CN110560350A - 基于Helmholtz共振腔的接收超声换能器 - Google Patents
基于Helmholtz共振腔的接收超声换能器 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于Helmholtz共振腔的接收超声换能器，包括通过键合结合的Helmholtz共振腔以及MEMS压电超声换能器；MEMS压电超声换能器由压电叠层结构以及带腔体硅衬底组成，Helmholtz共振腔由压电叠层结构上方的带有上部开口的带腔体硅结构组成，上部开口中形成Helmholtz共振腔孔，其中的空气组成Helmholtz共振腔空气柱；底部带腔体硅衬底结构中部刻蚀形成凸起的硅衬底支柱，压电叠层结构上围绕硅衬底支柱蚀刻环形沟槽，且压电叠层结构上以硅衬底支柱为中心刻蚀若干条径向沟槽，将压电叠层结构分隔成若干扇形或梯形结构；若干扇形或梯形结构形成悬臂梁，且其与硅衬底支柱接触一端形成固定端，远离硅衬底支柱的一端形成自由端。本发明可提高接收超声换能器的性能。
Description
技术领域
本发明属于MEMS超声换能器技术领域，涉及一种基于Helmholtz共振腔的接收超声换能器。
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产生高频来减少声学衍射。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CN106660074A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性能作用有限。并且由于pMUT的工作换能是空气或一半空气一半真空，其振动时所受空气阻尼较大，导致接收声音时信号较低。
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-resonancecavity)。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工作于pMUT和Helmholtz共振腔谐振频率一致时，此时Helmholtz共振腔共振，腔内声压很高，同时由于该频率也是pMUT共振频率，两个结构的共振将导致接收换能器接收的电信号大幅增加，从而提高接收超声换能器的性能。
发明内容
为了提高接收超声换能器的性能，并减小pMUT振动时所受到的空气阻尼，本发明提供了一种基于Helmholtz共振腔并增大声压接收面积的接收超声换能器。
本发明采用的技术方案是：一种基于Helmholtz共振腔的接收超声换能器，包括通过键合结合的Helmholtz共振腔以及MEMS压电超声换能器；其中，
所述MEMS压电超声换能器由上部的压电叠层结构以及底部的带腔体硅衬底组成，所述Helmholtz共振腔由压电叠层结构上方的带有上部开口的带腔体硅结构组成，所述上部开口中形成Helmholtz共振腔孔，其中的空气组成Helmholtz共振腔空气柱；
所述底部带腔体硅衬底结构中部刻蚀形成凸起的硅衬底支柱，所述压电叠层结构上围绕所述硅衬底支柱刻环形沟槽，且所述压电叠层结构上以所述硅衬底支柱为中心刻蚀若干条径向沟槽，将所述压电叠层结构分隔成若干扇形或梯形结构；
所述若干扇形或梯形结构形成悬臂梁，且其与所述硅衬底支柱接触一端形成固定端，远离所述硅衬底支柱的一端形成自由端。
进一步地，相邻两个悬臂梁的自由端之间设置有柔性弹簧进行连接，以减弱悬臂梁不同步导致的信号串扰。
优选地，所述Helmholtz共振腔横截面为圆形或多边形，所述硅衬底支柱横截面为圆形或多边形，所述环形沟槽为圆环形或多边形。
进一步地，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，用于接收Helmholtz共振腔共振时腔内的声波；
所述MEMS压电超声传感器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衬底或带腔体硅衬底；
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、带腔体硅衬底。
进一步地，所述Helmholtz共振腔的谐振频率与MEMS压电超声换能器的谐振频率相同或不相同。
本发明的有益效果：
