技术领域
[0001] 本
发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种可调谐的超声传感器阵列。
背景技术
[0002] 压
电声换能器是既可以用来发射又可以用来接收
声波的换能元件。当工作在发射模式时，
电能通过静电
力或逆
压电效应转换为换能器的振动从而向外
辐射声波；工作在接收模式时，声压作用在换能器表面使其振动，换能器再将振动转换为电
信号。目前应用最广的声波传感器主要基于体
压电换能器，体压电换能器主要利用压电陶瓷的厚度振动模式产生声波，由于厚度模式的谐振
频率只与换能器的厚度相关，在同一平面上很难制作不同谐振频率的声换能器。当其应用于高频时，厚度需要控制在亚微米级
精度，其加工难度较高。其而微加工技术制作的声换能器(MEMS声换能器)振动在弯曲模式，具有
刚度较低的振动
薄膜，其声阻抗较小，能够更好地与气体与液体进行耦合。并且其谐振频率通过平面内尺寸控制，对加工精度要求较小。随着MEMS声换能器技术的逐渐成熟，由于其兼具高性能、低成本、容易实现大规模生产的优点，声传感器的技术有转向MEMS声换能器的趋势。MEMS声换能器主要有超声换能器、麦克
风、
水听器等类型。其中超声换能器主要分两种电容式(cMUT)和压电式(pMUT)，pMUT较cMUT灵敏度稍低，但cMUT需要提供偏置
电压并且电容极板间有细微的气隙，容易形成粘连，pMUT具有结构简单、换能材料换能效率高的优点，但其制作较复杂。
[0003] 目前对于PMUT的研究主要集中在提升单个PMUT的性能，如
指向性、灵敏度、输出声压级等，此外对PMUT阵列也有研究，主要集中在研究PMUT阵列发射声波的指向性，对PMUT传感器的调谐和PMUT传感器阵列的调谐的研究很少。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题在于针对
现有技术中的
缺陷，提供一种可调谐的超声传感器阵列，通过对发射单元和接收单元的频率进行调节，使得它们的谐振频率一致，从而实现发射单元和接收单元在同一晶片上的集成，可以减小阵列的尺寸，同时可以提高PMUT阵列的接收和发射的
能量转换效率。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 本发明提供一种可调谐的超声传感器阵列，该阵列包括：超声发射单元和超声接收单元，超声发射单元和超声接收单元均由上至下依次排列设置有压电叠层和衬底；超声发射单元和超声接收单元于同一片晶体上加工，其压电叠层厚度一致；超声发射单元和超声接收单元的衬底内均设置有腔体；其中：
[0007] 超声发射单元为具有亥姆霍兹
谐振腔的压电微制造超声换能器，超声发射单元利用压电叠层激励亥姆霍兹谐振腔辐射声波；超声接收单元为带
质量负载的压电微制造超声换能器，其质量负载设置在超声接收单元下方的腔体内；超声发射单元的亥姆霍兹谐振腔的谐振频率低于其压电叠层的谐振频率；超声接收单元在质量负载的调谐作用下，谐振频率低于超声发射单元的压电叠层的谐振频率，但亥姆霍兹谐振腔的谐振频率小于或等于超声接收单元的谐振频率。
[0008] 进一步地，本发明的超声发射单元内的腔体为采用空心
硅结构围成的第一腔体；贯穿超声发射单元的压电叠层的
位置设置有通口，超声发射单元的亥姆霍兹谐振腔由第一腔体和连接第一腔体与外界空气的孔口组成；超声发射单元的压电叠层推动亥姆霍兹谐振腔内空气的流动，引起亥姆霍兹谐振腔的振动，然后通过孔口发射声波。
[0009] 进一步地，本发明的超声接收单元内的腔体为采用空心硅结构围成的第二腔体；质量负载设置在第二腔体内，且质量负载安装在压电叠层的底部；利用质量负载来调节谐振频率，从而使超声接收单元的谐振频率与超声发射单元的谐振频率的差值小于一定
阈值。
[0010] 进一步地，本发明的超声发射单元和超声接收单元的压电叠层采用三明治结构或者双晶片结构；
[0011] 压电叠层采用传统三明治结构时，从上到下依次为上
电极、压电层、下电极、Si晶片、SiO2层；
[0012] 压电叠层采用双压电晶片结构时，从上到下依次为上电极、压电层、中间电极、压电层、下电极。
[0013] 进一步地，本发明的亥姆霍兹谐振腔的孔口的大小、数量、形状以及位置由亥姆霍兹谐振腔的共振频率决定。
