[发明专利]一种具有低频宽带消音功能的声学超材料及其微加工方法

说明书

本发明公开了一种具有低频宽带消音功能的声学超材料及其微加工方法。目前针对微系统封装和微传感器安全对低频噪声消除的实际需求，宽带消声功能和结构微型化是亟待解决的问题。本发明由下到上依次包括厚度为200～300um的硅衬底层、厚度为1～2um的SiO₂刻蚀层、厚度为1～2um的SiNx振膜层。硅衬底层开有直径为400～600um的衬底微孔，SiO₂刻蚀层开有直径为600～700um的背腔，背腔和衬底微孔同轴开设，且背腔半径大于衬底微孔半径；SiNx振膜层覆盖在SiO₂刻蚀层上。本发明提供的MEMS结构相比于传统结构，声传输损耗增加了22.3％以上，实现了声波衰减的功能。

技术领域

本发明属于声学技术领域，尤其是声学超材料及微机电系统(MEMS)声学器件技术领域，具体涉及一种具有低频宽带消音功能的声学超材料及其微加工方法。

背景技术

自然界或生活中的噪声大多数出现在低频范围(百赫兹量级)，如雨声、跑步声、树叶随风飘动的飒飒声、工地施工的噪声、汽车行驶的噪声、火车振动声等等。然而，这些普遍存在的低频噪声很难消除，低频噪声控制仍然是声学领域的难题。

近十年来，随着声学超构材料的出现和发展，低频噪声控制方面取得了阶段性进展。但是基于局部共振原理的传统声学超构材料直接产生的声学带宽很窄，不具有宽带消声效果，因而，在一定程度上缺乏实用性。另外，目前最先进的声学超构材料的单元尺寸在厘米量级或以上，这限制了其在微电子集成中的应用。

针对微系统封装和微传感器安全对低频噪声消除的实际需求，宽带消声功能和结构微型化是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是针对现有声学超构材料的带宽太窄和尺寸过大的问题，提供一种具有低频宽带消声功能的声学超构材料，其在200Hz到1200Hz的宽频带响应范围内,所产生的声波传播损耗(STL)比经典消声理论平均高6dB；其单元尺寸在亚毫米量级。本发明还提供了基于微机电系统(MEMS)技术的微加工方法。

本发明的具有低频宽带消音功能的声学超材料，由下到上依次包括硅衬底层、SiO₂刻蚀层、SiNx振膜层。

硅衬底层开有贯穿衬底圆柱形的衬底微孔，SiO₂刻蚀层开有贯穿SiO₂刻蚀层的圆形通孔，形成圆柱形的背腔；背腔和衬底微孔同轴开设，且背腔半径大于衬底微孔半径；SiNx振膜层覆盖在SiO₂刻蚀层上，SiNx振膜层与硅衬底层之间形成阻尼腔。

所述硅衬底层的厚度为200～300um，衬底微孔的直径为400～600um。

所述SiO₂刻蚀层为厚度1～2um的SiO₂薄膜，背腔的直径为600～700um。

所述SiNx振膜层为厚度1～2um的SiNx薄膜。

该声学超材料的基于MEMS微加工方法具体如下：

步骤(1).采用化学气相沉积技术或热氧化法在厚度为200～300um的硅衬底层上沉积厚度为1～2um的SiO₂薄膜，该SiO₂薄膜即为SiO₂刻蚀层；

步骤(2).采用化学气相沉积技术在SiO₂刻蚀层上沉积厚度为1～2um的SiNx薄膜，该SiNx薄膜即为SiNx振膜层；

步骤(3).按照设计的圆形微孔图案，采用光刻刻蚀方法在硅衬底层由下向上刻出直径为400～600um圆柱形的衬底微孔，衬底微孔贯穿硅衬底层；