1、本发明将MEMS压电超声换能器和Helmholtz共振腔相结合。MEMS压电超声换能器接收声波时，当声波的频率与Helmholtz共振腔谐振频率一致，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Helmholtz共振腔的谐振频率不一致，但由于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，增加了超声换能器的声电转换效率和灵敏度。
2、本发明中通过对MEMS压电超声换能器，通过对其压电叠层结构进行图形化处理，在周围刻蚀沟槽，使MEMS压电超声换能器振动时上下界面空气可通过孔洞和沟槽流通，从而减小MEMS压电超声换能器振动受到的空气阻尼。同时，MEMS压电超声换能器压电叠层结构组成的悬臂梁为梯形或扇形等形状，固定端设置在振动区域中心，并将悬臂梁面积较小的一端固定于固定端，如倒梯形较短的底边和扇形的内径端。声压作用在结构上时，可更充分地转化为梁的振动，减小能量损耗。同时，相邻的悬臂梁自由端设置有微型柔性弹簧结构进行连接，减弱悬臂梁振动不同步导致的信号串扰。
附图说明
图1为本发明实施例采用三明治结构时的截面图、Helmholtz共振腔俯视图和pMUT俯视图；
图2为本发明实施例采用双压电晶片结构时的截面图、Helmholtz共振腔俯视图和pMUT俯视图；
图3～6为本发明实施例采用三明治结构时pMUT的详细加工流程图；
图7为本发明实施例采用三明治结构时pMUT的详细结构图；
图8～9为本发明实施例Helmholtz共振腔的加工流程图；
图10位本发明实施例Helmholtz共振腔和pMUT键合示意图；
图中：1三明治结构pMUT，1-1CSOI晶片，1-2底电极，1-3压电层，1-4顶电极，1-5SiO2绝缘层，1-6金电极，1-7悬臂梁，1-8径向沟槽，1-9环形沟槽，1-10固定端，1-11自由端，1-12柔性弹簧；2Helmholtz共振腔，3双压电晶片pMUT，4带腔体硅结构，4-1上部开口，5带腔体硅衬底，5-1硅衬底支柱。
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
下面结合附图及具体实施例对本发明组进一步地说明。
如图1、2，一种基于Helmholtz共振腔的接收超声换能器，包括通过键合结合的Helmholtz共振腔2以及MEMS压电超声换能器。所述MEMS压电超声换能器由上部的压电叠层结构以及底部的带腔体硅衬底5组成，所述底部带腔体硅衬底5结构中部刻蚀形成凸起的硅衬底支柱5-1，所述硅衬底支柱5-1起到支撑压电叠层结构的作用。
所述Helmholtz共振腔2由压电叠层结构上方的带有上部开口4-1的带腔体硅结构4组成，所述带腔体硅结构4为半包围结构，开口向下与所述压电叠层结构键合而形成Helmholtz共振腔2，所述带腔体硅结构4的上部开口4-1中形成Helmholtz共振腔孔，其中的空气组成Helmholtz共振腔2空气柱，所述上部开口4-1在所述带腔体硅结构4上的位置不限，只需要位于半包围结构的上顶盖处即可。
所述MEMS压电超声换能器，通过对其压电叠层结构进行图形化处理，然后围绕所述硅衬底支柱5-1刻环形沟槽1-9，所述环形沟槽1-9可以使圆环形沟槽1-9可以是多边形的环形沟槽1-9。所述压电叠层结构上以所述硅衬底支柱5-1为中心刻蚀若干条径向沟槽1-8，将所述压电叠层结构分隔成若干扇形或梯形结构；通过刻蚀环形沟槽1-9和径向沟槽1-8可以使MEMS压电超声换能器振动时上下界面空气通过刻蚀的沟槽进行流通，从而减小MEMS压电超声换能器振动受到的空气阻尼。由于所述压电叠层结构与所述带腔体硅衬底5之间为中空腔体，所以所述若干扇形或梯形结构形成悬臂梁1-7，其与所述硅衬底支柱5-1接触一端形成固定端1-10，远离所述硅衬底支柱5-1的一端形成自由端1-11。如图7，所述自由端1-11的边长大于所述固定端1-10的边长，当声压作用在悬臂梁1-7上时可以更充分地转化为悬臂梁1-7的振动，能够更好地减少能量消耗。同时相邻两个悬臂梁1-7的自由端1-11之间设置有柔性弹簧1-12进行连接，所述柔性弹簧1-12在刻蚀所述环形沟槽1-9和所述径向沟槽1-8时形成，所述径向沟槽1-8端部与所述环形沟槽1-9之间留有一定距离从而形成所述柔性弹簧1-12，起到连接两个悬臂梁1-7的作用，以减弱悬臂梁1-7不同步导致的信号串扰。
优选地，所述Helmholtz共振腔2横截面为圆形或多边形，所述硅衬底支柱5-1横截面为圆形或多边形，所述环形沟槽1-9为圆环形或多边形。
进一步地，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，用于接收Helmholtz共振腔2共振时腔内的声波；
