專利名稱：壓阻式矢量水聽(tīng)器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用壓阻原理制作矢量水聽(tīng)器技術(shù)，具體為壓阻式矢量水聽(tīng)器及制備方法。
背景技術(shù)：
矢量水聽(tīng)器的出現(xiàn)使聲納信息的獲取量得到了很大提高，從原來(lái)的只能測(cè)量標(biāo)量(聲壓)信息，轉(zhuǎn)變到即可測(cè)量標(biāo)量(聲壓)信息，又可測(cè)聲場(chǎng)的矢量信息(質(zhì)點(diǎn)振速，加速度等)，這些信息量的加大，對(duì)聲納信號(hào)處理大有益處。目前，無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，矢量水聽(tīng)器采用的都是壓電原理，國(guó)外以benjamin利用壓電加速度計(jì)制作的聲矢量傳感器較具有代表性。其性能指標(biāo)如下頻響100Hz～2000Hz、靈敏度100mV/g、尺寸≥5cm其所作矢量水聽(tīng)器已應(yīng)用于潛艇聲納系統(tǒng)。從靈敏度指標(biāo)看100mV/g的靈敏度在水下測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)頻率低于1k時(shí)，利用脈沖比較法測(cè)量聲壓接收靈敏度時(shí)，信號(hào)已很難測(cè)量。國(guó)內(nèi)有代表性的矢量水聽(tīng)器是由哈爾濱工程大學(xué)制作的，采用的是壓電原理。當(dāng)水聽(tīng)器有效尺寸小于30mm時(shí)，靈敏度很低，利用脈沖比較法測(cè)量的聲壓接收靈敏度同樣低到測(cè)不出來(lái)，利用壓阻原理制作的矢量水聽(tīng)器能夠解決靈敏度低的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低頻率、小尺寸、易于復(fù)合設(shè)計(jì)、制做的壓阻式矢量水聽(tīng)器及制備方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的在單晶硅片上通過(guò)微機(jī)械加工制作出用于敏感聲信號(hào)敏感結(jié)構(gòu)懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)和質(zhì)量結(jié)構(gòu)(4)，在懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)上植入摻雜電阻(2)，用于感受應(yīng)變信號(hào)，并與另一片腐有淺槽結(jié)構(gòu)(6)的硅片在鍵和面(5)鍵和，封接到空隙結(jié)構(gòu)(3)的氣體可用于產(chǎn)生阻尼，經(jīng)聲學(xué)灌封形成矢量水聽(tīng)器。采用半導(dǎo)體單晶硅N型Si(100)面制作，正面制作工藝過(guò)程在單晶硅襯底上進(jìn)行熱氧化，形成一層SiO2，第一次光刻形成半導(dǎo)體壓敏電阻圖形，然后進(jìn)行擴(kuò)硼工藝，形成方塊電阻200Ω/□的半導(dǎo)體壓敏電阻圖形，退火后，進(jìn)行第二次光刻，擴(kuò)散濃硼，制作電阻圖形的電極接觸孔，經(jīng)再分布、氧化后，進(jìn)行第三次光刻，光刻電阻圖形和引出點(diǎn)圖形的歐姆接觸區(qū)，然后蒸鋁，厚度，進(jìn)行第四次光刻，形成鋁電極圖形，即把電阻圖形的歐姆接觸區(qū)與引出點(diǎn)圖形的歐姆接觸區(qū)通過(guò)鋁電極連接起來(lái)，完成正面半導(dǎo)體壓敏電阻(2)的制作。背面工藝過(guò)程進(jìn)行第五次光刻，形成背板圖形露出將要被腐蝕的區(qū)域，然后進(jìn)行各向異性腐蝕，去掉硅材料形成空隙結(jié)構(gòu)(3)、形成單晶硅質(zhì)量結(jié)構(gòu)(4)和懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)，最后與另一片同樣通過(guò)光刻、腐蝕出淺槽槽結(jié)構(gòu)(6)的單晶硅材料底結(jié)構(gòu)(7)在鍵和面(5)位置進(jìn)行靜電封接或粘接形成敏感結(jié)構(gòu)；當(dāng)有聲信號(hào)時(shí)，由于懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)的存在，并且由于單晶硅質(zhì)量結(jié)構(gòu)單元(4)有保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)，因此質(zhì)量單元相對(duì)于外殼有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)建立方程，推導(dǎo)出質(zhì)量單元的相對(duì)位移x與水聽(tīng)器振速的幅值成正比。
