具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供了一种MEMS矢量传声器，用于测量声场质点振速，如图1和图2所示，所述MEMS矢量传声器包括：基底10、绝热层20、导热层30和敏感层40；其中，敏感层40包括：电极401、加热电阻402和传感电阻403；

在基底10顶部开设有前后贯通的凹槽，以在基底10的左右两侧形成两个凸台；绝热层20分别布置在所述两个凸台上，且在绝热层20上布置有电极401；导热层30被绝热层20支撑，以悬空在所述凹槽上；加热电阻402和传感电阻403布置在导热层30上，且加热电阻402和传感电阻403的两端分别与电极401连接；

绝热层20用于隔绝基底10、导热层30和敏感层40之间的热传导；

导热层30用于增加加热电阻402和传感电阻403之间的热扩散；

加热电阻402用于在电流激励下形成空间温度场；

传感电阻403用于当声波引入质点振速而导致所述空间温度场发生受迫对流扰动时产生温度差，以便于通过电桥电路解调所述电阻差以测量声场质点振速。

具体的，如图1所示，敏感层40包括：六个电极401、一个加热电阻402和两个传感电阻403，两个传感电阻403位于加热电阻402两侧，且加热电阻402和传感电阻403的两端均与电极401连接。

需要说明的是，在实际应用中，敏感层40至少包括一个加热电阻402和一个传感电阻403；优选的，敏感层40包括一个加热电阻402和多个传感电阻403，但多个传感电阻403的分布方式不局限于位于加热电阻402的两侧。

进一步的，基底10采用MEMS工艺材料；优选的，基底10由以下任意一种材料制成：单晶硅、多晶硅、氧化硅；基底10开设有凹槽，凹槽可通过刻蚀形成。

绝热层20采用低导热系数的材料，具有较好的隔热性能；优选的，绝热层20由以下任意一种材料制成：氧化硅、多孔硅、多孔氧化硅薄膜。

导热层30采用高导热系数的材料，具有良好的机械性能和较高的导热系数；优选的，导热层30由以下任意一种材料制成：碳化硅、石墨烯；导热层30具有悬空薄膜结构。

加热电阻402的电阻温度系数为零，或者加热电阻402的电阻温度系数接近于零；加热电阻402可以由多晶硅掺杂，也可以由电阻丝制成。

传感电阻403具有较大的电阻温度系数；优选的，传感电阻403的电阻温度系数大于2000ppm/℃；传感电阻403可以由具有较大电阻温度系数的金属材料或者掺杂掺杂剂的多晶硅制成。

进一步的，如图1所述，所述MEMS矢量传声器的工作原理如下：

当MEMS矢量传声器工作时，加热电阻402在电流激励下耗散热量，并在导热层30附近形成空间温度场；当声波引入质点振速时引起该空间温度场发生受迫对流扰动，位于加热电阻402两侧的两个传感电阻403的温度发生微小非对称温度变换，以形成温度差，从而引起两个传感电阻403产生微小电阻差；通过电桥电路解调该微小电阻差即可实现声场质点振速的测量。

针对低频声场，热传导是导致MEMS矢量传声器灵敏度衰减的主要因素；因此，在本实施例中通过在基底10和导热层30之间加入绝热层20，以用来隔绝基底10、导热层30和敏感层40之间的热传导。绝热层20采用低导热系数的材料，具有较好的隔热性能，能够有效的隔绝导热层30和基底10之间的热传导，从而减少了加热电阻402和传感电阻403的热量流失，能够保证当声场质点振速引起了空间温度场的热量变化时，传感电阻403在接受空间温度场传递的热量后具有较高的温度变化，进而提高了MEMS矢量传声器在低频频带内的灵敏度以及针对低频声场的测量能力。

针对高频声场，热扩散是导致MEMS矢量传声器灵敏度衰减的主要因素；因此，在本实施例中通过在绝热层20和敏感层40之间加入导热层30，以用来增加加热电阻402和传感电阻403之间的热扩散。导热层30采用高导热系数的绝缘材料，导热层30具有比空气更高的导热系数，能够在热扩散过程中加速传递热量，提高加热电阻402和传感电阻403之间的热扩散效应，减少加热电阻402和传感电阻403之间的温度扩散时间，从而提高空间温度场对高频声场的响应；通过在绝热层20和敏感层40之间加入导热层30能够增加高频声场引起的在加热电阻402和传感电阻403之间的温度差异，进而提高了MEMS矢量传声器在高频频带内的灵敏度以及针对高频声场的测量能力。

