技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可調(diào)諧的超聲傳感器陣列。
背景技術(shù)
[0002] 壓
電聲換能器是既可以用來(lái)發(fā)射又可以用來(lái)接收
聲波的換能元件。當(dāng)工作在發(fā)射模式時(shí)，
電能通過(guò)靜電
力或逆
壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為換能器的振動(dòng)從而向外
輻射聲波；工作在接收模式時(shí)，聲壓作用在換能器表面使其振動(dòng)，換能器再將振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電
信號(hào)。目前應(yīng)用最廣的聲波傳感器主要基于體
壓電換能器，體壓電換能器主要利用壓電陶瓷的厚度振動(dòng)模式產(chǎn)生聲波，由于厚度模式的諧振
頻率只與換能器的厚度相關(guān)，在同一平面上很難制作不同諧振頻率的聲換能器。當(dāng)其應(yīng)用于高頻時(shí)，厚度需要控制在亞微米級(jí)
精度，其加工難度較高。其而微加工技術(shù)制作的聲換能器(MEMS聲換能器)振動(dòng)在彎曲模式，具有
剛度較低的振動(dòng)
薄膜，其聲阻抗較小，能夠更好地與氣體與液體進(jìn)行耦合。并且其諧振頻率通過(guò)平面內(nèi)尺寸控制，對(duì)加工精度要求較小。隨著MEMS聲換能器技術(shù)的逐漸成熟，由于其兼具高性能、低成本、容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，聲傳感器的技術(shù)有轉(zhuǎn)向MEMS聲換能器的趨勢(shì)。MEMS聲換能器主要有超聲換能器、麥克
風(fēng)、
水聽器等類型。其中超聲換能器主要分兩種電容式(cMUT)和壓電式(pMUT)，pMUT較cMUT靈敏度稍低，但cMUT需要提供偏置
電壓并且電容極板間有細(xì)微的氣隙，容易形成粘連，pMUT具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、換能材料換能效率高的優(yōu)點(diǎn)，但其制作較復(fù)雜。
[0003] 目前對(duì)于PMUT的研究主要集中在提升單個(gè)PMUT的性能，如
指向性、靈敏度、輸出聲壓級(jí)等，此外對(duì)PMUT陣列也有研究，主要集中在研究PMUT陣列發(fā)射聲波的指向性，對(duì)PMUT傳感器的調(diào)諧和PMUT傳感器陣列的調(diào)諧的研究很少。
發(fā)明內(nèi)容
[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)
現(xiàn)有技術(shù)中的
缺陷，提供一種可調(diào)諧的超聲傳感器陣列，通過(guò)對(duì)發(fā)射單元和接收單元的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得它們的諧振頻率一致，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射單元和接收單元在同一晶片上的集成，可以減小陣列的尺寸，同時(shí)可以提高PMUT陣列的接收和發(fā)射的
能量轉(zhuǎn)換效率。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 本發(fā)明提供一種可調(diào)諧的超聲傳感器陣列，該陣列包括：超聲發(fā)射單元和超聲接收單元，超聲發(fā)射單元和超聲接收單元均由上至下依次排列設(shè)置有壓電疊層和襯底；超聲發(fā)射單元和超聲接收單元于同一片晶體上加工，其壓電疊層厚度一致；超聲發(fā)射單元和超聲接收單元的襯底內(nèi)均設(shè)置有腔體；其中：
[0007] 超聲發(fā)射單元為具有亥姆霍茲
諧振腔的壓電微制造超聲換能器，超聲發(fā)射單元利用壓電疊層激勵(lì)亥姆霍茲諧振腔輻射聲波；超聲接收單元為帶
質(zhì)量負(fù)載的壓電微制造超聲換能器，其質(zhì)量負(fù)載設(shè)置在超聲接收單元下方的腔體內(nèi)；超聲發(fā)射單元的亥姆霍茲諧振腔的諧振頻率低于其壓電疊層的諧振頻率；超聲接收單元在質(zhì)量負(fù)載的調(diào)諧作用下，諧振頻率低于超聲發(fā)射單元的壓電疊層的諧振頻率，但亥姆霍茲諧振腔的諧振頻率小于或等于超聲接收單元的諧振頻率。
[0008] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的超聲發(fā)射單元內(nèi)的腔體為采用空心
