專利名稱：單片集成mems壓阻超聲傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEMS傳感器領(lǐng)域中的超聲傳感器，具體是ー種單片集成MEMS壓阻超聲傳感器。
背景技術(shù)：
超聲傳感器作為聲電轉(zhuǎn)換中的關(guān)鍵兀件，其材料與結(jié)構(gòu)一直為研究熱點?；谖C電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制備的超聲傳感器，相比傳統(tǒng)的超聲傳感器，其具有可陣列化和頻 率高等優(yōu)點，且在實現(xiàn)高精度及與ICエ藝集成上有明顯優(yōu)勢。超聲傳感器分為壓電式、電容式和壓阻式三類。壓電式超聲傳感器較為成熟，但是壓電材料多為陶瓷結(jié)構(gòu)，大多較硬較脆，加大了尺寸設(shè)計及加工的難度，尤其是醫(yī)用成像所使用的ニ維陣列探頭的制造更加復雜，種種限制導致傳統(tǒng)的壓電式超聲傳感器已不能滿足現(xiàn)代科技的需要。電容式超聲傳感器逐漸成為人們關(guān)注的熱點，國外已制成超聲成像樣機，但國內(nèi)相關(guān)方面的研究起步較晚且電容式超聲傳感器エ藝復雜、成品率低致使其應(yīng)用受到一定的限制。壓阻式傳感器已經(jīng)在MEMS加速度計、測カ計等慣性領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，但是在超聲傳感器方面應(yīng)用的研究較少。在國內(nèi)，中北大學對壓阻式的懸臂梁結(jié)構(gòu)的聲音傳感器(如圖2，包括質(zhì)量塊邊框1，固支塊5和弾性梁6)做了ー些研究，并取得了一定的成果。隨著MEMSエ藝技術(shù)的不斷提高，壓阻式超聲以其與CMOSエ藝的兼容好、エ藝簡單等優(yōu)勢也會有一定的應(yīng)用前景。超聲傳感器普遍存在的問題是靈敏度低，提高超聲傳感器結(jié)構(gòu)靈敏度是主要的研究問題之一?，F(xiàn)有的壓阻式懸臂梁結(jié)構(gòu)的聲音傳感器，隨著頻率的提高，厚度與長度的比值増大，結(jié)構(gòu)的靈敏度也會大大下降。在保證共振頻率的情況下，縮小尺寸，厚度與長度的比值減小，靈敏度會隨之提高。因為電阻制作エ藝的限制，尺寸不能無限的小，所以靈敏度提高到一定程度就受到限制，在高頻的情況下提高靈敏度是ー個難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有超聲傳感器靈敏度低的問題，而提供一種單片集成MEMS壓阻超聲傳感器，該傳感器采用了振動膜與側(cè)梁組成的“膜——梁”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有靈敏度聞、體積小、可華4生聞、易于一體化加工等優(yōu)點，從而進一步提聞了該傳感器的靈敏度。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種單片集成MEMS壓阻超聲傳感器，包括長方形的質(zhì)量塊邊框，質(zhì)量塊邊框的兩相對短邊的中間位置之間固定有振動膜，振動膜兩側(cè)邊的中間位置與質(zhì)量塊邊框的兩相對長邊的中間位置之間分別對稱固定有側(cè)梁，振動膜位于X軸方向，側(cè)梁位于Y軸方向，且振動膜寬度大于側(cè)梁寬度，振動膜上的中間位置左、右對稱分布有第一應(yīng)變壓敏電阻和第二應(yīng)變壓敏電阻，兩側(cè)梁上靠近質(zhì)量塊邊框的根部位置對稱分布有第三應(yīng)變壓敏電阻和第四應(yīng)變壓敏電阻，四個應(yīng)變壓敏電阻的阻值相同并且其之間連接成一個惠斯通電橋，其中，第一應(yīng)變壓敏電阻與第四應(yīng)變壓敏電阻串聯(lián)設(shè)置，第三應(yīng)變壓敏電阻與第二應(yīng)變壓敏電阻串聯(lián)設(shè)置，第一應(yīng)變壓敏電阻與第四應(yīng)變壓敏電阻的整體和第三應(yīng)變壓敏電阻與第二應(yīng)變壓敏電阻的整體之間并聯(lián)設(shè)置，并聯(lián)的兩端為電壓輸入端，第一應(yīng)變壓敏電阻和第四應(yīng)變壓敏電阻的串聯(lián)處端與第三應(yīng)變壓敏電阻和第二應(yīng)變壓敏電阻的串聯(lián)處端之間為電橋輸出端。本發(fā)明傳感器之所以設(shè)計成由振動膜與測梁組成的“膜——梁”結(jié)構(gòu)，是由于側(cè)梁振動時，距離根部越遠振幅越大，因此，充分利用較大的振幅是設(shè)計的出發(fā)點。振動膜在振動的時候中間位移量最大，側(cè)梁一端連接到中間位移量最大的地方，另一端固定在質(zhì)量塊邊框上，從而使側(cè)梁形變量較大，產(chǎn)生較大的應(yīng)力。應(yīng)變壓敏電阻的放置決定了傳感器的靈敏度，因此，為了増大傳感器的靈敏度，應(yīng)將應(yīng)變壓敏電阻放置于振動膜和側(cè)梁的應(yīng)カ變化較大的區(qū)域，檢測電路采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)置一方面四個壓敏電阻具有相同的溫漂系數(shù)，可以抑制傳感器的溫漂；另ー方面將四個壓敏電阻交叉布放于振動膜與側(cè)梁的較大的正、負應(yīng)カ區(qū)，可以充分利用結(jié)構(gòu)應(yīng)カ提高靈敏度。