CN110560348B - 具有孔阵列Helmholtz共振腔的MEMS压电超声换能器 - Google Patents
具有孔阵列Helmholtz共振腔的MEMS压电超声换能器 Download PDFInfo
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Abstract
一种具有孔阵列Helmholtz共振腔的MEMS压电超声换能器，包括MEMS压电超声换能器以及孔阵列Helmholtz共振腔，所述孔阵列Helmholtz共振腔由所述MEMS压电超声换能器以及内部为腔体结构的硅衬底组成，所述MEMS压电超声换能器与硅衬底之间键合结合；其中，所述MEMS压电超声换能器为压电叠层结构，其压电叠层结构上设置有若干开孔形成孔阵列，将孔阵列Helmholtz共振腔与外界大气连通，所述孔阵列中的空气形成孔阵列Helmholtz共振腔的空气柱。本发明能够提升MEMS压电超声换能器能量转换效率，并提高MEMS压电超声换能器和Helmholtz共振腔匹配时的谐振频率。
Description
技术领域
本发明属于MEMS超声换能器技术领域，涉及一种具有孔阵列Helmholtz共振腔的MEMS压电超声换能器。
背景技术
超声换能器是既可以用来发射又可以用来接收超声波的换能元件。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。目前应用最广的超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超声波，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超声换能器。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超声换能器(MEMS超声换能器)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超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，超声波传感器的技术有转向MEMS超声换能器的趋势。MEMS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。
专利CN109196671A公开了一种压电式微加工超声换能器(pMUT)，其通过在换能器上增加高声速材料来减少声学衍射。该PMUT具有低品质因数，从而提供较短的启动和关闭时间，以使得能够通过时间选通更好地抑制寄生反射。专利CN107394036A公开了一种pMUT及pMUT换能器阵列的电极配置，其通过在上电极中使用双电极或多电极，通过对不同电极施加相同或不同的电信号，从而使得换能器具有不同的动作方式。专利CN 106660074A公开了一种压电超声换能器及工艺，其通过使用锚定结构和机械层来构成空腔，通过机械层来调节堆叠层的中轴线的位置，从而允许堆叠层弯曲振动，通过使用凹部来调节谐振频率、品质因子Q等参数。总体来说，目前对pMUT的改进主要是针对其电极形状、在外面增加材料等，但其对提高pMUT能量转换效率作用有限。
Helmholtz共鸣器是一种可以用于放大、扩音、吸声的无源声学设备。Helmholtz共鸣器可受外声场的激发并消耗其能量成为吸声体。空腔内的振动又可以通过短管发出声波加强外面的声场。利用Helmholtz共鸣器可以扩音、吸声并且选择性非常尖锐的特点，可以用于增幅pMUT的发出的声波，从而提高其能量转换效率，这种类型的换能器称为PSRC(piezoelectric-sound-resonance cavity)。PSRC的发射声波时，pMUT的振动引起了Helmholtz共振腔腔体容积的变化，导致孔口处空气的流入流出，产生流速；同时当pMUT谐振频率与Helmholtz共振腔谐振频率一致时，两个结构的共振使腔内产生高压区，腔体与外界大气的压差使孔口处产生更大的流速；此时孔口处空气流动冲击孔口，由涡声转换原理向外辐射声波。PSRC的接收声波时，Helmholtz共振器作为声负载，声波传播至孔口引起腔体内媒质共振消耗共振频率的声波能量从而引起腔体内声压增大，声压作用在换能器表面使其振动，此时，由于pMUT谐振频率与Helmholtz共振腔谐振频率一致，会增加换能器振动的振幅，从而提高换能器将振动转换为的电信号的强度。
