一种新型SOI高声压噪声传感器研制

王晓兰, 邹志弢

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

在许多工程应用中，都需要对设备进行噪声监测，同时要求对噪声有较高的测量精度。尤其对工作频率范围内的噪声信号测量有较高的要求。一般的,噪声信号测量可以采用压阻式噪声传感器、压电式噪声传感器、电容式噪声传感器、驻极体式噪声传感器等。压电式噪声传感器缺点是体积大，无静态输出，要求有很高的电输出阻抗，需用低电容值的低噪声电缆；电容式噪声传感器在工作频率上能够满足指标要求，但不易达到测量范围；驻极体式噪声传感器测量范围无法满足使用要求。本文介绍的压阻式噪声传感器具有优点：体积小、灵敏度高、精度高，在高声压级135～200 dB动态范围内的线性度小于1 %，频率响应为20～100 000 Hz，传感器的输出为标准电压信号，可组成被动式声测量阵列，用于噪声信号的测量[1]。已批量用于交通运输、医疗器械、机器人系统、国防事业、家用电器等相关行业和领域。同时也大量应用于航空、航天、国防等领域的噪声测量与控制系统中。

本文为了达到耐高温、高频、高声压、小型化的特点，着重对感声膜结构设计与制作技术，声腔结构动态匹配技术进行了研究。

1 传感器总体方案设计

采用注氧隔离技术制成的绝缘体上硅(silicon on insulator,SOI)基片(SIMOX)，利用单晶硅的压阻效应原理，在SOI片上制作出4个力敏电阻器，组成惠斯通电桥，芯片背面利用各向异性腐蚀技术制作出弹性膜片，形成敏感膜片[2]。由于敏感膜片用于测量噪声信号，需直接与被测介质接触，不能采用其他的隔离封装，因此，为避免膜片图形接触被测介质，造成污染，同时为满足耐高温及动态指标的要求，采用膜片背面感声形式,即采用膜片正面通过静电键合工艺与经微加工的玻璃基座封(具有声腔结构)封接在一起；将玻璃基座与可伐支撑结构通过玻璃烧结的方法连接在一起，金丝与芯片的电极键合在一起，形成传感器探头；探头通过焊接、引线转接与金属管壳和电缆连接，封装成传感器。

2 传感器工作原理

SOI高声压噪声传感器技术采用压阻式原理，当声信号作用在感声膜片时，膜片发生形变，引起感声膜中电阻值变化，通过信号检测电路将信号线性地检出，实现将声音信号转换为电信号[3]

2.1 感声膜结构设计

对于感声膜结构，频率特性主要取决于其固有频率。本文采用梁膜结构，即利用硅膜的刚度系数与其膜厚的三次方成正比的原理，设计结构特点是力敏电阻应变计制作在应力集中的厚梁区，膜区的厚度不受力敏电阻应变计的限制，该结构具有良好的频响特性，且对噪声动态范围设计可控[4]。感声膜外形尺寸如图1。其中,H为梁区厚度；h为膜区厚度；A为敏感膜边长；B为固支端边长；L1为放置电阻条梁区宽度；L2为L型膜区长度；L3为L型膜区宽度。三维结构如图2。

图1 感声膜外形结构示意

图2 感声膜敏感结构示意

图3 感声膜结构前三阶振型

前三阶固有频率分别为68.8，142.9，143 kHz。前三阶固有频率均远超20 kHz，不影响传感器的工作频率。在静态分析时，为减小计算量，由于模型具有结构对称、载荷对称特点，利用对称边界条件对模型的1/4进行分析，施加压力载荷20 kPa，静态应力分布结果如图4。

图4 感声膜结构静态分布

应变分布曲线如图5，应变为170×10-6左右。

图5 感声膜沿A-O方向应变分布曲线

对感声膜结构进行理论分析与设计，确定采用L形梁膜结构，并通过ANSYS软件进行仿真模拟，确定结构参数；完成工艺、版图设计，并对其工艺进行研究，确定工艺参数[6]，制作感声膜芯片样品，如图6。

图6 L形梁膜结构芯片

2.2 传感器工艺方案

感声膜结构的封装方式增加了工艺制作的难度。本文采用离子注入、双面对准光刻、硅各向异性湿法及干法刻蚀、键合等硅微机械加工技术制作芯片[7]，通过对高声压感声膜结构离子注入技术、钝化层应力匹配技术、高温电极引出技术、高温封装技术的研究，实现恶劣环境下对高声压的噪声信号的检测。传感器总体工艺流程如图7所示。

图7 传感器总体工艺流程

传感器实物如图8(a)，内部结构示意如图8(b)。

图8 SOI高声压噪声传感器示意

3 传感器测试结果

3.1 传感器灵敏度测试

将4只样品(1#,2#,3#,4#)分别利用124 dB，251 Hz的声校准器校准传感器单元，测试结果分别为26.5,25.2,25.8,26 μV/Pa。

3.2 传感器线性度测试

在压力场下对1#～4#4只样品进行线性度测试，调节标准声源的声压频率为1 000 Hz，分别取声压级为135,155,170,185,200 dB(对应的声压值分别为112.5,112.5,200,335.7,632.5 Pa)测量4只样品的输出，采用滤波软件对采集的数据进行处理计算，1#～4#样品的线性度测试结果分别为0.34 %,0.67 %,0.29 %和0.51 %。

3.3 传感器频率响应测试

采用耦合腔比较法得到被测传感器单元的频率响应，声源信号的声压级设置为114 dB，以2 000 Hz为参考点，测量20,500Hz,1 .0,2 .0,3 .0,5 .0,8 .0,10 .0 kHz的输出电压值，测试结果如图9所示。

图9 传感器频率响应测试结果

由图9可以看出，4只样品在20～10 000Hz频率通带内均不大于±1 dB。传感器的频率响应测量结果良好，具有相当平坦的通带内不平度和良好的线性度。

4 结束语

以压阻式原理为理论依据，研究制作了一种高通带内不平度、高线性度、高可靠性的噪声传感器。敏感元件设计阶段，通过对比平膜、梁膜、岛膜结构的优缺点，确定采用梁膜结构，利用ANSYS软件对敏感元件结构进行了仿真，对结构参数进行了反复修正，最终予以确定。按照制定的工艺过程制作而成敏感探头。将探头应用于工程化的传感器上，在压力场下测试得到频响、非线性测试结果。测试结果表明:传感器具有很高的带内不平度，很高的线性指标,完全可以替代国外同类产品，解除类似产品的禁运干扰。

[1] 石庚辰.微机电系统技术[M].北京：国防工业出版社，2002.

[2] 许 娇，李 俊，张国军，等.一种新型MEMS矢量水听器的设计[J].压电与声光，2012,34(1)：90-91.

[3] LeMoyne R,Coroian C,Mastroianni T.Quantification of Parkinson’s disease characteristics using wireless Accelerometers[J].IEEE Sensors Journal,2009(9):1-5.

[4] 胡向东.传感器与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2009:1.

[5] 何希才.传感器及其应用实例[M].北京：机械工业出版社，2004.

[6] 郁有文.传感器原理及工程应用[M].2版，西安：西安电子科技大学出版社，2004.

[7] 李 振，张国军，薛晨阳，等.MEMS仿生矢量水听器封装结构的设计与研究[J].传感技术学报，2013,26(1)：25-30.