另外與現(xiàn)有的懸臂梁結(jié)構(gòu)相比，由于本發(fā)明結(jié)構(gòu)中的振動膜比較寬，兩邊都與質(zhì)量塊邊框相連接，結(jié)構(gòu)牢固，加工過程不容易被損壞，提高抗沖擊能力，而且寬度更寬了，能接受更多的聲壓信號，進ー步提高傳感器的靈敏度。因此，該結(jié)構(gòu)兼具靈敏度高，結(jié)構(gòu)牢固兩個優(yōu)點。如圖3是本發(fā)明結(jié)構(gòu)上放置的應(yīng)變壓敏電阻構(gòu)成的惠斯通電橋，四個應(yīng)變壓敏電阻Rl、R2、R3、R4的阻值均為R，當本發(fā)明結(jié)構(gòu)不受壓カ時，電橋兩端輸出電壓Ua=Ub ;當受到壓カ的時候，側(cè)梁上的應(yīng)變壓敏電阻受到應(yīng)力而阻值増大，阻值增量為，振動膜中間應(yīng)カ減小，故振動膜上的應(yīng)變壓敏電阻阻值減小，阻值減小量為2，從而使電橋的一端電壓Ua變小，另一端電壓Ub増大，電橋兩端產(chǎn)生電壓差，如公式I。在周期的聲信號下，產(chǎn)生周期的電信號。
權(quán)利要求
1.一種單片集成MEMS壓阻超聲傳感器，其特征在于包括長方形的質(zhì)量塊邊框(I)，質(zhì)量塊邊框(I)的兩相對短邊的中間位置之間固定有振動膜(2 )，振動膜(2 )兩側(cè)邊的中間位置與質(zhì)量塊邊框(I)的兩相對長邊的中間位置之間分別對稱固定有側(cè)梁(3)，振動膜(2)位于X軸方向，側(cè)梁(3)位于Y軸方向，且振動膜(2)寬度大于側(cè)梁(3)寬度，振動膜(2)上的中間位置左、右對稱分布有第一應(yīng)變壓敏電阻(Rl)和第二應(yīng)變壓敏電阻(R2)，兩側(cè)梁(3)上靠近質(zhì)量塊邊框(I)的根部位置對稱分布有第三應(yīng)變壓敏電阻(R3)和第四應(yīng)變壓敏電阻(R4)，四個應(yīng)變壓敏電阻(Rl、R2、R3、R4)的阻值相同并且其之間連接成一個惠斯通電橋，其中，第一應(yīng)變壓敏電阻(Rl)與第四應(yīng)變壓敏電阻(R4)串聯(lián)設(shè)置，第三應(yīng)變壓敏電阻(R3)與第二應(yīng)變壓敏電阻(R2)串聯(lián)設(shè)置，第一應(yīng)變壓敏電阻(Rl)與第四應(yīng)變壓敏電阻(R4)整體和第三應(yīng)變壓敏電阻(R3)與第二應(yīng)變壓敏電阻(R2)整體之間并聯(lián)設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單片集成MEMS壓阻超聲傳感器，其特征在于所述的質(zhì)量塊邊框(I)、振動膜(2)及側(cè)梁(3)都是以SOI片材料經(jīng)現(xiàn)有的標準壓阻式硅微機械エ藝加工制成；設(shè)置于振動膜(2)及側(cè)梁(3)上的四個應(yīng)變壓敏電阻(Rl、R2、R3、R4)是經(jīng)現(xiàn)有的擴散或離子注入エ藝加工制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的單片集成MEMS壓阻超聲傳感器，其特征在于所述振動膜(2)的長度為1740Mm，寬度為800Mm，厚度IOMm ;所述側(cè)梁(3)的長度均為lOOMm，寬度均為lOOMm，厚度均為IOMm ;所述質(zhì)量塊邊框(I)的外邊長為2140Mm，外邊寬為1400Mm，內(nèi)邊長為1740Mm，內(nèi)邊寬為IOOOMm，厚度為410Mm。
全文摘要
本發(fā)明為一種單片集成MEMS壓阻超聲傳感器，解決了現(xiàn)有超聲傳感器靈敏度低的問題。本發(fā)明包括質(zhì)量塊邊框，質(zhì)量塊邊框的兩相對短邊之間固定有振動膜，振動膜兩側(cè)邊的中間位置與質(zhì)量塊邊框的兩相對長邊之間分別對稱固定有側(cè)梁，振動膜位于X軸方向，側(cè)梁位于Y軸方向，且振動膜寬度大于側(cè)梁寬度，振動膜上的中間位置對稱分布有第一、二應(yīng)變壓敏電阻，兩側(cè)梁上靠近質(zhì)量塊邊框的根部位置對稱分布有第三、四應(yīng)變壓敏電阻，四個應(yīng)變壓敏電阻的阻值相同并且其之間連接成一個惠斯通電橋。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單新穎、重量輕、體積小、功耗低、靈敏度高、加工成本低、適合于批量化生產(chǎn)、單片集成便于安裝測試。
文檔編號H04R17/00GK102647657SQ20121016446
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月25日
發(fā)明者于佳琪, 何常德, 宛克敬, 廉德欽, 張國軍, 張文棟, 張永平, 杜春暉, 王紅亮, 苗靜, 薛晨陽 申請人:中北大學