[0014] 进一步地，本发明的超声接收单元的质量负载的材料、大小、数量、形状以及位置参数根据超声发射单元的谐振频率进行配置。
[0015] 进一步地，本发明的衬底内设置有键合层，通过键合层将衬底分为上部衬底和下部衬底。
[0016] 本发明产生的有益效果是：
[0017] 1)本发明可以对PMUT进行调谐，实现超声发射单元和超声接收单元在同一晶片上的集成；
[0018] 2)本发明使用具有亥姆霍兹谐振腔的PMUT作为超声发射单元，可以提高发射声波的声压；
[0019] 3)本发明通过质量负载效应对超声接收单元的谐振频率进行调节，使其与超声发射单元的谐振频率一致，同时可以提高接收灵敏度，从而提高发射和接收的能量转换效率；
[0020] 4)本发明利用质量负载来降低超声接收单元的谐振频率，避免了使用更大直径的超声接收单元来获得更低的频率，从而可以有效减小阵列的尺寸。
附图说明
[0021] 下面将结合附图及
实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0022] 图1为使用具有亥姆霍兹谐振腔的PMUT作为超声发射单元，以传统PMUT作为超声接收单元的超声传感器阵列的示意图；
[0023] 图2为图1超声传感器阵列的俯视示意图；
[0024] 图3为本发明的使用具有亥姆霍兹谐振腔的PMUT作为超声发射单元，使用具有质量负载的PMUT作为超声接收单元的超声传感器阵列的示意图；
[0025] 图4为本发明的使用具有亥姆霍兹谐振腔的PMUT作为超声发射单元，使用具有质量负载的PMUT作为超声接收单元的超声传感器阵列的俯视示意图；
[0026] 图5-图9为本发明的超声传感器的加工
流程图。
[0027] 附图中各部分的标记如下：
[0028] 1-超声发射单元；2-超声接收单元；3-衬底；4-压电叠层；5-上部衬底；6-键合层；7-下部衬底；8-SiO2层；9-Si层；10-下电极；11-压电层；12-第一上电极；13-第二上电极；
14-亥姆霍兹谐振腔；15-第一腔体；16-孔口；17-质量负载；18-第二腔体。
具体实施方式
[0029] 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。
[0030] 图1为使用具有亥姆霍兹谐振腔14的PMUT作为超声发射单元1，以PMUT作为超声接收单元2的超声传感器阵列的示意图。一般而言，由于亥姆霍兹谐振腔的特性，其谐振频率比其上方的压电叠层4的谐振频率低得多，因此，为了使超声接收单元2的谐振频率与亥姆霍兹谐振腔14的谐振频率相同，需要降低超声接收单元2的谐振频率。而使用传统PMUT作为接收单元2，为了降低谐振频率，只能将其直径增大，导致接收单元2的尺寸比发射单元1的尺寸大得多。
[0031] 本发明实施例的可调谐的超声传感器阵列包括：超声发射单元1和超声接收单元2，超声发射单元1和超声接收单元2均由上至下依次排列设置有压电叠层4和衬底3；超声发射单元1和超声接收单元2于同一片晶体上加工，其压电叠层4厚度一致；超声发射单元1和超声接收单元2的衬底3内均设置有腔体；其中：
[0032] 超声发射单元1为具有亥姆霍兹谐振腔14的压电微制造超声换能器，超声发射单元1利用压电叠层4激励亥姆霍兹谐振腔14辐射声波；超声接收单元2为带质量负载17的压电微制造超声换能器，其质量负载17设置在超声接收单元2下方的腔体内；超声发射单元1的亥姆霍兹谐振腔14的谐振频率低于其压电叠层4的谐振频率；超声接收单元2在质量负载17的调谐作用下，谐振频率低于超声发射单元1的压电叠层4的谐振频率，但亥姆霍兹谐振腔14的谐振频率小于或等于超声接收单元2的谐振频率。
[0033] 超声发射单元1内的腔体为采用空心硅结构围成的第一腔体15；贯穿超声发射单元1的压电叠层4的位置设置有通口16，超声发射单元1的亥姆霍兹谐振腔14由第一腔体15和连接第一腔体15与外界空气的孔口16组成；超声发射单元1的压电叠层4推动亥姆霍兹谐振腔14内空气的流动，引起亥姆霍兹谐振腔14的振动，然后通过孔口16发射声波。
[0034] 超声接收单元2内的腔体为采用空心硅结构围成的第二腔体18；质量负载17设置在第二腔体18内，且质量负载17安装在压电叠层4的底部；利用质量负载17来调节谐振频率，从而使超声接收单元2的谐振频率与超声发射单元1的谐振频率的差值小于一定阈值。