所述MEMS压电超声传感器采用传统三明治结构时即三明治结构pMUT1从上到下依次为上电极、压电层、下电极、CSOI衬底或带腔体硅衬底5；
所述MEMS压电超声换能器采用双压电晶片结构时即双压电晶片pMUT3，由上到下依次为上电极、压电层、中间电极、压电层、下电极、带腔体硅衬底5。
进一步地，所述Helmholtz共振腔2的谐振频率与MEMS压电超声换能器的谐振频率相同或不相同。所述MEMS压电超声传感器用接收Helmholtz共振腔2内的声波。在接收超声波时，当声波的频率与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Helmholtz共振腔2的谐振频率不一致，但由于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，增加了超声换能器的声电转换效率和灵敏度。
设计的Helmholtz共振腔2由MEMS压电超声换能器和上部开口4-1的硅结构构成腔体，硅结构的中心开口中的空气组成Helmholtz共振腔2的空气柱，其将外界大气与腔体联通。Helmholtz共振腔2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。
如图3～10，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1-1上进行CMP，将硅层打磨至设计尺寸；
S120将打磨后的CSOI晶片1-1上依次沉积底电极1-2、压电层1-3、顶电极1-4，并对顶电极1-4进行图形化处理；
S130在沉积完叠层结构的晶片上沉积一层SiO2绝缘层1-5，再引出金电极1-6S140～S150图形化处理，在周围刻蚀环形沟槽1-8和径向沟槽1-9并形成柔性弹簧1-12以及悬臂梁1-7；
S160在一张硅晶片上刻蚀腔体，形成带腔体硅结构4，进而形成Helmholtz共振腔；
S170在所述带腔体硅结构4上刻蚀上部开口4-1形成Helmholtz共振腔孔；
S180将Helmholtz共振腔于MEMS压电超声换能器键合。
Claims (5)
1.一种基于Helmholtz共振腔的接收超声换能器，其特征在于：包括通过键合结合的Helmholtz共振腔以及MEMS压电超声换能器；其中，
所述MEMS压电超声换能器由上部的压电叠层结构以及底部的带腔体硅衬底组成，所述Helmholtz共振腔由压电叠层结构上方的带有上部开口的带腔体硅结构组成，所述上部开口中形成Helmholtz共振腔孔，其中的空气组成Helmholtz共振腔空气柱；
所述底部带腔体硅衬底结构中部刻蚀形成凸起的硅衬底支柱，所述压电叠层结构上围绕所述硅衬底支柱刻环形沟槽，且所述压电叠层结构上以所述硅衬底支柱为中心刻蚀若干条径向沟槽，将所述压电叠层结构分隔成若干扇形或梯形结构；
所述若干扇形或梯形结构形成悬臂梁，且其与所述硅衬底支柱接触一端形成固定端，远离所述硅衬底支柱的一端形成自由端。
2.根据权利要求1所述的一种基于Helmholtz共振腔的接收超声换能器，其特征在于：相邻两个悬臂梁的自由端之间设置有柔性弹簧进行连接，以减弱悬臂梁不同步导致的信号串扰。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于Helmholtz共振腔的接收超声换能器，其特征在于：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，用于接收Helmholtz共振腔共振时腔内的声波；
所述MEMS压电超声传感器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衬底或带腔体硅衬底；
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、带腔体硅衬底。
4.根据权利要求3所述的一种基于Helmholtz共振腔的接收超声换能器，其特征在于：所述Helmholtz共振腔横截面为圆形或多边形，所述硅衬底支柱横截面为圆形或多边形，所述环形沟槽为圆环形或多边形。
5.根据权利要求4所述的一种基于Helmholtz共振腔的接收超声换能器，其特征在于：所述Helmholtz共振腔的谐振频率与MEMS压电超声换能器的谐振频率相同或不相同。
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