一种宽响应频带质点振速传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种宽响应频带质点振速传感器，包括敏感元件，其特征在于，所述敏感元件(2)包括：衬底(21)，其上形成一桥孔(211)；和若干敏感丝(20)，平行置于所述桥孔(211)上；所述敏感丝(20)由上至下依次包括敏感材料层(206)和支撑层(205)，所述敏感材料层(206)为中空结构。本发明专利技术采用中空结构的敏感丝，降低敏感丝的等效密度，从而降低敏感丝的热质量，提升结构热交换速率，从而有效提升了传感器的响应频率上限，扩展了传感器的响应频带，且能够不失真地对宽频声音信号的质点振速进行探测。

【技术实现步骤摘要】
一种宽响应频带质点振速传感器
本专利技术涉及传感器领域，特别涉及一种宽响应频带质点振速传感器。
技术介绍
声信号包含标量声压信号和矢量质点振速信号两个参量值，他们分别反应了声场的不同特性。其中，声场矢量质点振速信号携带有声波传播方向信息，能够用于声源定位追踪，声场成像等多个方面，在空气声学、水声学等多种领域之中有广泛的应用前景。对于标量声压信号，可以通过驻极体电容式传声器、压电换能器等多种传感器进行测量。对于声矢量信号，传统的测量方法一般是基于声压梯度原理进行间接测量，即通过一定间距上的两个传声器所探测到的声压进行梯度计算，间接获得质点振速信号。传统的声矢量信号测量方法往往存在测量精度低，传感器阵列孔径尺寸较大等多种问题。上世纪90年代末，荷兰相关研究人员基于微机电(MEMS)工艺，提出了一种基于热温差式的质点振速传感器，可以直接测量声波的质点振速信号。当声信号作用于这种传感器时，该传感器可以通过测温梁(热阻丝)的温度的变化来实现对声波质点振速信号的直接测量。基于这种结构的传感器具有工艺简单，阵列孔径小、测量精度高等多种优势，同时具有良好的指向性。当前，热温差式质点振速传感器主要有两种结构：一种为平行并列，具有一定间距的三根热阻丝结构，即位于中间位置的加热丝以及对称分布在加热丝两侧的两根敏感丝；另一种为平行并列，具有一定间距的两根热阻丝结构，两根热阻丝既是敏感丝也是加热丝。当声音信号作用于这种结构的质点振速传感器时，两根敏感丝的温度会受声音信号的影响出现扰动，从而使两根敏感丝的阻值出现差异，从而实现对声音信号质点振速的探测。对于热差分式质点振速传感器，传感器材料及敏感丝结构都会对传感器性能有较大的影响。当前，对于传统的热温差式质点振速传感器，多通过MEMS工艺等工艺手段，采用多种材料设计并制作实心结构的敏感丝。其中，多采用铂作为敏感材料，同时选用二氧化硅、氮化硅、铬等材料形成结合层、承载层、粘附层等结构。传统热温差式质点振速传感器敏感丝的截面结构示意图如图1所示。然而，基于上述结构的传统热温差式质点振速传感器由于其敏感层材料存在有限的热质量，导致在响应高频声信号时热交换速率难以跟上声波振幅变化速率，从而无法实现较宽的响应频带。这将导致传感器在探测宽频声音信号时出现失真，频带内噪声大等一系列问题。这一缺陷直接影响到了质点振速传感器对宽频声音信号的探测，限制了质点振速传感器的应用场景和适用范围。Microflown等公司虽然曾通过硬件电路等方法，在一定程度上扩展了热温差式质点振速传感器的响应频带，但随之也引入了更大的噪声。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述不足，提供一种具有高灵敏度、高信噪比的宽响应频带质点振速传感器。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种宽响应频带质点振速传感器，包括敏感元件，所述敏感元件包括：衬底，其上形成一桥孔；和若干敏感丝，平行置于所述桥孔上；所述敏感丝由上至下依次包括敏感材料层和支撑层，所述敏感材料层为中空结构。进一步的，所述的一种宽响应频带质点振速传感器，所述敏感元件还包括：若干对电极，设置于所述衬底上的所述桥孔两侧；所述敏感丝的两端分别对应连接于所述桥孔两侧的所述电极。进一步的，所述的一种宽响应频带质点振速传感器，所述敏感元件还包括：加热丝，其置于所述桥孔上，且平行于所述敏感丝。进一步的，所述的一种宽响应频带质点振速传感器，所述敏感元件还包括：加热丝，其置于所述桥孔上，且平行于所述敏感丝；所述加热丝的两端分别对应连接于所述桥孔两侧的所述电极，若干所述敏感丝对称分布于所述加热丝的两侧。进一步的，所述的一种宽响应频带质点振速传感器，所述敏感材料层包括上边界材料层和由所述上边界材料层的两侧向下延伸的侧边界材料层。