CN111314829B - 一种具有声管的mems压电超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于MEMS超声换能器技术，具体涉及一种具有声管的MEMS压电超声换能器，包括MEMS压电超声换能器和内部为腔体结构的硅衬底形成的至少1个声管，每个声管包括至少3个声波导管，且CSOI晶片上沉积压电叠层后通过刻蚀和底部打磨形成的第一声波导管、第三声波导管与Si晶片上通过刻蚀形成的第二声波导管键合。声管可以将MEMS压电超声换能器背部产生的声波传导至MEMS压电超声换能器顶部，由于声管的扩音作用，从声管传出的声波得以增强。同时，由声管传出的MEMS压电超声换能器背部产生的声波可以与顶部产生的声波叠加传输，进一步增强超声换能器产生的声波强度。该换能器能够增强MEMS超声换能器产生的声波强度，提升MEMS压电超声换能器能量转换效率。
Description
技术领域
本发明属于MEMS超声换能器技术领域，尤其涉及一种具有声管的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。而微加工技术制作的超声换能器(MEMS压电超声换能器英文全称piezoelectricmicromachined ultrasonic transducer,简称：pMUT)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。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过设计声管结构将pMUT背部产生的声音引至顶部，将其与顶部产生的声音复合后辐射，提升pMUT产生声音的利用率的装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有声管的MEMS压电超声换能器，包括MEMS压电超声换能器和内部为腔体结构的硅衬底形成的至少1个声管，每个声管包括至少3个声波导管，且CSOI晶片上沉积压电叠层后通过刻蚀和底部打磨形成的第一声波导管、第三声波导管与Si晶片上通过刻蚀形成的第二声波导管键合。
在上述的具有声管的MEMS压电超声换能器中，MEMS压电超声换能器的压电叠层结构，采用三明治结构或者双压电晶片结构；MEMS压电超声换能器的三明治结构，包括自上而下的第一上电极、第一压电层、第一下电极、Si层、SiO2层；MEMS压电超声换能器的双压电晶片结构，包括自上而下的第二上电极、第二压电层、中间电极、第三压电层、第二下电极。
在上述的具有声管的MEMS压电超声换能器中，通过改变声波导管的尺寸，从而改变声波导管的阻抗，实现声管出口处声音强度、相位的调整；或者通过改变声波导管的尺寸，实现MEMS压电超声换能器与声管出口的距离的调整。
在上述的具有声管的MEMS压电超声换能器中，声管的横截面为圆形或多边形；MEMS压电超声换能器形状与声管相适配。
本发明的有益效果：1、本发明利用声管结构，将MEMS压电超声换能器背腔产生的声波引导至换能器顶部，与换能器上半部分产生的声音复合后直接向空气中辐射，相当于利用单个MEMS压电超声换能器就可以组成换能器阵列。同时利用了MEMS压电超声换能器顶部和背部产生的声波，提高了MEMS压电超声换能器声能利用率；
2、根据声学传输线理论，当本发明使用的内部为腔体结构硅衬底构成的声管结构尺寸满足1/4波长奇数倍波长时，可以增加声辐射功率，提升辐射的声压。调节声管尺寸将改变声管阻抗，从而调整声管出口处声音的强度、相位等特征。同时，还可以通过调节声管尺寸控制MEMS压电超声换能器与声管出口的距离。通过调节上述特征，可以使MEMS压电超声换能器与声管出口复合的声波具有不同的特性。
附图说明
图1(a)为本发明中以1根声管作为实施例时具有声管的MEMS压电超声换能器的三维图；
图1(b)为本发明中以1根声管作为实施例时具有声管的MEMS压电超声换能器的正视图；
图1(c)为本发明中以1根声管作为实施例时具有声管的MEMS压电超声换能器的A-A剖视图；
图1(d)为本发明中以1根声管作为实施例时具有声管的MEMS压电超声换能器的B-B剖视图；
图1(e)为本发明中以1根声管作为实施例时具有声管的MEMS压电超声换能器的C-C剖视图；
图1(f)为本发明中以1根声管作为实施例时具有声管的MEMS压电超声换能器的D-D剖视图；
图2(a)为本发明中以2根声管作为实施例时具有声管的MEMS压电超声换能器的三维图；
图2(b)为本发明中以2根声管作为实施例时具有声管的MEMS压电超声换能器的正视图；
图2(c)为本发明中以2根声管作为实施例时具有声管的MEMS压电超声换能器的剖视图；
图3(a)为本发明中以4根声管作为实施例时具有声管的MEMS压电超声换能器的三维图；