专利CN202818594U公开了一种提高声压值的压电声响器结构，其专利提供了一种在不改变声响器体积前提下提高声压值的声响器结构。专利CN108831432A公开了一种宽带空气噪声能量收集表面材料，其控制Helmholtz共振腔共振频率处发生的相移，在结构内构造了具有反相的耦合共振，实现了宽带高效的声电能收集。专利CN106796473A公开了一种压电声波共振器为基础的传感器，其利用覆盖在压电换能器阵列上的Helmholtz共振腔阵列的谐振频率来工作。当指纹压在腔上会引起腔谐振频率的提高和品质因子Q的下降。通过检测这些变化从而识别指纹。
总的来说，由于PSRC需要pMUT和Helmholtz共振腔谐振频率一致时才能达到最佳效果，而常规结构的Helmholtz共振腔的谐振频率通常较低，导致其在与pMUT匹配时其PSRC的共振频率较低，而且此时PSRC的尺寸通常较大。MEMS器件的尺寸通常较小，导致pMUT和Helmholtz共振腔谐振频率的匹配很困难，若要将PSRC结构用于MEMS压电超声换能器，需要对其结构做一定改进，以提高Helmholtz共振腔的谐振频率。
发明内容
为了提升MEMS压电超声换能器能量转换效率，并提高MEMS压电超声换能器和Helmholtz共振腔匹配时的谐振频率，本发明提供一种具有孔阵列Helmholtz共振腔的MEMS压电超声换能器。
本发明采用的技术方案是：一种具有孔阵列Helmholtz共振腔的MEMS压电超声换能器，包括MEMS压电超声换能器以及孔阵列Helmholtz共振腔，所述孔阵列Helmholtz共振腔由所述MEMS压电超声换能器以及内部为腔体结构的硅衬底组成，所述MEMS压电超声换能器与硅衬底之间键合结合；
其中，所述MEMS压电超声换能器为压电叠层结构，其压电叠层结构上设置有若干开孔形成孔阵列，将孔阵列Helmholtz共振腔与外界大气连通，所述孔阵列中的空气形成孔阵列Helmholtz共振腔的空气柱。
进一步地，所述MEMS压电超声换能器的压电叠层结构采用传统三明治结构或者双压电晶片结构，用于驱动孔阵列Helmholtz共振腔发声，或接收孔阵列Helmholtz共振腔共振时腔内的声波；
所述压电叠层结构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、CSOI晶片；
所述MEMS压电超声换能器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。
进一步地，所述Helmholtz共振腔可通过调整所述MEMS压电超声换能器上的孔阵列的分布以获得不同的指向特性。
进一步地，所述孔阵列Helmholtz共振腔的谐振频率与MEMS压电超声换能器的谐振频率在作为发射换能器时相同；
所述孔阵列Helmholtz共振腔的谐振频率与MEMS压电超声换能器的谐振频率在作为接收换能器时可相同也可不相同。
进一步地，所述孔阵列Helmholtz共振腔的腔体可根据实际情况调整，其横截面为圆形或多边形结构，所述MEMS压电超声换能器形状与所述孔阵列Helmholtz共振腔的腔体相适配。
进一步地，所述孔阵列中空的形状为圆形或多边形结构，孔阵列的分布、孔的数量、孔的尺寸可根据实际情况进行调整。
本发明有益效果：