进一步的，所述的一种宽响应频带质点振速传感器，所述敏感材料层还包括连接两所述侧边界材料层的下端的下边界材料层，所述上边界材料层、两侧边界材料层和下边界材料层相连接，包围形成中空结构。进一步的，所述的一种宽响应频带质点振速传感器，所述上边界材料层、两侧边界材料层和支撑层的侧边相连接，包围形成中空结构。进一步的，所述的一种宽响应频带质点振速传感器，所述支撑层由下至上依次包括结合层、承载层和粘附层。进一步的，所述的一种宽响应频带质点振速传感器，所述结合层为SiO2，所述承载层为Si3N4，所述粘附层为Cr或Ti。进一步的，所述的一种宽响应频带质点振速传感器，所述敏感材料层为Pt或Au。本专利技术的优点与效果是：1.本专利技术提供的宽响应频带质点振速传感器，在传统热温差式质点振速传感器的基础上，通过MEMS等工艺手段，在不改变传感器拓扑结构、不引入额外电路、不降低灵敏度与信噪比的条件下，优化敏感丝的结构。其中，采用中空结构的敏感丝，降低敏感丝的等效密度，从而降低敏感丝的热质量，提升结构热交换速率，从而有效提升了传感器的响应频率上限，扩展了传感器的响应频带，且能够不失真地对宽频声音信号的质点振速进行探测。2.本专利技术提供的宽响应频带质点振速传感器还包括加热丝，若干敏感丝对称分布于加热丝的两侧，可以进一步提高传感器的灵敏度。附图说明图1示出传统热温差式质点振速传感器的敏感丝的截面结构示意图；图2示出本专利技术提供的宽响应频带质点振速传感器的实施例1的结构示意图；图3示出图2中局部A的敏感丝的第一种优选的结构示意图；图4示出图2中敏感丝的另一种优选结构的截面结构示意图；图5示出本专利技术提供的宽响应频带质点振速传感器的实施例2的结构示意图。附图标记说明：图1中：11-敏感材料层、12-粘附层、13-承载层、14-结合层。图2至图5中：2-敏感元件、20-敏感丝、201-上边界材料层、202-下边界材料层、203-左侧边界材料层、204-右侧边界材料层、205-支撑层、206-敏感材料层、21-衬底、211-桥孔、22-电极、23-加热丝。具体实施方式为使本专利技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。基于本专利技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。下面结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明：在本专利技术的描述中，需要理解的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽响应频带质点振速传感器，包括敏感元件，其特征在于，所述敏感元件(2)包括：/n衬底(21)，其上形成一桥孔(211)；和/n若干敏感丝(20)，平行置于所述桥孔(211)上；/n所述敏感丝(20)由上至下依次包括敏感材料层(206)和支撑层(205)，所述敏感材料层(206)为中空结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种宽响应频带质点振速传感器，包括敏感元件，其特征在于，所述敏感元件(2)包括：
衬底(21)，其上形成一桥孔(211)；和
若干敏感丝(20)，平行置于所述桥孔(211)上；
所述敏感丝(20)由上至下依次包括敏感材料层(206)和支撑层(205)，所述敏感材料层(206)为中空结构。


2.根据权利要求1所述的一种宽响应频带质点振速传感器，其特征在于，所述敏感元件(2)还包括：
若干对电极(22)，设置于所述衬底(21)上的所述桥孔(211)两侧；
所述敏感丝(20)的两端分别对应连接于所述桥孔(211)两侧的所述电极(22)。


3.根据权利要求1或2所述的一种宽响应频带质点振速传感器，其特征在于，所述敏感元件(2)还包括：
加热丝(23)，其置于所述桥孔(211)上，且平行于所述敏感丝(20)。


4.根据权利要求2所述的一种宽响应频带质点振速传感器，其特征在于，所述敏感元件(2)还包括：
加热丝(23)，其置于所述桥孔(211)上，且平行于所述敏感丝(20)；
所述加热丝(23)的两端分别对应连接于所述桥孔(211)两侧的所述电极(22)，若干所述敏感丝(20)对称分布于所述加热丝(23)的两侧。

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【专利技术属性】
技术研发人员：谢奕，刘云飞，周瑜，冯杰，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11