图3(b)为本发明中以4根声管作为实施例时具有声管的MEMS压电超声换能器的正视图；
图3(c)为本发明中以4根声管作为实施例时具有声管的MEMS压电超声换能器的A-A剖视图；
图4为本发明以1根声管作为实施例的加工过程一：在一张CSOI晶片1-6上进行CMP，将硅层打磨至设计尺寸的示意图；
图5为本发明以1根声管作为实施例的加工过程二：在打磨后的CSOI晶片1-6上依次沉积底电极1-3、压电层1-2、顶电极1-1的示意图；
图6为本发明以1根声管作为实施例的加工过程三：在沉积完的压电叠层结构的晶片上刻蚀第三声波导管2-4，然后在CSOI晶片1-6背面进行CMP，释放声波导管2-1、2-4的示意图；
图7为本发明以1根声管作为实施例的加工过程四：在一片硅晶片上刻蚀第二声波导管2-3的示意图；
图8为本发明以1根声管作为实施例的加工过程五：将经过刻蚀和打磨的CSOI晶片1-6与刻蚀了第二声波导管的2-3的硅晶片键合，构成由内部为腔体结构硅衬底构成的声管2的示意图；
图9为本发明以1根声管作为实施例的加工过程六：将经过刻蚀和打磨的CSOI晶片1-6与刻蚀了第二声波导管的2-3的硅晶片键合，构成由内部为腔体结构硅衬底构成的声管2，同时形成键合层2-2的示意图；
其中，1-三明治结构pMUT，1-1-顶电极，1-2-压电层，1-3-底电极，1-4-Si层，1-5-SiO2层，1-6-CSOI晶片，2-由内部为腔体结构硅衬底构成的声管，2-1-第一声波导管，2-2-键合层，2-3-第二声波导管，2-4-第三声波导管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
pMUT在振动时会在顶部和背部同时产生相位相反的声波，但在传统pMUT中，只有一半的声波被利用，背部产生的声波被浪费了。通过设计管路结构将pMUT背部产生的声音引至顶部，将其与顶部产生的声音复合后辐射，将能极大的提升pMUT产生声音的利用率。而声管被广泛应用于各种乐器，用于扩音或对声波进行调谐。当声管设置在声源上时，声管等效于声学传输线，根据声学传输线理论，在声源前加长度为波长1/4奇数倍波长的管子，可以增强声源的输出压力和带宽。将pMUT背部声波引出结构设计成声管结构，将声波从背部引出的同时利用声管的扩音作用，将提高MEMS压电超声换能器的能量转换效率。
本实施例是通过以下技术方案来实现的：一种具有声管的MEMS压电超声换能器，包括MEMS压电超声换能器以及由内部为腔体结构硅衬底构成的至少1个声管，内部为腔体结构硅衬底构成的声管包括第一声波导管、第二声波导管、第三声波导管。第一声波导管、第三声波导管由CSOI(Cavity Silicon on insulation)晶片上沉积压电叠层后通过刻蚀和底部打磨形成，第二声波导管由Si晶片上通过刻蚀形成，第一声波导管、第二声波导管、第三声波导管通过键合结合构成声管。
MEMS压电超声换能器为压电叠层结构，换能器下部分产生的声音通过声管传导至超声换能器上半部分，与换能器上半部分产生的声音复合后直接向空气中辐射。同时，由于声管的扩音作用，从声管传出的声音得以增强。
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，用于直接像向介质辐射声波或通过声管辐射声波，还用于接收空气中的声波或通过声管传回的声波；
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、Si层、SiO2层；
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。
由内部为腔体结构硅衬底构成的声管可通过调整第一声管、第二声管、第三声管的尺寸，改变声管的阻抗，从而调整出口处声音的强度、相位等特征。同时，调节第二声管的尺寸时，可以调整MEMS压电超声换能器与声管出口的距离。通过调节上述特征，可以使MEMS压电超声换能器与声管出口复合的声波具有不同的特性。
声管中的声波导管可以有多个，将换能器下部分产生的声音通过多个声波导管出口引出，多个声波导管出口引出的声音与换能器上半部分产生的声音复合后直接向空气中辐射。
由内部为腔体结构硅衬底构成的声管的形状可根据实际情况调整，其横截面为圆形或多边形结构，MEMS压电超声换能器形状与由内部为腔体结构硅衬底构成的声管相适配。
具体实施时，一种具有声管的MEMS压电超声换能器，如图1(a)、图1(b)、图1(c)、图1(d)、图1(e)、图1(f)所示，包括MEMS压电超声换能器1以及由内部为腔体结构硅衬底构成的至少1个声管2，内部为腔体结构的硅衬底构成的声管2包括至少3个声波导管，第一声波导管2-1、第二声波志管2-3、第三声波导管2-4。第一声波导管2-1、第三声波导管2-4由CSOI(Cavity Silicon on insulation)晶片1-6上沉积压电叠层后通过刻蚀和底部打磨形成，第二声波导管2-3由Si晶片上通过刻蚀形成，第一声波导管2-1、第二声波导管2-3、第三声波导管2-4通过键合结合构成声管2。
