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)域有廣泛的應用，但是在超聲傳感器方面應用的研究較少。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。現(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變壓敏電阻和第二應變壓敏電阻，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變壓敏電阻和第四應變壓敏電阻，四個應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，第一應變壓敏電阻與第四應變壓敏電阻串聯(lián)設(shè)置，第三應變壓敏電阻與第二應變壓敏電阻串聯(lián)設(shè)置，第一應變壓敏電阻與第四應變壓敏電阻的整體和第三應變壓敏電阻與第二應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，第一應變壓敏電阻和第四應變壓敏電阻的串聯(lián)處端與第三應變壓敏電阻和第二應變壓敏電阻的串聯(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)生較大的應力。應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，應將應變壓敏電阻放置于振動膜和側(cè)梁的應カ變化較大的區(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、負應カ區(qū)，可以充分利用結(jié)構(gòu)應カ提高靈敏度。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)上放置的應變壓敏電阻構(gòu)成的惠斯通電橋，四個應變壓敏電阻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)梁上的應變壓敏電阻受到應力而阻值増大，阻值增量為，振動膜中間應カ減小，故振動膜上的應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變壓敏電阻(Rl)和第二應變壓敏電阻(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變壓敏電阻(R3)和第四應變壓敏電阻(R4)，四個應變壓敏電阻(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，第一應變壓敏電阻(Rl)與第四應變壓敏電阻(R4)串聯(lián)設(shè)置，第三應變壓敏電阻(R3)與第二應變壓敏電阻(R2)串聯(lián)設(shè)置，第一應變壓敏電阻(Rl)與第四應變壓敏電阻(R4)整體和第三應變壓敏電阻(R3)與第二應變壓敏電阻(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、四應變壓敏電阻，四個應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