺进行热处理。

步骤7：如图8所示，进行第三次涂胶、光刻和显影，定义质点振速测量敏感结构的桥孔结构；

步骤8：如图9所示，进行干法刻蚀，刻蚀去掉未被光刻胶覆盖的支撑层和绝热层；被光刻胶覆盖的支撑层和绝热层将作为随后进行的异性湿法腐蚀过程的掩蔽层；

步骤9：如图10所示，对硅衬底进行异性湿法腐蚀，形成桥孔结构；

步骤10：进行划片、引线键合及封装，得到成品。