如图2(a)、图2(b)、图2(c)，图3(a)、图3(b)、图3(c)所示，分别为2根、4根声管作为实施例时具有声管的MEMS压电超声换能器的三维图、正视图和剖视图。
MEMS压电超声换能器1为压电叠层结构，其压电叠层结构可采用传统三明治结构或者双压电晶片结构；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1-1、压电层1-2、下电极1-3、Si层1-4、SiO2层1-5；MEMS压电超声换能器在振动时顶部和背部将产生相位相反的声波，换能器下部分产生的声音通过声管传导至超声换能器上半部分，与换能器上半部分产生的声音复合后直接向空气中辐射。同时，由于声管的扩音作用，从声管出口传出的声音得以增强。
根据声传输线理论，在声源处增加一长为l的声管后，声管入口处的声阻抗为
式中，Za0为声管入口处声阻抗，Zal为声管出口处声阻抗，S为声管截面，l为声管长度，ρ0为介质密度，c0为介质声速，k为波数。当声管末端与大气相连时，可认为声管末端装在无限大障板上，声管末端的声负载可近似用户无限大障板上的活塞辐射器来代表，则：
Zal＝Ral+jXal
当ka<1时，
当ka>10时，
式中，a为声管末端开口半径。当kl＝(2n-1)π/2时，即l＝(2n-1)λ/4，时
式中λ为声波波长，假设声源做活塞振动，且其面积与管子面积相同，振速为u＝uaejωt，声源向管内辐射的平均声功率为
声压为
声源向无限空间辐射声波时
声压为
上式表明，当声源的振速幅值保持恒定时，在声源前加一长度等于1/4波长奇数倍的声管，可以提高声辐射功率和声压。
由内部为腔体结构硅衬底构成的声管2可通过调整第一声波导管2-1、第二声波导管2-3、第三声波导管2-4的尺寸，改变声波导管的阻抗，从而调整声管出口处声音的强度、相位等特征。同时，调节第二声波导管2-3的尺寸时，可以调整MEMS压电超声换能器1与声管出口的距离。通过调节上述特征，可以使MEMS压电超声换能器1与声管出口复合的声音具有不同的特性。
由内部为腔体结构硅衬底构成的声管2的声波导管可以有多个，将换能器下部分产生的声音通过多个声管出口引出，多个声管出口引出的声音与换能器上半部分产生的声音复合后直接向空气中辐射。
由内部为腔体结构硅衬底构成的声管2的形状可根据实际情况调整，其横截面为圆形或多边形结构，MEMS压电超声换能器1形状与由内部为腔体结构硅衬底构成的声管2相适配。
如图4-图9所示，本实施例提供的超声换能器的制备过程如下：
S110在一张CSOI晶片1-6上进行CMP，将硅层打磨至设计尺寸；如图4所示。
S120在打磨后的CSOI晶片1-6上依次沉积底电极1-3、压电层1-2、顶电极1-1；如图5所示。
S130在沉积完的压电叠层结构的晶片上刻蚀第三声管2-4，然后在CSOI晶片1-6背面进行CMP，释放声管2-1、2-4；如图6所示。
S140在一片硅晶片上刻蚀第二声管2-3；如图7所示。
S150将经过刻蚀和打磨的CSOI晶片1-6与刻蚀了第二声管的2-3的硅晶片键合，构成由内部为腔体结构硅衬底构成的声管2，同时形成键合层2-2。如图8、图9所示。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (3)
1.一种具有声管的MEMS压电超声换能器，其特征是，包括MEMS压电超声换能器和内部为腔体结构的硅衬底形成的至少1个声管，每个声管包括至少3个声波导管，且CSOI晶片上沉积压电叠层后通过刻蚀和底部打磨形成的第一声波导管、第三声波导管与Si晶片上通过刻蚀形成的第二声波导管键合；MEMS压电超声换能器的压电叠层结构，采用三明治结构或者双压电晶片结构；MEMS压电超声换能器的三明治结构，包括自上而下的第一上电极、第一压电层、第一下电极、Si层、SiO2层；MEMS压电超声换能器的双压电晶片结构，包括自上而下的第二上电极、第二压电层、中间电极、第三压电层、第二下电极。
2.如权利要求1所述的具有声管的MEMS压电超声换能器，其特征是，通过改变声波导管的尺寸，从而改变声波导管的阻抗，实现对声管出口处声音强度、相位的调整；或者通过改变声波导管的尺寸，实现MEMS压电超声换能器与声管出口的距离的调整。
3.如权利要求1所述的具有声管的MEMS压电超声换能器，其特征是，声管的横截面为圆形或多边形；MEMS压电超声换能器形状与声管相适配。
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