質(zhì)量結(jié)構(gòu)單元沿梁的法線方向的位移將聲質(zhì)點(diǎn)振速轉(zhuǎn)換成懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)的一種彈性變形，這種變形可通過(guò)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻的壓阻效應(yīng)將其轉(zhuǎn)換成可用電信號(hào)，這種方法的特點(diǎn)是可以根據(jù)需要在很小的面積內(nèi)制出很大的電阻值，耗電電流小，在較高的電壓下工作，結(jié)構(gòu)尺寸可以作得很小，其本身由于沒(méi)有粘接環(huán)節(jié)而沒(méi)有蠕變，靈敏系數(shù)大，應(yīng)變電阻應(yīng)在梁的靠近根部的區(qū)域制作，由于惠斯通電橋由四個(gè)電阻組成，因此分別在四個(gè)梁的近根部區(qū)域制作四個(gè)電阻，用于將梁的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化，最后通過(guò)電路檢測(cè)方法將電阻的變化引出，對(duì)于恒壓源供電情況，可推得VSC＝V0Kε (2)K為壓阻元件靈敏系數(shù)，它由單晶硅材料的晶向、摻雜濃度、摻雜類型所決定，是元件材料參數(shù)，ε為應(yīng)變，V0是電源電壓。
在懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)上有半導(dǎo)體壓敏電阻(2)，空隙結(jié)構(gòu)(3)將懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)質(zhì)量結(jié)構(gòu)(4)分開，在單晶硅材料底結(jié)構(gòu)(7)上有槽結(jié)構(gòu)(6)，在鍵和面(5)有敏感結(jié)構(gòu)的單晶硅與單晶硅材料底結(jié)構(gòu)(7)靜電封接、粘接。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是制作的傳感器體積小，靈敏度高，成本低、安全可靠、制做過(guò)程較為簡(jiǎn)便。


圖1為本發(fā)明壓阻式矢量水聽(tīng)器敏感基元結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2為本發(fā)明壓阻式矢量水聽(tīng)器敏感單晶硅質(zhì)量結(jié)構(gòu)正面結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖3為本發(fā)明壓阻式矢量水聽(tīng)器單晶硅底結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖4為本發(fā)明壓阻式矢量水聽(tīng)器懸臂梁結(jié)構(gòu)單臂結(jié)構(gòu)原理主視示意圖；圖5為本發(fā)明壓阻式矢量水聽(tīng)器懸臂梁結(jié)構(gòu)單臂梁結(jié)構(gòu)原理俯視示意圖；圖6為本發(fā)明壓阻式矢量水聽(tīng)器懸臂梁結(jié)構(gòu)雙臂梁結(jié)構(gòu)原理主視示意圖；圖7為本發(fā)明壓阻式矢量水聽(tīng)器懸臂梁結(jié)構(gòu)雙臂梁結(jié)構(gòu)原理俯視示意圖；圖8為本發(fā)明壓阻式矢量水聽(tīng)器懸臂梁結(jié)構(gòu)四臂梁結(jié)構(gòu)原理主視示意圖；圖9為本發(fā)明壓阻式矢量水聽(tīng)器懸臂梁結(jié)構(gòu)四臂梁結(jié)構(gòu)原理俯視示意圖。
具體實(shí)施例方式在單晶硅片上通過(guò)微機(jī)械加工制作出用于敏感聲信號(hào)敏感結(jié)構(gòu)懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)和質(zhì)量結(jié)構(gòu)(4)，在懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)上植入摻雜電阻(2)，用于感受應(yīng)變信號(hào)，并與另一片腐有淺槽結(jié)構(gòu)(6)的硅片在鍵和面(5)鍵和，封接到空隙結(jié)構(gòu)(3)的氣體可用于產(chǎn)生阻尼，經(jīng)聲學(xué)灌封形成矢量水聽(tīng)器。采用半導(dǎo)體單晶硅N型Si(100)面制作，正面制作工藝過(guò)程在單晶硅襯底上進(jìn)行熱氧化，形成一層SiO2，第一次光刻形成半導(dǎo)體壓敏電阻圖形，然后進(jìn)行擴(kuò)硼工藝，形成方塊電阻200Ω/□的半導(dǎo)體壓敏電阻圖形，退火后，進(jìn)行第二次光刻，擴(kuò)散濃硼，制作電阻圖形的電極接觸孔，經(jīng)再分布、氧化后，進(jìn)行第三次光刻，光刻電阻圖形和引出點(diǎn)圖形的歐姆接觸區(qū)，然后蒸鋁，厚度，進(jìn)行第四次光刻，形成鋁電極圖形，即把電阻圖形的歐姆接觸區(qū)與引出點(diǎn)圖形的歐姆接觸區(qū)通過(guò)鋁電極連接起來(lái)，完成正面半導(dǎo)體壓敏電阻(2)的制作。