CN110681560A - 具有亥姆霍兹谐振腔的mems超声定位传感器 - Google Patents
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Abstract
一种MEMS超声定位传感器，包括：上层衬底(3)；亥姆霍兹谐振腔(2)，形成于上层衬底(3)内；压电式超声发射单元(9)，位于上层衬底(3)上，其上具有至少一个与亥姆霍兹谐振腔(2)连通的通孔(7)；超声接收单元(1)，位于亥姆霍兹谐振腔(2)底部；其中，亥姆霍兹谐振腔(2)的谐振频率与压电式超声发射单元(9)的谐振频率相同，超声接收单元(1)的谐振频率大于或等于压电式超声发射单元(9)的谐振频率。本公开的MEMS超声定位传感器，可以提高传感器的能量转换效率和避免传感器的串扰。
Description
技术领域
本公开属于超声换能器技术领域，涉及具有亥姆霍兹谐振腔的MEMS超声定位传感器。
背景技术
位置传感器大致可以分为三类。(1)短距离工作的精细位置感应类型，如涡流、磁阻和霍尔效应传感器。这类传感器的优点是灵敏度高、抗干扰能力强，但是不适合远距离测量。(2)光学飞行时间和光学相干位置传感器，如激光干涉法、工学三角测量法等。优点是精度高，缺点是这类设备通常结构比较复杂，需要配备多个光学元件。(3)声或超声位置传感器。这类传感器中有一种压电声谐振腔(PSRC)位置传感器，其特点是具有亥姆霍兹谐振腔，利用亥姆霍兹谐振腔上方的压电堆栈层发出声波，然后通过亥姆霍兹谐振腔下方的声学传感器接收声波。其优点是分辨率高，但是测量距离较短，此外，器件尺寸较小时亥姆霍兹谐振腔的谐振频率与压电堆栈层的谐振频率很难匹配上，因此这类传感器的尺寸通常较大，并且工作时谐振频率较低，导致其在近距离分辨率较差。同时，为了达到最好的接收效果，接收传感器、发射换能器、亥姆霍兹谐振腔三者谐振频率通常被设置为一样，但此时在收发声波时会发生串扰现象。
发明内容
本公开的具有亥姆霍兹谐振腔的MEMS超声定位传感器，旨在提高传感器的能量转换效率和避免传感器的信号串扰。
根据本公开实施例的一方面，提供一种MEMS超声定位传感器，包括：
上层衬底；
亥姆霍兹谐振腔，形成于所述上层衬底内；
压电式超声发射单元，包括位于所述上层衬底上的压电叠层或压电双晶片，且所述压电叠层、所述压电双晶片上具有一个或多个与亥姆霍兹谐振腔连通的通孔；
超声接收单元，位于所述亥姆霍兹谐振腔底部；
其中，所述亥姆霍兹谐振腔的谐振频率与所述压电式超声发射单元的谐振频率相同，所述超声接收单元的谐振频率大于或等于所述压电式超声发射单元的谐振频率。
在上述的MEMS超声定位传感器，所述压电叠层包括设置在上层衬底上的第一下电极，设置在第一下电极上的第一压电层，设置在第一压电层上的第一上电极。
在上述的MEMS超声定位传感器，所述超声接收单元为压电式超声换能器或电容式超声换能器。
在上述的MEMS超声定位传感器，所述压电式超声接收单元包括：第二压电层，与所述上层衬底的底部键合；第二上电极，位于所述亥姆霍兹谐振腔内，且设置在所述第二压电层的上表面；第二下电极，键合在所述第二压电层的下表面；下层衬底，键合在所述第二下电极的下表面。
在上述的MEMS超声定位传感器，所述电容式超声接收单元包括：下层衬底，位于所述上层衬底下方；所述下层衬底上的SiO2层；振膜，键合在所述上层衬底和所述下层衬底之间；第二上电极，位于所述亥姆霍兹谐振腔内，且设置在所述振膜上。
本公开将MEMS压电超声换能器(pMUT)、亥姆霍兹谐振腔和声学传感器相结合。MEMS压电超声换能器用于驱动亥姆霍兹谐振腔发声。MEMS压电超声换能器谐振频率与亥姆霍兹谐振腔谐振频率一致，此时超声换能器发射的声波通过亥姆霍兹谐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。声学传感器用于接收超声波，遇障碍物反射回来的超声波通过亥姆霍兹谐振腔的放大可以增大作用于声学传感器的声压，从而提高输出的电信号。同时，当声学传感器的谐振频率与pMUT的谐振频率不同，高于pMUT的谐振频率时，可以有效地避免收发超声波时发生串扰现象。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细说明。