1、本发明将MEMS压电超声换能器和孔阵列Helmholtz共振腔相结合。MEMS压电超声换能器驱动孔阵列Helmholtz共振腔发声，可用于发射和接收超声波；当其用于发射超声波时，MEMS压电超声换能器用于驱动孔阵列Helmholtz共振腔发声，当MEMS压电超声换能器谐振频率与孔阵列Helmholtz共振腔谐振频率一致时，超声换能器发射的声波通过Helmholtz共振腔的增幅将大幅提升，从而提高了超声换能器的电声能量转换效率；当其用于接收超声波时，当声波的频率与孔阵列Helmholtz共振腔谐振频率一致时，声波传播至孔口引起腔体内媒质共振消耗共振频率的声波能量从而引起腔体内声压增大，声压作用在换能器表面使其振动，此时，若MEMS压电超声换能器与孔阵列Helmholtz共振腔的谐振频率一致，会增加换能器振动的振幅；若MEMS压电超声换能器与孔阵列Helmholtz共振腔的谐振频率不一致，但由于孔阵列Helmholtz共振腔对声压的放大，作用于MEMS压电超声换能器的声压很大，仍能产生较大的振幅。总的来说，可以提高超声换能器的电声能量转换效率。
2、本发明的Helmholtz共振腔采用了孔阵列结构，在提高了Helmholtz共振腔谐振频率的同时，通过调整孔阵列的分布，可以调节超声换能器的指向特征。
附图说明
图1为本发明布置引出电极时的截面图和俯视图；
图2为本发明中MEMS压电超声换能器采用三明治结构时的截面图和俯视图；
图3为本发明中MEMS压电超声换能器采用双压电晶片结构时的截面图和俯视图；
图4～8为本发明实施例的加工过程图；
附图中：1-三明治结构的pMUT，2-孔阵列Helmholtz共振腔，3-双压电晶片结构的pMUT，4-CSOI晶片，5-底电极，6-压电层，7-顶电极，8-SiO2绝缘层，9-金电极，10硅衬底。
应当理解：MEMS压电超声换能器英文全称piezoelectric micromachinedultrasonic transducer,简称：pMUT。
具体实施方式
为了方便本领域技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施示例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请参考附图1、2、3，一种具有孔阵列Helmholtz共振腔的MEMS压电超声换能器，其特性在于：包括MEMS压电超声换能器和孔阵列Helmholtz共振腔2，所述孔阵列Helmholtz共振腔2由所述MEMS压电超声换能器以及内部为腔体结构的硅衬底10组成，所述MEMS压电超声换能器与硅衬底10之间键合结合。
所述MEMS压电超声换能器可采用传统三明治结构或者双压电晶片结构，MEMS压电超声换能器为三明治结构的pMUT1时，从上到下依次为，上电极、压电层6、下电极、CSOI晶片4，其中所述CSOI晶片4设置在所述硅衬底10的腔体结构中。所述MEMS压电超声换能器采用双压电晶片结构的pMUT3时，从上到下依次为，上电极、压电层6、中间电极、压电层6、下电极、带腔的硅衬底10。所述MEMS压电超声换能器用于驱动孔阵列Helmholtz共振腔2发声，或接收孔阵列Helmholtz共振腔2共振时腔内的声波。当发射超声波时，MEMS压电超声换能器用于驱动孔阵列Helmholtz共振腔2发声，当MEMS压电超声换能器谐振频率与孔阵列Helmholtz共振腔2谐振频率一致时，超声换能器发射的声波通过孔阵列Helmholtz共振腔2的增幅将大幅提升，从而提高了超声换能器的电声能量转换效率；当接收超声波时，当声波的频率与孔阵列Helmholtz共振腔2谐振频率一致时，声波传播至孔口引起腔体内媒质共振消耗共振频率的声波能量从而引起腔体内声压增大，声压作用在换能器表面使其振动，此时，若MEMS压电超声换能器与孔阵列Helmholtz共振腔2的谐振频率一致，会增加换能器振动的振幅；若MEMS压电超声换能器与孔阵列Helmholtz共振腔2的谐振频率不一致，但由于孔阵列Helmholtz共振腔2对声压的放大，作用于MEMS压电超声换能器的声压很大，仍能产生较大的振幅。总的来说，可以提高超声换能器的电声能量转换效率。
所述孔阵列Helmholtz共振腔2采用了孔阵列结构，在提高了其谐振频率的同时，通过调整孔阵列的分布，可以调节超声换能器的指向特征。孔阵列Helmholtz共振腔2的由MEMS压电超声换能器的硅衬底10和其上方的压电叠层结构组成腔体，压电叠层结构上布置的孔阵列将外界大气与腔体联通，孔阵列中的空气组成空气柱。
单孔Helmholtz共振腔谐振频率为
