[实用新型]一种防御声学攻击的MEMS惯性传感器

说明书

本实用新型涉及一种防御声学攻击的MEMS惯性传感器。现有薄膜型声学超材料结构尺寸过大。本实用新型包括MEMS惯性传感器模块和防御声学攻击模块。MEMS惯性传感器模块由下向上依次包括第一硅衬底、第一SiO₂刻蚀停止层、下多晶硅圆环电极、SiO₂支撑层、上多晶硅振膜层、SiN_x质量块，上多晶硅振膜层架设在第一背腔上。防御声学攻击模块由下向上依次包括第二硅衬底、第二SiO₂刻蚀停止层和多晶硅振膜层，多晶硅振膜层架设在阻尼腔上。上多晶硅振膜层和多晶硅振膜层设置有环形弹性结构。本实用新型可以有效减弱入射攻击声波的能量，能够预防大范围声波频率的攻击。

技术领域

本实用新型属于传感器安全技术领域，具体涉及一种防御声学攻击的MEMS惯性传感器。

背景技术

相对于传统传感器，基于微机电系统(MEMS)的传感器在尺寸、成本、功耗、可靠性等方面都具有明显优势。因此，它被广泛应用于新型消费电子领域。其中，MEMS惯性传感器(通常包括MEMS加速度计和MEMS陀螺仪)是一种最典型的MEMS传感器，在智能手机、无人驾驶汽车、无人机、可穿戴设备等需要导航定位功能的电子产品上都有配备。

MEMS惯性传感器的简化物理模型是质量块-弹簧机械系统：在运动过程中，如果质量块的运动状态发生改变，就会产生惯性力。按照牛顿第二定律，与质量块连接的弹簧会发生形变或产生位移，从而通过弹性力平衡惯性力，使质量块保持力学平衡。然而，正如固体存在共振现象，质量块-弹簧组成的简易机械系统也存在特有共振频率。如果能量足够强、频率在共振频率附近，声波会使MEMS惯性传感器发生强烈的共振响应，导致角速度或角速率测量不准确，甚至完全失效。

正是利用MEMS惯性传感器的共振特性，最近硬件安全研究者提出了一种叫做共振声学注入攻击(acoustic injection attacks)的技术，通过恶意制造的高频声波使装备了惯性传感器的智能电子产品失去运动自控能力，或者被欺骗劫持。无人机、自动驾驶汽车都是最直接的攻击目标。另外，还有一种不可听声波攻击技术，通过超声波调制低频声学信号，进而借助语音识别系统(如Siri)来控制整个智能终端系统。

目前，最前沿的消声或隔音技术是基于薄膜型声学超材料的技术，其能够在100～1000 Hz频率范围内打破声音衰减的质量密度定律，有效防止低频噪声干扰。传统消声方法一般需要较厚的吸收材料，它的尺寸与空气中传播的低频声波的波长相当(典型的在1～10m)，而薄膜型声学超材料的尺寸最小可达几厘米。然而，几个厘米的声学超材料比MEMS惯性传感器仍然大了一个量级，无法将二者紧凑集成。

发明内容

本实用新型的目的就是针对传统MEMS惯性传感器不具备声学攻击防御功能，以及现有薄膜型声学超材料结构尺寸过大等问题，提供一种具备声学攻击防御功能的MEMS惯性传感器，实现宽频段有效消声，防止恶意声学共振攻击，提高传感器的集成性和安全性。

本实用新型包括两个模块：MEMS惯性传感器模块和防御声学攻击模块，防御声学攻击模块设置在MEMS惯性传感器模块的上方。

所述的MEMS惯性传感器模块由下向上依次包括第一硅衬底、第一SiO₂刻蚀停止层、下多晶硅圆环电极、SiO₂支撑层、上多晶硅振膜层、SiN_x质量块。

贯穿第一硅衬底、第一SiO₂刻蚀停止层、下多晶硅圆环电极、SiO₂支撑层开设有阶梯状圆筒形的第一背腔，其中贯穿SiO₂支撑层部分的圆形横截面直径大于贯穿下多晶硅圆环电极部分的圆形横截面直径。

圆形的上多晶硅振膜层架设在第一背腔上；所述的上多晶硅振膜层靠近边沿位置设置有圆环形的弹性结构，弹性结构的圆周外沿与第一背腔的内壁对应；所述的弹性结构由圆周排列的多组通槽组成，增加弹性结构环形内部分的上多晶硅振膜的弹性。