[发明专利]一种声场增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器及方法

摘要

本发明公开了一种声场增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器及方法。本发明采用片上集成的声场自增强通孔，在利用MEMS工艺加工加热测温横梁时同时完成声场自增强通孔的加工，无需使用宏观机械加工手段设计声场增强的封装结构，封装尺寸大幅缩小，拓宽了该传感器的应用范围；由于加热测温横梁与声场自增强通孔均由MEMS工艺统一加工，MEMS工艺具有极高的加工精度，因此该方法避免了传统传感器装配过程中，利用MEMS工艺制备的芯片与利用机械加工手段制备的封装结构之间的装配误差问题；由于本发明制造的传感器具有较小的尺寸，对待测声场的反射与散射很小，不会造成待测声场的畸变，实现单点精确测量。

主权项

1.一种基于片上集成声场自增强微结构的MEMS热式声粒子振速传感器，用于测量远场声波的一维声场矢量信号，其特征在于，所述声粒子振速传感器包括：声探头、麦克风和检测电路；其中，所述声探头包括基板、绝缘层、声场自增强通孔、加热测温横梁、引线和电极；在基板的上表面和下表面分别覆盖绝缘层，形成三明治结构；在三明治结构上开设有贯穿三明治结构上下表面的声场自增强通孔，声场自增强通孔为相对连接的喇叭口状，即为关于基板的中心平面对称的中间孔径小且向边缘孔径逐渐增大的形状；在三明治结构的上表面和下表面分别设置一根横跨声场自增强通孔的加热测温横梁，加热测温横梁具有温敏感应层；每一根加热测温横梁的温敏感应层的两端分别通过引线连接至一对电极；两对电极分别连接至检测电路；在声场自增强通孔旁放置麦克风；所述声粒子振速传感器包括声粒子振速传感器标定和远场声波测量两个阶段；在声粒子振速传感器标定时，通过检测电路对加热测温横梁的温敏感应层施加电流，温敏感应层加热产生自建温场，施加声阻抗z₀已知的正入射平面波声场，方向垂直于基板，检测电路得到标定电压U₀，麦克风得到声场的标定声压P₀，通过关系式z₀＝P₀/v₀，得到标定声粒子振速v₀，从而得到声粒子振速的幅值与电压的标定关系；远场声波测量时，通过检测电路对加热测温横梁的温敏感应层施加电流，温敏感应层加热，在声场自增强通孔的空间产生自建温场，声场经过声场自增强通孔，声流道由宽至窄再由窄至宽，对声场汇聚与放大，实现片上声场增强作用，声场导致空气中声粒子产生振动，形成热对流，改变空间的温度分布，加热测温横梁的温敏感应层对温度敏感电阻改变，检测电路得到电压U，根据声粒子振速的幅值与电压的标定关系得到与基板垂直方向的声粒子振速Vcosθ，V为声粒子振速的幅度，θ为声场与基板垂直方向的夹角，通过麦克风得到此时的声压P，根据V＝P/z₀得到声粒子振速V，从而得到声场的方向，即声场与基板垂直方向的夹角θ，实现远场平面波的声场矢量信号的精确测量；其中，z₀为远场平面波的声阻抗，为已知量z₀＝ρc，ρ为空气的密度，c为声音在空气中的速度。