式中，c为介质中的声速，S为开孔面积，t为开孔高度，d为开孔直径，V为腔体容积。
而多孔Helmholtz共振腔谐振频率为
式中n为开孔数。
通过对比单孔与多孔结构的Helmholtz共振腔谐振频率的计算公式，采用孔阵列的布置可以提高Helmholtz共振腔的谐振频率，从而提高MEMS压电超声换能器和Helmholtz共振腔谐振频率匹配时的频率。同时，孔阵列分布于MEMS压电超声换能器的压电叠层结构上，在整个结构工作时，每个孔的振动频率一致，是相干的声源。这时，可通过调整孔阵列的尺寸，获得不同的指向特性。例如，使用环形小孔阵列时，如果的孔阵列的直径较小，每个小孔间的距离靠的很近时，其组合声源相当于一个幅值加倍的单个孔声源，此时无辐射指向性；如果孔阵列的直径为声波长的整数倍时，垂直于换能器中心的方向将出现极大值；如果孔阵列的直径为半波长的奇数倍时，垂直于换能器中心的方向将出现零值。
请参考附图4至8，本发明提供的超声换能器的制备过程如下：
S110在一张CSOI晶片4上进行CMP，将硅层打磨至设计尺寸；
S120在打磨后的CSOI晶片4上依次沉积底电极5、压电层6、顶电极7；
S130在沉积完叠层结构的晶片上刻蚀孔阵列区域；
S140沉积一层SiO2绝缘层8后沉积用于引出电极的金电极9；
S150刻蚀孔阵列，释放结构。
Claims (6)
1.一种具有孔阵列Helmholtz共振腔的MEMS压电超声换能器，其特征在于：包括MEMS压电超声换能器以及孔阵列Helmholtz共振腔，所述孔阵列Helmholtz共振腔由所述MEMS压电超声换能器以及内部为腔体结构的硅衬底组成，所述MEMS压电超声换能器与硅衬底之间键合结合；
其中，所述MEMS压电超声换能器为压电叠层结构，其压电叠层结构上设置有若干开孔形成孔阵列，将孔阵列Helmholtz共振腔与外界大气连通，所述孔阵列中的空气形成孔阵列Helmholtz共振腔的空气柱。
2.根据权利要求1所述的一种具有孔阵列Helmholtz共振腔的MEMS压电超声换能器，其特征在于：所述MEMS压电超声换能器的压电叠层结构采用传统三明治结构或者双压电晶片结构，用于驱动孔阵列Helmholtz共振腔发声，或接收孔阵列Helmholtz共振腔共振时腔内的声波；
所述压电叠层结构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、CSOI晶片；
所述MEMS压电超声换能器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。
3.根据权利要求1所述的一种具有孔阵列Helmholtz共振腔的MEMS压电超声换能器，其特征在于：所述Helmholtz共振腔可通过调整所述MEMS压电超声换能器上的孔阵列的分布以获得不同的指向特性。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种具有孔阵列Helmholtz共振腔的MEMS压电超声换能器，其特征在于：所述孔阵列Helmholtz共振腔的谐振频率与MEMS压电超声换能器的谐振频率在作为发射换能器时相同；
所述孔阵列Helmholtz共振腔的谐振频率与MEMS压电超声换能器的谐振频率在作为接收换能器时可相同也可不相同。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种具有孔阵列Helmholtz共振腔的MEMS压电超声换能器，其特征在于：所述孔阵列Helmholtz共振腔的腔体可根据实际情况调整，其横截面为圆形或多边形结构，所述MEMS压电超声换能器形状与所述孔阵列Helmholtz共振腔的腔体相适配。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种具有孔阵列Helmholtz共振腔的MEMS压电超声换能器，其特征在于：所述孔阵列中孔的形状为圆形或多边形结构，孔阵列的分布、孔的数量、孔的尺寸可根据实际情况进行调整。
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