硅結(jié)構(gòu)圍成的第一腔體；貫穿超聲發(fā)射單元的壓電疊層的
位置設(shè)置有通口，超聲發(fā)射單元的亥姆霍茲諧振腔由第一腔體和連接第一腔體與外界空氣的孔口組成；超聲發(fā)射單元的壓電疊層推動(dòng)亥姆霍茲諧振腔內(nèi)空氣的流動(dòng)，引起亥姆霍茲諧振腔的振動(dòng)，然后通過(guò)孔口發(fā)射聲波。
[0009] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的超聲接收單元內(nèi)的腔體為采用空心硅結(jié)構(gòu)圍成的第二腔體；質(zhì)量負(fù)載設(shè)置在第二腔體內(nèi)，且質(zhì)量負(fù)載安裝在壓電疊層的底部；利用質(zhì)量負(fù)載來(lái)調(diào)節(jié)諧振頻率，從而使超聲接收單元的諧振頻率與超聲發(fā)射單元的諧振頻率的差值小于一定
閾值。
[0010] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的超聲發(fā)射單元和超聲接收單元的壓電疊層采用三明治結(jié)構(gòu)或者雙晶片結(jié)構(gòu)；
[0011] 壓電疊層采用傳統(tǒng)三明治結(jié)構(gòu)時(shí)，從上到下依次為上
電極、壓電層、下電極、Si晶片、SiO2層；
[0012] 壓電疊層采用雙壓電晶片結(jié)構(gòu)時(shí)，從上到下依次為上電極、壓電層、中間電極、壓電層、下電極。
[0013] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的亥姆霍茲諧振腔的孔口的大小、數(shù)量、形狀以及位置由亥姆霍茲諧振腔的共振頻率決定。
[0014] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的超聲接收單元的質(zhì)量負(fù)載的材料、大小、數(shù)量、形狀以及位置參數(shù)根據(jù)超聲發(fā)射單元的諧振頻率進(jìn)行配置。
[0015] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的襯底內(nèi)設(shè)置有鍵合層，通過(guò)鍵合層將襯底分為上部襯底和下部襯底。
[0016] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：
[0017] 1)本發(fā)明可以對(duì)PMUT進(jìn)行調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)超聲發(fā)射單元和超聲接收單元在同一晶片上的集成；
[0018] 2)本發(fā)明使用具有亥姆霍茲諧振腔的PMUT作為超聲發(fā)射單元，可以提高發(fā)射聲波的聲壓；
[0019] 3)本發(fā)明通過(guò)質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)對(duì)超聲接收單元的諧振頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其與超聲發(fā)射單元的諧振頻率一致，同時(shí)可以提高接收靈敏度，從而提高發(fā)射和接收的能量轉(zhuǎn)換效率；
[0020] 4)本發(fā)明利用質(zhì)量負(fù)載來(lái)降低超聲接收單元的諧振頻率，避免了使用更大直徑的超聲接收單元來(lái)獲得更低的頻率，從而可以有效減小陣列的尺寸。
附圖說(shuō)明
[0021] 下面將結(jié)合附圖及
實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中：
[0022] 圖1為使用具有亥姆霍茲諧振腔的PMUT作為超聲發(fā)射單元，以傳統(tǒng)PMUT作為超聲接收單元的超聲傳感器陣列的示意圖；
[0023] 圖2為圖1超聲傳感器陣列的俯視示意圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明的使用具有亥姆霍茲諧振腔的PMUT作為超聲發(fā)射單元，使用具有質(zhì)量負(fù)載的PMUT作為超聲接收單元的超聲傳感器陣列的示意圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明的使用具有亥姆霍茲諧振腔的PMUT作為超聲發(fā)射單元，使用具有質(zhì)量負(fù)載的PMUT作為超聲接收單元的超聲傳感器陣列的俯視示意圖；