现有MEMS矢量传声器多采用平行悬空细丝结构，不仅加工难度大，而且成品率和一致性较低，并且受热传导和热扩散的影响，在0.1Hz-10kHz音频频带内响应特性不一致；现有MEMS矢量传声器仅在100Hz-1000Hz音频频带内有较为平坦的响应特性，而在0.1Hz-100Hz音频频带内(低频频带)以及1000Hz–10kHz音频频带内(高频频带)存在响应特性衰减的问题，这将引起声信号在接收和后续处理上产生严重失真。

本实施例提供的MEMS矢量传声器，将高导热系数的悬空薄膜(即导热层)支撑在绝热层上，提高了传感电阻之间的热交换；将低导热系数的绝热层支撑在基底上，以减少导热层对基底的热传导，优化了矢量传声器敏感结构工作过程中的热量传递效率，同时实现了低频段和高频段的增敏，具有更宽的平坦频率响应曲线，解决了频率响应曲线不平坦造成的信号失真问题。

实施例二

本发明实施例提供了一种针对上述实施例一介绍的MEMS矢量传声器的制备方法，所述制备方法包括：

步骤1：在硅基底顶面依次通过光刻和刻蚀的方式，以在所述硅基底顶面的两侧区域形成多孔硅；

具体的，步骤1，包括：

步骤11：在所述硅基底顶面的中间区域进行光刻，以形成电化学刻蚀掩膜；

步骤12：对所述硅基底顶面的两侧区域进行电化学刻蚀以形成多孔硅，并对所述硅基底进行清洗以去除光刻胶。

步骤2：在经过步骤1处理后的所述硅基底顶面的全部区域沉积氮化硅层，并依次通过光刻和刻蚀的方式，以在所述硅基底顶面的两侧区域形成绝热层；

具体的，步骤2，包括：

步骤21：在所述硅基底顶面的全部区域沉积氮化硅层；

步骤22：在所述氮化硅层的中间区域进行光刻，以形成干法刻蚀掩膜；

步骤23：对所述氮化硅层的两侧区域进行刻蚀，制备热氧化掩膜，并对所述硅基底进行清洗以去除光刻胶；

步骤24：对所述硅基底进行热氧化，以在所述硅基底顶面的两侧区域形成绝热层；

步骤25：对位于所述硅基底顶面的中间区域的氮化硅层进行刻蚀，并去除热氧化掩膜。

步骤3：在经过步骤2处理后的所述硅基底顶面的全部区域沉积碳化硅层，并依次通过光刻和刻蚀的方式，以在所述硅基底顶面形成被所述绝热层支撑的导热层；

具体的，步骤3，包括：

步骤31：在所述硅基底顶面的全部区域沉积碳化硅层；

步骤32：在所述碳化硅层上进行光刻，以形成导热层图案膜；

步骤33：对所述碳化硅层中不被所述导热层图案膜覆盖的区域进行刻蚀，并对所述硅基底进行清洗以去除光刻胶，以在所述硅基底顶面形成被所述绝热层支撑的导热层。

步骤4：在经过步骤3处理后的所述硅基底顶面的全部区域溅射钛/铂金属层，并依次通过光刻和刻蚀的方式，以形成位于所述硅基底顶面的敏感层；其中，所述敏感层包括：电极、加热电阻和传感电阻，且所述电极位于所述绝热层上、所述加热电阻和传感电阻位于所述导热层上；

具体的，步骤4，包括：

步骤41：在所述硅基底顶面的全部区域溅射钛/铂金属层；

步骤42：在所述钛/铂金属层上进行光刻，以形成敏感层图案膜；

步骤43：对所述钛/铂金属层中不被所述敏感层图案膜覆盖的区域进行刻蚀，并对所述硅基底进行清洗以去除光刻胶，以形成位于所述硅基底顶面的敏感层。

步骤5：根据所述绝热层和所述导热层的位置对所述硅基底进行刻蚀形成凹槽，使得所述绝热层位于所述凹槽两侧的凸台上且所述导热层悬空在所述凹槽上，从而得到所述MEMS矢量传声器。