[0035] 该结构由于超声发射单元1的压电叠层4的谐振频率与超声接收单元2的谐振频率不一致，可避免发射时pMUT阵列中器件之间的串扰；由于超声接收单元2的谐振频率与超声发射单元1的亥姆霍兹谐振腔14的谐振频率相近，可以利用发射单元1激励亥姆霍兹谐振腔14辐射声波，再利用超声接收单元2接收声波，从而实现发射单元1和接收单元2在同一晶片上的集成。
[0036] 图2为图1超声传感器阵列的俯视示意图，从图中可以看到，由于超声接收单元2的尺寸增大，导致在相同面积下阵列的组成单元的数目减少。
[0037] 图3为本发明的一种可调谐的超声传感器阵列，包括超声发射单元1和超声接收单元2。超声发射单元1为具有亥姆霍兹谐振腔14的PMUT，由亥姆霍兹谐振腔14和亥姆霍兹谐振腔14上方的压电叠层4构成，压电叠层4包括SiO2层8、Si层9、下电极10、压电层11和第一上电极12，通过
对电极施加
电信号，使压电叠层4产生振动，从而带动亥姆霍兹谐振腔14的第一腔体15内的空气振动，振动伴随着空气流入和流出孔口16，最终通过孔口16发射
超声波。由于亥姆霍兹谐振腔14对发射声波的放大作用，所发射的声波的声压得到大幅增强。反射回来的声波通过超声接收单元2进行接收。超声接收单元2为一带有质量负载17的PMUT，通过调节质量负载17的材料、尺寸、数量和位置等可以调节超声接收单元2的谐振频率，使其与发射单元1的谐振频率一致，从而可以实现收发一体结构，此外可以提高发射和接收的能量转换效率。
[0038] 图4为本发明的超声传感器阵列的俯视示意图，可以看出，由于使用质量负载17对超声接收单元2进行调谐，超声接收单元2的尺寸可以跟超声发射单元1的尺寸相同甚至更小，从而可以减小阵列的尺寸。
[0039] 超声发射单元1和超声接收单元2的压电叠层4采用三明治结构或者双晶片结构；
[0040] 压电叠层4采用传统三明治结构时，从上到下依次为上电极、压电层11、下电极10、Si晶片9、SiO2层8；
[0041] 压电叠层4采用双压电晶片结构时，从上到下依次为上电极、压电层11、中间电极、压电层11、下电极10。
[0042] 亥姆霍兹谐振腔14的孔口16的大小、数量、形状以及位置由亥姆霍兹谐振腔14的共振频率决定。
[0043] 超声接收单元2的质量负载17的材料、大小、数量、形状以及位置参数根据超声发射单元1的谐振频率进行配置。
[0044] 衬底3内设置有键合层6，通过键合层6将衬底3分为上部衬底5和下部衬底7。
[0045] 理论依据如下：
[0046] Helmholtz共振腔谐振频率公式：
[0047]
[0048] 式中，c为介质中的声速，S为通孔面积，t为通孔高度，d为通孔直径，V为腔体容积。通过改变通孔面积S、通孔高度t、通孔直径d和腔体容积V等可以调节亥姆霍兹谐振腔的谐振频率。
[0049] 声换能器薄膜的振动可等效为圆心处有一等效的集中质量Me1在等效集中
弹簧Ke作用下进行振动，从而得到等效系统的固有频率为：
[0050]
[0051] 设置的质量负载相当于在薄膜中心附加一集中质量Me2随薄膜一起振动，因而等效总质量为Me1+Me2，于是利用等效系统的固有频率关系可得新系统的固有频率为：
[0052]
[0053] 从上式可以看出，添加质量负载使系统的固有频率降低，从而实现对MEMS压电声换能器的调频。
[0054] 本发明实施例的可调谐的超声传感器阵列的加工流程：
[0055] S110如图5所示，在SOI晶片上依次沉积下电极10、压电层11和上电极；
[0056] S120如图6所示，对上电极进行
刻蚀，形成第一上电极12和第二上电极13，进一步按图中所示进行刻蚀，形成图中小孔，用于构成孔口16；
[0057] S130如图7所示，对图6得到的结构进行背部刻蚀，形成亥姆霍兹谐振腔腔体14的上半部分和质量负载17；
[0058] S140如图8另取一层Si进行刻蚀形成下部衬底7；
[0059] S150将下部衬底7与图7步骤形成的结构进行键合，得到如图9所示的超声传感器阵列。
[0060] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附
权利要求的保护范围。