[0026] 圖5-圖9為本發(fā)明的超聲傳感器的加工
流程圖。
[0027] 附圖中各部分的標(biāo)記如下：
[0028] 1-超聲發(fā)射單元；2-超聲接收單元；3-襯底；4-壓電疊層；5-上部襯底；6-鍵合層；7-下部襯底；8-SiO2層；9-Si層；10-下電極；11-壓電層；12-第一上電極；13-第二上電極；
14-亥姆霍茲諧振腔；15-第一腔體；16-孔口；17-質(zhì)量負(fù)載；18-第二腔體。
具體實(shí)施方式
[0029] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0030] 圖1為使用具有亥姆霍茲諧振腔14的PMUT作為超聲發(fā)射單元1，以PMUT作為超聲接收單元2的超聲傳感器陣列的示意圖。一般而言，由于亥姆霍茲諧振腔的特性，其諧振頻率比其上方的壓電疊層4的諧振頻率低得多，因此，為了使超聲接收單元2的諧振頻率與亥姆霍茲諧振腔14的諧振頻率相同，需要降低超聲接收單元2的諧振頻率。而使用傳統(tǒng)PMUT作為接收單元2，為了降低諧振頻率，只能將其直徑增大，導(dǎo)致接收單元2的尺寸比發(fā)射單元1的尺寸大得多。
[0031] 本發(fā)明實(shí)施例的可調(diào)諧的超聲傳感器陣列包括：超聲發(fā)射單元1和超聲接收單元2，超聲發(fā)射單元1和超聲接收單元2均由上至下依次排列設(shè)置有壓電疊層4和襯底3；超聲發(fā)射單元1和超聲接收單元2于同一片晶體上加工，其壓電疊層4厚度一致；超聲發(fā)射單元1和超聲接收單元2的襯底3內(nèi)均設(shè)置有腔體；其中：
[0032] 超聲發(fā)射單元1為具有亥姆霍茲諧振腔14的壓電微制造超聲換能器，超聲發(fā)射單元1利用壓電疊層4激勵(lì)亥姆霍茲諧振腔14輻射聲波；超聲接收單元2為帶質(zhì)量負(fù)載17的壓電微制造超聲換能器，其質(zhì)量負(fù)載17設(shè)置在超聲接收單元2下方的腔體內(nèi)；超聲發(fā)射單元1的亥姆霍茲諧振腔14的諧振頻率低于其壓電疊層4的諧振頻率；超聲接收單元2在質(zhì)量負(fù)載17的調(diào)諧作用下，諧振頻率低于超聲發(fā)射單元1的壓電疊層4的諧振頻率，但亥姆霍茲諧振腔14的諧振頻率小于或等于超聲接收單元2的諧振頻率。
[0033] 超聲發(fā)射單元1內(nèi)的腔體為采用空心硅結(jié)構(gòu)圍成的第一腔體15；貫穿超聲發(fā)射單元1的壓電疊層4的位置設(shè)置有通口16，超聲發(fā)射單元1的亥姆霍茲諧振腔14由第一腔體15和連接第一腔體15與外界空氣的孔口16組成；超聲發(fā)射單元1的壓電疊層4推動(dòng)亥姆霍茲諧振腔14內(nèi)空氣的流動(dòng)，引起亥姆霍茲諧振腔14的振動(dòng)，然后通過(guò)孔口16發(fā)射聲波。
[0034] 超聲接收單元2內(nèi)的腔體為采用空心硅結(jié)構(gòu)圍成的第二腔體18；質(zhì)量負(fù)載17設(shè)置在第二腔體18內(nèi)，且質(zhì)量負(fù)載17安裝在壓電疊層4的底部；利用質(zhì)量負(fù)載17來(lái)調(diào)節(jié)諧振頻率，從而使超聲接收單元2的諧振頻率與超聲發(fā)射單元1的諧振頻率的差值小于一定閾值。
[0035] 該結(jié)構(gòu)由于超聲發(fā)射單元1的壓電疊層4的諧振頻率與超聲接收單元2的諧振頻率不一致，可避免發(fā)射時(shí)pMUT陣列中器件之間的串?dāng)_；由于超聲接收單元2的諧振頻率與超聲發(fā)射單元1的亥姆霍茲諧振腔14的諧振頻率相近，可以利用發(fā)射單元1激勵(lì)亥姆霍茲諧振腔14輻射聲波，再利用超聲接收單元2接收聲波，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射單元1和接收單元2在同一晶片上的集成。
[0036] 圖2為圖1超聲傳感器陣列的俯視示意圖，從圖中可以看到，由于超聲接收單元2的尺寸增大，導(dǎo)致在相同面積下陣列的組成單元的數(shù)目減少。
[0037] 圖3為本發(fā)明的一種可調(diào)諧的超聲傳感器陣列，包括超聲發(fā)射單元1和超聲接收單元2。超聲發(fā)射單元1為具有亥姆霍茲諧振腔14的PMUT，由亥姆霍茲諧振腔14和亥姆霍茲諧振腔14上方的壓電疊層4構(gòu)成，壓電疊層4包括SiO2層8、Si層9、下電極10、壓電層11和第一上電極12，通過(guò)
對(duì)電極施加