实施例三

本发明实施例提供了一种针对上述实施例一介绍的MEMS矢量传声器的制备方法，所述制备方法包括：

步骤1：在硅基底顶面的中间区域进行光刻，以形成电化学刻蚀掩膜；

如图3(a)和图3(b)所示，在所述硅基底顶面的中间区域形成电化学刻蚀掩膜。

步骤2：对所述硅基底顶面的两侧区域进行电化学刻蚀以形成多孔硅，并对所述硅基底进行清洗以去除光刻胶；

如图4(a)和图4(b)所示，在所述硅基底顶面的两侧区域形成多孔硅，并去除所述硅基底顶面的中间区域的电化学刻蚀掩膜；

其中，所述中间区域和所述两侧区域没有重叠，且所述中间区域和所述两侧区域组成了所述硅基底顶面的全部区域。

步骤3：在所述硅基底顶面的全部区域沉积氮化硅层；

如图5(a)和图5(b)所示，在所述硅基底顶面的全部区域形成氮化硅层。

步骤4：在所述氮化硅层的中间区域进行光刻，以形成干法刻蚀掩膜；

如图6(a)和图6(b)所示，在所述氮化硅层的中间区域形成干法刻蚀掩膜。

步骤5：对所述氮化硅层的两侧区域进行刻蚀，制备热氧化掩膜，并对所述硅基底进行清洗以去除光刻胶；

如图7(a)和图7(b)所示，在所述硅基底顶面的两侧区域为多孔硅，在所述硅基底顶面的中间区域为氧化硅层。

步骤6：对所述硅基底进行热氧化，以在所述硅基底顶面的两侧区域形成绝热层；

如图8(a)和图8(b)所示，在所述硅基底顶面的两侧区域形成绝热层，在所述硅基底顶面的中间区域为氧化硅层。

步骤7：对位于所述硅基底顶面的中间区域的氮化硅层进行刻蚀，并去除热氧化掩膜；

如图9(a)和图9(b)所示，在所述硅基底顶面的两侧区域形成绝热层，并去除位于所述硅基底顶面的中间区域的氧化硅层。

步骤8：在所述硅基底顶面的全部区域沉积碳化硅层；优选的，所述氮化硅的厚度为200nm；

如图10(a)和图10(b)所示，在所述硅基底顶面的全部区域形成碳化硅层。

步骤9：在所述碳化硅层上进行光刻，以形成导热层图案膜；

如图11(a)和图11(b)所示，在所述碳化硅层上形成导热层图案膜。

步骤10：对所述碳化硅层中不被所述导热层图案膜覆盖的区域进行刻蚀，并对所述硅基底进行清洗以去除光刻胶，以在所述硅基底顶面形成被所述绝热层支撑的导热层；

如图12(a)和图12(b)所示，在所述硅基底顶面形成导热层，且所述导热层位于所述绝热层上面。

步骤11：在所述硅基底顶面的全部区域溅射钛/铂金属层；

如图13(a)和图13(b)所示，在所述硅基底顶面的全部区域形成钛/铂金属层。

步骤12：在所述钛/铂金属层上进行光刻，以形成敏感层图案膜；

如图14(a)和图14(b)所示，在所述钛/铂金属层上形成敏感层图案膜。

步骤13：对所述钛/铂金属层中不被所述敏感层图案膜覆盖的区域进行刻蚀，并对所述硅基底进行清洗以去除光刻胶，以形成位于所述硅基底顶面的敏感层；其中，所述敏感层包括：电极、加热电阻和传感电阻，且所述电极位于所述绝热层上、所述加热电阻和传感电阻位于所述导热层上；

如图15(a)和图15(b)所示，在所述硅基底顶面形成敏感层，且所述敏感层位于所述导热层上面。

步骤14：根据所述绝热层和所述导热层的位置对所述硅基底进行刻蚀形成凹槽，使得所述绝热层位于所述凹槽两侧的凸台上且所述导热层悬空在所述凹槽上，从而得到所述MEMS矢量传声器。

如图16(a)和图16(b)所示，在所述硅基底中形成凹槽。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。