[发明专利]一种声场增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器及方法

说明书

本发明公开了一种声场增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器及方法。本发明采用片上集成的声场自增强通孔，在利用MEMS工艺加工加热测温横梁时同时完成声场自增强通孔的加工，无需使用宏观机械加工手段设计声场增强的封装结构，封装尺寸大幅缩小，拓宽了该传感器的应用范围；由于加热测温横梁与声场自增强通孔均由MEMS工艺统一加工，MEMS工艺具有极高的加工精度，因此该方法避免了传统传感器装配过程中，利用MEMS工艺制备的芯片与利用机械加工手段制备的封装结构之间的装配误差问题；由于本发明制造的传感器具有较小的尺寸，对待测声场的反射与散射很小，不会造成待测声场的畸变，实现单点精确测量。

技术领域

本发明涉及声信号传感器技术，具体涉及一种基于片上集成声场增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器及其方法。

背景技术

声信号由声压和声音导致的声粒子振速两个部分组成。声压是标量信号，与方向无关；声粒子振速是矢量信号，它既包含了声音的强度信息，又包含了声音传播的方向信息。传统麦克风测量的是声压信号，单个器件仅能给出声音的强弱，无法测量声音的矢量信息。如需对声源进行定位需要使用专门的矢量传感器或传感器阵列。声矢量传感器是一种矢量测量设备，不但能测量声场中的介质粒子振动的幅度，还能测量介质粒子振动的方向，即声波的传播方向。声矢量传感器在空气声学和水声学中皆有应用。空气声学中，它可以用于噪声源定位、室内声场成像、声迹追踪、声强和声功率测量以及声源识别等；水声学中，它可以用于舰艇定位、声呐探测、定点浮标和分布式传感网络节点等。

以往对于声粒子振速的测量均采用压差法、同振法等间接测量方法，无法直接测量声粒子振速信号，存在测量精度低、体积大、低频响应差等缺陷。荷兰学者基于微机电系统(MEMS)技术，提出基于热式检测原理的声矢量传感器。该传感器由加热梁和测温梁构成，利用加热梁对周围空气进行加热，声场导致空气中粒子产生振动，形成热对流，改变空间的温度分布，利用测温梁测量温度的变化即可获取声音的矢量信息。基于该结构的声粒子振速传感器具有测量准确、体积小、工艺简单、方向灵敏度高、对声场干扰小等多方面的优势。

由于声音信号中矢量参数信号的量值较低，直接精确测量困难，目前已有的MEMS热式声粒子传感器都是利用宏观的封装方法，设计出由宽至窄再至宽的封装结构，通过声流道的变径实现声场的汇聚与增强效果，将加工好的MEMS声粒子振速传感器插入其中，达到提高器件灵敏度与检测极限的目的，此方法实现的声粒子振速传感器存在以下三点缺陷：

(1)由于这种声场增强结构采用宏观机械加工手段，封装结构尺寸大，限制了该传感器的应用范围；

(2)利用MEMS工艺制备的芯片与利用机械加工手段制备的封装结构之间的装配过程复杂，装配误差会严重影响传感器的测量精度；

(3)由于该传感器尺寸较大，对待测声场的反射与散射不可避免，造成待测声场的畸变，同时导致测量结果存在误差。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器及其方法，通过声场自增强通孔，提高传感器的测量灵敏度与检测极限，取代宏观大尺寸产生声场汇聚作用的封装结构，实现声场矢量信号的精确测量。

本发明的一个目的在于提出一种基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器。

本发明的基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器既可以用于测量远场声波的一维声场矢量信号，又可以用于声场(远场和近场均可)三维矢量信号测量。