背面工藝過(guò)程進(jìn)行第五次光刻，形成背板圖形露出將要被腐蝕的區(qū)域，然后進(jìn)行各向異性腐蝕，去掉硅材料形成空隙結(jié)構(gòu)(3)、形成單晶硅質(zhì)量結(jié)構(gòu)(4)和懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)，最后與另一片同樣通過(guò)光刻、腐蝕出淺槽槽結(jié)構(gòu)(6)的單晶硅材料底結(jié)構(gòu)(7)在鍵和面(5)位置進(jìn)行靜電封接或粘接形成敏感結(jié)構(gòu)；當(dāng)有聲信號(hào)時(shí)，由于懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)的存在，并且由于單晶硅質(zhì)量結(jié)構(gòu)單元(4)有保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)，因此質(zhì)量單元相對(duì)于外殼有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)建立方程，推導(dǎo)出質(zhì)量單元的相對(duì)位移x與水聽(tīng)器振速的幅值成正比。
質(zhì)量結(jié)構(gòu)單元沿梁的法線方向的位移將聲質(zhì)點(diǎn)振速轉(zhuǎn)換成懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)的一種彈性變形，這種變形可通過(guò)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻的壓阻效應(yīng)將其轉(zhuǎn)換成可用電信號(hào)，這種方法的特點(diǎn)是可以根據(jù)需要在很小的面積內(nèi)制出很大的電阻值，耗電電流小，在較高的電壓下工作，結(jié)構(gòu)尺寸可以作得很小，其本身由于沒(méi)有粘接環(huán)節(jié)而沒(méi)有蠕變，靈敏系數(shù)大，應(yīng)變電阻應(yīng)在梁的靠近根部的區(qū)域制作，由于惠斯通電橋由四個(gè)電阻組成，因此分別在四個(gè)梁的近根部區(qū)域制作四個(gè)電阻，用于將梁的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化，最后通過(guò)電路檢測(cè)方法將電阻的變化引出，對(duì)于恒壓源供電情況，可推得VSC＝V0Kε (2)K為壓阻元件靈敏系數(shù)，它由單晶硅材料的晶向、摻雜濃度、摻雜類型所決定，是元件材料參數(shù)，ε為應(yīng)變，V0是電源電壓。
在懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)上有半導(dǎo)體壓敏電阻(2)，空隙結(jié)構(gòu)(3)將懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)質(zhì)量結(jié)構(gòu)(4)分開，在單晶硅材料底結(jié)構(gòu)(7)上有槽結(jié)構(gòu)(6)，在鍵和面(5)有敏感結(jié)構(gòu)的單晶硅與單晶硅材料底結(jié)構(gòu)(7)靜電封接、粘接。
權(quán)利要求
1.一種壓阻式矢量水聽(tīng)器及制備方法，其特征在于在單晶硅片上通過(guò)微機(jī)械加工制作出用于敏感聲信號(hào)敏感結(jié)構(gòu)懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)和質(zhì)量結(jié)構(gòu)(4)，在懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)上植入摻雜電阻(2)，用于感受應(yīng)變信號(hào)，并與另一片腐有淺槽結(jié)構(gòu)(6)的硅片在鍵和面(5)鍵和，封接到空隙結(jié)構(gòu)(3)的氣體產(chǎn)生阻尼，經(jīng)聲學(xué)灌封形成矢量水聽(tīng)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓阻式矢量水聽(tīng)器及制備方法，其特征在于采用半導(dǎo)體單晶硅N型Si的100晶面制作，正面制作工藝過(guò)程在單晶硅襯底上進(jìn)行熱氧化，形成一層SiO2，第一次光刻形成半導(dǎo)體壓敏電阻圖形，然后進(jìn)行擴(kuò)硼工藝，形成方塊電阻200Ω/□的半導(dǎo)體壓敏電阻圖形，退火后，進(jìn)行第二次光刻，擴(kuò)散濃硼，制作電阻圖形的電極接觸孔，經(jīng)再分布、氧化后，進(jìn)行第三次光刻，光刻電阻圖形和引出點(diǎn)圖形的歐姆接觸區(qū)，然后蒸鋁，厚度，進(jìn)行第四次光刻，形成鋁電極圖形，即將電阻圖形的歐姆接觸區(qū)與引出點(diǎn)圖形的歐姆接觸區(qū)通過(guò)鋁電極連接起來(lái)，完成正面半導(dǎo)體壓敏電阻(2)的制作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓阻式矢量水聽(tīng)器及制備方法，其特征在于背面工藝過(guò)程進(jìn)行第五次光刻，形成背板圖形露出將要被腐蝕的區(qū)域，然后進(jìn)行各向異性腐蝕，去掉硅材料形成空隙結(jié)構(gòu)(3)、形成單晶硅質(zhì)量結(jié)構(gòu)(4)和懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)，最后與另一片同樣通過(guò)光刻、腐蝕出淺槽槽結(jié)構(gòu)(6)的單晶硅材料底結(jié)構(gòu)(7)在鍵和面(5)位置進(jìn)行靜電封接、粘接形成敏感結(jié)構(gòu)；當(dāng)有聲信號(hào)時(shí)，由于懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)的存在，并且由于單晶硅質(zhì)量結(jié)構(gòu)單元(4)有保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)，因此質(zhì)量單元相對(duì)于外殼有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)建立方程，推導(dǎo)出質(zhì)量單元的相對(duì)位移x與水聽(tīng)器振速的幅值成正比。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓阻式矢量水聽(tīng)器及制備方法，其特征在于質(zhì)量結(jié)構(gòu)單元沿梁的法線方向的位移將聲質(zhì)點(diǎn)振速轉(zhuǎn)換成懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)的一種彈性變形，這種變形可通過(guò)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻的壓阻效應(yīng)將其轉(zhuǎn)換成可用電信號(hào)，這種方法的特點(diǎn)是可以根據(jù)需要在很小的面積內(nèi)制出很大的電阻值，耗電電流小，在較高的電壓下工作，結(jié)構(gòu)尺寸可以作得很小，其本身由于沒(méi)有粘接環(huán)節(jié)而沒(méi)有蠕變，靈敏系數(shù)大，應(yīng)變電阻應(yīng)在梁的靠近根部的區(qū)域制作，由于惠斯通電橋由四個(gè)電阻組成，因此分別在四個(gè)梁的近根部區(qū)域制作四個(gè)電阻，用于將梁的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化，最后通過(guò)電路檢測(cè)方法將電阻的變化引出，對(duì)于恒壓源供電情況，可推得VSC＝V0Kε(2)K為壓阻元件靈敏系數(shù)，它由單晶硅材料的晶向、摻雜濃度、摻雜類型所決定，是元件材料參數(shù)，ε為應(yīng)變，V0是電源電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓阻式矢量水聽(tīng)器，其特征在于在懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)上有半導(dǎo)體壓敏電阻(2)，空隙結(jié)構(gòu)(3)將懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)質(zhì)量結(jié)構(gòu)(4)分開，在單晶硅材料底結(jié)構(gòu)(7)上有槽結(jié)構(gòu)(6)，在鍵和面(5)有敏感結(jié)構(gòu)的單晶硅與單晶硅材料底結(jié)構(gòu)(7)靜電封接、粘接。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用壓阻原理制作矢量水聽(tīng)器，具體為壓阻式矢量水聽(tīng)器及制備方法。其特點(diǎn)是在硅片上通過(guò)微機(jī)械加工制作出用于敏感聲信號(hào)的懸臂梁結(jié)構(gòu)和質(zhì)量結(jié)構(gòu)，在梁結(jié)構(gòu)上植入摻雜電阻，用于感受應(yīng)變信號(hào)，并與另一片腐有槽結(jié)構(gòu)的硅片鍵和，封接到槽內(nèi)的氣體可用于產(chǎn)生阻尼。襯底選擇N型Si(100)面，正面通過(guò)半導(dǎo)體平面制作工藝制作半導(dǎo)體應(yīng)變電阻，背面通過(guò)體微機(jī)械加工工藝制作敏感結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是制作的傳感器體積小，靈敏度高，成本低、安全可靠、制做過(guò)程較為簡(jiǎn)便。
文檔編號(hào)H04R1/44GK1737510SQ20051001030
公開日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月5日
發(fā)明者楊士莪, 范茂軍, 陳麗潔 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所