图1示出了具有亥姆霍兹谐振腔的MEMS超声定位传感器的截面图。
图2示出了图1所示的MEMS超声定位传感器的俯视图。
图3示出了根据本公开的一个实施例的以三明治结构pMUT作为发射和接收单元的MEMS超声定位传感器的截面图。
图4示出了图3所示的MEMS超声定位传感器的俯视图。
图5示出了根据本公开的一个实施例的以双晶片pMUT作为发射单元，三明治结构pMUT作为接收单元的MEMS超声定位传感器的截面图。
图6示出了图5所示的MEMS超声定位传感器的俯视图。
图7示出了根据本公开的一个实施例的以三明治结构pMUT作为发射单元，以cMUT作为接收单元的MEMS超声定位传感器的截面图。
图8示出了图7所示的MEMS超声定位传感器的俯视图。
图9示出了根据本公开的一个实施例的具有多个通孔亥姆霍兹谐振腔的MEMS超声定位传感器的截面图。
图10示出了图9所示的MEMS超声定位传感器的俯视图。
附图标记说明：
1-超声接收单元，2-亥姆霍兹谐振腔，3-上层衬底，4-第一下电极，5-第一压电层，6-第一上电极，7-通孔，8-压电叠层，9-压电式超声发射单元，10-压电式超声接收单元，11-第二下电极，12-第二压电层，13-第二上电极，14-SiO2层，15-下层衬底，16-压电双晶片，17-振膜，18-电容式超声接收单元。
此外，MEMS压电超声换能器英文全称piezoelectric micromachined ultrasonictransducer,简称：pMUT。MEMS电容超声换能器英文全称capacitive piezoelectricultrasonic transducer，简称：cMUT。
具体实施方式
图1示出了根据本公开的一个实施例的具有亥姆霍兹谐振腔的MEMS超声定位传感器的截面图。图2示出了图1所示的MEMS超声定位传感器的俯视图。如图1、2，具有亥姆霍兹谐振腔的MEMS超声换能器包括超声接收单元1、亥姆霍兹谐振腔2、压电式超声发射单元9。亥姆霍兹谐振腔2形成于Si材质的上层衬底3内。亥姆霍兹谐振腔2的形状可以是圆形、正方形、矩形或其他几何形状。压电式超声发射单元9位于上层衬底3上，其上具有至少一个与亥姆霍兹谐振腔2连通的通孔7。超声接收单元1位于亥姆霍兹谐振腔2底部。其中，亥姆霍兹谐振腔2的谐振频率与压电式超声发射单元9的谐振频率相同，超声接收单元1的谐振频率大于或等于压电式超声发射单元9的谐振频率。
如图3和4，超声发射单元9采用压电超声换能器(pMUT)，包括键合在上层衬底3上的第一下电极4，键合在第一下电极4上的第一压电层5，键合在第一压电层5上的第一上电极6。即，上层衬底3、第一下电极4、第一压电层5构成一个压电叠层8。通孔7贯穿压电叠层8后与亥姆霍兹谐振腔2连通。第一下电极4为块状电极，可以选用Mo、Al等金属作为电极材料。第一压电层5可以使用AlN、PZT等压电材料。第一上电极6可以选用Mo、Al等金属作为电极材料。第一上电极6通过刻蚀工艺形成，刻蚀的图案可为环形。
如图5和6，作为替代，压电式超声发射单元9也可以是压电双晶片结构，将压电双晶片16键合在上层衬底3上。通孔7贯穿压电双晶片16后与亥姆霍兹谐振腔2连通。
超声接收单元1可以采用压电式超声换能器(pMUT)、或电容式超声换能器(cMUT)或者其他类型的声学传感器。
参考图3～6，压电式超声接收单元10包括第二下电极11、第二压电层12、第二上电极13、SiO2层14、下层衬底15。下层衬底15位于上层衬底3下方，第二下电极11、第二压电层12设置在衬底3，15之间。下层衬底15由两部分组成，以便在下层衬底15内形成空腔，二者键合后将所述空腔封闭，其中SiO2层14设置在键合面上。第二压电层12键合在上层衬底3底部。第二上电极13位于亥姆霍兹谐振腔2内，且设置在第二压电层12的上。第二下电极11下表面键合在下层衬底15上，上表面与第二压电层12的下表面键合。
如图7和8，若采用电容式超声接收单元18，则在上层衬底3和下层衬底15之间设置振膜17。位于亥姆霍兹谐振腔2内的第二上电极13设置在振膜17的上，而振膜17的下表面则作为下层衬底15空腔的顶部。SiO2层14设置在下层衬底15空腔的底部。