電信號(hào)，使壓電疊層4產(chǎn)生振動(dòng)，從而帶動(dòng)亥姆霍茲諧振腔14的第一腔體15內(nèi)的空氣振動(dòng)，振動(dòng)伴隨著空氣流入和流出孔口16，最終通過(guò)孔口16發(fā)射
超聲波。由于亥姆霍茲諧振腔14對(duì)發(fā)射聲波的放大作用，所發(fā)射的聲波的聲壓得到大幅增強(qiáng)。反射回來(lái)的聲波通過(guò)超聲接收單元2進(jìn)行接收。超聲接收單元2為一帶有質(zhì)量負(fù)載17的PMUT，通過(guò)調(diào)節(jié)質(zhì)量負(fù)載17的材料、尺寸、數(shù)量和位置等可以調(diào)節(jié)超聲接收單元2的諧振頻率，使其與發(fā)射單元1的諧振頻率一致，從而可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，此外可以提高發(fā)射和接收的能量轉(zhuǎn)換效率。
[0038] 圖4為本發(fā)明的超聲傳感器陣列的俯視示意圖，可以看出，由于使用質(zhì)量負(fù)載17對(duì)超聲接收單元2進(jìn)行調(diào)諧，超聲接收單元2的尺寸可以跟超聲發(fā)射單元1的尺寸相同甚至更小，從而可以減小陣列的尺寸。
[0039] 超聲發(fā)射單元1和超聲接收單元2的壓電疊層4采用三明治結(jié)構(gòu)或者雙晶片結(jié)構(gòu)；
[0040] 壓電疊層4采用傳統(tǒng)三明治結(jié)構(gòu)時(shí)，從上到下依次為上電極、壓電層11、下電極10、Si晶片9、SiO2層8；
[0041] 壓電疊層4采用雙壓電晶片結(jié)構(gòu)時(shí)，從上到下依次為上電極、壓電層11、中間電極、壓電層11、下電極10。
[0042] 亥姆霍茲諧振腔14的孔口16的大小、數(shù)量、形狀以及位置由亥姆霍茲諧振腔14的共振頻率決定。
[0043] 超聲接收單元2的質(zhì)量負(fù)載17的材料、大小、數(shù)量、形狀以及位置參數(shù)根據(jù)超聲發(fā)射單元1的諧振頻率進(jìn)行配置。
[0044] 襯底3內(nèi)設(shè)置有鍵合層6，通過(guò)鍵合層6將襯底3分為上部襯底5和下部襯底7。
[0045] 理論依據(jù)如下：
[0046] Helmholtz共振腔諧振頻率公式：
[0047]
[0048] 式中，c為介質(zhì)中的聲速，S為通孔面積，t為通孔高度，d為通孔直徑，V為腔體容積。通過(guò)改變通孔面積S、通孔高度t、通孔直徑d和腔體容積V等可以調(diào)節(jié)亥姆霍茲諧振腔的諧振頻率。
[0049] 聲換能器薄膜的振動(dòng)可等效為圓心處有一等效的集中質(zhì)量Me1在等效集中
彈簧Ke作用下進(jìn)行振動(dòng)，從而得到等效系統(tǒng)的固有頻率為：
[0050]
[0051] 設(shè)置的質(zhì)量負(fù)載相當(dāng)于在薄膜中心附加一集中質(zhì)量Me2隨薄膜一起振動(dòng)，因而等效總質(zhì)量為Me1+Me2，于是利用等效系統(tǒng)的固有頻率關(guān)系可得新系統(tǒng)的固有頻率為：
[0052]
[0053] 從上式可以看出，添加質(zhì)量負(fù)載使系統(tǒng)的固有頻率降低，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS壓電聲換能器的調(diào)頻。
[0054] 本發(fā)明實(shí)施例的可調(diào)諧的超聲傳感器陣列的加工流程：
[0055] S110如圖5所示，在SOI晶片上依次沉積下電極10、壓電層11和上電極；
[0056] S120如圖6所示，對(duì)上電極進(jìn)行
刻蝕，形成第一上電極12和第二上電極13，進(jìn)一步按圖中所示進(jìn)行刻蝕，形成圖中小孔，用于構(gòu)成孔口16；
[0057] S130如圖7所示，對(duì)圖6得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行背部刻蝕，形成亥姆霍茲諧振腔腔體14的上半部分和質(zhì)量負(fù)載17；
[0058] S140如圖8另取一層Si進(jìn)行刻蝕形成下部襯底7；
[0059] S150將下部襯底7與圖7步驟形成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行鍵合，得到如圖9所示的超聲傳感器陣列。
[0060] 應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附
權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