第二下电极11为块状电极，可以选用Mo、Al等金属作为电极材料。第二压电层12可以使用AlN、PZT等压电材料。第二上电极13为块状电极，可以选用Mo、Al等金属作为电极材料，也可以通过刻蚀工艺形成。
本公开的具有亥姆霍兹谐振腔的MEMS超声定位传感器用于定位时，首先在压电式超声发射单元9上加上一个电信号，压电式超声发射单元9在电信号的驱动下弯曲振动，然后驱动亥姆霍兹谐振腔2振动发声，当压电式超声发射单元9与亥姆霍兹谐振腔2的谐振频率一致时，压电式超声发射单元9发射的声波的声压通过亥姆霍兹谐振腔2的放大将大幅增强，从而提高传感器的能量转换效率。发出的超声波遇到障碍物时会反射回来，反射声波的频率与亥姆霍兹谐振腔2谐振频率一致，声波传播至通孔7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，进而提高作用在超声接收单元1表面的声压，产生较大的信号。通过测得超声波发射和接收的时间差，即可测得障碍物的位置。此外，超声接收单元1的谐振频率与压电式超声发射单元9的谐振频率不同，通常高于压电式超声发射单元9的谐振频率，从而可以有效地避免收发超声波时发生串扰现象。此外，如本公开中图9、10所示，可以在压电式超声发射单元9上开设多个通孔7，以提高亥姆霍兹谐振腔2的谐振频率。
亥姆霍兹谐振腔2的谐振频率为：
式中，c为介质中的声速，S为通孔7开孔面积，t为通孔7高度，d为通孔7开孔直径，V为亥姆霍兹谐振腔容积。
上式是亥姆霍兹谐振腔2上方有一个通孔7的情况，如果在上方开多个通孔7，则亥姆霍兹谐振腔2的谐振频率为
式中n为通孔7数目。通过通孔结构可以进一步提高亥姆霍兹谐振腔的谐振频率，可以根据实际情况选择开孔的数目。
本公开的具有亥姆霍兹谐振腔的MEMS超声定位传感器属于超声位置传感器，相比于PSRC位置传感器，本公开的超声定位传感器属于MEMS领域，尺寸通常为微米级或者亚微米级。可通过调整尺寸和结构使得亥姆霍兹谐振腔的谐振频率与其上方的MEMS压电超声换能器(pMUT)的谐振频率一致，从而获得较高的器件工作频率。此外，通过错开用于发射超声波的pMUT和超声接收单元的谐振频率，从而可以有效地避免传感器的串扰问题。
Claims (5)
1.一种MEMS超声定位传感器，其特征在于，包括：
上层衬底(3)；
亥姆霍兹谐振腔(2)，形成于上层衬底(3)内；
压电式超声发射单元(9)，包括位于上层衬底(3)上的压电叠层(8)或压电双晶片(16)，且压电叠层(8)、压电双晶片(16)上具有一个或多个与亥姆霍兹谐振腔(2)连通的通孔(7)；
超声接收单元(1)，位于亥姆霍兹谐振腔(2)底部；
其中，亥姆霍兹谐振腔(2)的谐振频率与压电式超声发射单元(9)的谐振频率相同，超声接收单元(1)的谐振频率大于或等于压电式超声发射单元(9)的谐振频率。
2.根据权利要求1所述的MEMS超声定位传感器，其特征在于，压电叠层(8)包括设置在上层衬底(3)上的第一下电极(4)，设置在第一下电极(4)上的第一压电层(5)，设置在第一压电层(5)上的第一上电极(6)。
3.根据权利要求1所述的MEMS超声定位传感器，其特征在于，超声接收单元(1)为压电式超声换能器或电容式超声换能器。
4.根据权利要求3所述的MEMS超声定位传感器，其特征在于，超声接收单元(1)为压电式超声换能器时，包括：第二压电层(12)，与上层衬底(3)的底部键合；第二上电极(13)，位于亥姆霍兹谐振腔(2)内，且设置在第二压电层(12)的上表面；第二下电极(11)，键合在第二压电层(12)的下表面；下层衬底(15)，键合在第二下电极(11)的下表面。
5.根据权利要求3所述的MEMS超声定位传感器，其特征在于，超声接收单元(1)为电容式超声换能器时，包括：下层衬底(15)，位于上层衬底(3)下方；下层衬底(15)上的SiO2层(14)；振膜(17)，键合在上层衬底(3)和下层衬底(15)之间；第二上电极(13)，位于亥姆霍兹谐振腔(2)内，且设置在振膜(17)上。
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