CN116140175A - 压电微机械超声波换能器及超声探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电微机械超声波换能器及超声探测系统，该压电微机械超声波换能器包括PMUT单元和挡板，其中，PMUT单元包括形成于衬底上的至少用于发射和接收超声波的PMUT阵元，挡板覆盖于部分PMUT阵元发射超声波的一侧发射方向上。该压电微机械超声波换能器在部分PMUT阵元发射超声波的一侧发射方向上设置挡板，使部分有挡板的PMUT阵元只能在无挡板的一侧发射方向上发射或接收超声波，无挡板的PMUT阵元可同时在其两侧发射方向上发射或接收超声波。本发明采用这种单侧探测和双侧探测相结合的方式，在增大PMUT器件的探测范围的同时，通过对比单侧探测的回波信号与双侧探测的回波信号，可准确判断出目标物所在的方位，提高探测精度和探测效率。
Description
技术领域
本发明是关于超声探测技术领域，特别是关于一种压电微机械超声波换能器及超声探测系统。
背景技术
超声波传感技术因其灵敏度高、功耗低、成本低、不受被测物体颜色或透明度的影响，可在黑暗环境中使用等诸多优点，在智能传感领域的应用价值突出。与传统的块状压电陶瓷超声换能器相比，压电微机械超声波换能器(PMUT)得益于微机械加工技术的迅速发展，具备体积小，且制备工艺与互补金属氧化物半导体的工艺兼容，易于超声传感系统的微型化等优点受到广泛的应用。目前，基于PMUT的检测多是用阵列波束合成技术单向检测，或以空间占用为代价用多个阵元组合以及使用电机控制PMUT移动旋转来增大探测范围。所以，在不增大PMUT器件体积的前提下，提高PMUT器件在空中的探测范围是一项亟需解决的问题。
现有技术中，Przybyla R J等人提出了一种片上三维超声波测距仪，利用超声波3D测距仪的背腔面发射超声波，通过接收波束合成技术可在±45°视场范围内定位1米外的目标。邵等人提出了一种4×4PMUT阵列基于超声波束形成方案实现一维偏转声束的偏转发射及接收，实现了±67.5°视场范围内定位1米外的三维物体探测。王等人提出了一种在空间中分布的5个PMUT阵元基于到达时间差定位，实现一种超低功耗的厘米级别的三维超声室内定位系统。刘等人提出了一种利用电动转台驱动PMUT进行柱面扫描的探测系统。
然而上述现有技术中存在PMUT阵列通过波束合成技术进行单向探测的探测范围较小或者多个PMUT阵元的多方位探测或者利用电动转台驱动PMUT扫描探测大大增加了传感器的体积和机械功耗等缺陷。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电微机械超声波换能器及超声探测系统，其用以解决如何在不增大PMUT器件体积的前提下提高PMUT器件在空中的探测范围的技术问题。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种压电微机械超声波换能器，其包括：PMUT单元，所述PMUT单元包括形成于衬底上的至少用于发射和接收超声波的PMUT阵元；和挡板，所述挡板覆盖于部分所述PMUT阵元发射超声波的一侧发射方向上。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述PMUT阵元包括形成于所述衬底上的腔体以及覆盖于所述腔体上方的振膜，所述振膜包括依次层叠设置的支撑层、下电极、压电层和上电极。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述下电极的材料为钼、金、铂、铝或锡中的一种。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述上电极的材料为金、钼、铂、铝或锡中的一种。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述压电层的材料为掺钪的氮化铝、氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述支撑层包括层叠设置的第一支撑层和第二支撑层，所述第一支撑层的材料为氧化硅，所述第二支撑层的材料为硅。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述衬底的材料为硅，所述挡板的材料为硅、钢或铝。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述PMUT阵元的形状为圆形、矩形、方形或多边形。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述挡板与PMUT阵元之间通过晶圆键合、或3D打印结合或胶粘黏合。
在本发明的另一个方面当中，还提供了一种超声探测系统，其包括：
如上所述的压电微机械超声波换能器，至少用于发射和接收超声波；
超声波发射驱动单元，与所述压电微机械超声波换能器电性连接，用于驱动所述压电微机械超声波换能器发射超声波；
超声波处理单元，与所述压电微机械超声波换能器电性连接，用于处理所述压电微机械超声波换能器接收的回波信号；
控制单元，分别与所述超声波发射驱动单元和超声波处理单元连接，用于基于驱动信号控制所述超声波发射驱动单元和超声波处理单元工作；以及
存储单元，分别与所述控制单元和超声波处理单元连接，用于存储所述驱动信号以及所述超声波处理单元反馈的回波信号。
与现有技术相比，根据本发明实施方式的压电微机械超声波换能器，其通过在部分PMUT阵元发射超声波的一侧发射方向上设置挡板，使得PMUT阵元发射或接收超声波时，部分有挡板的PMUT阵元其薄膜振动时只能在无挡板的一侧发射方向上发射超声波，或接收回波信号进行单侧目标物探测；而剩余无挡板的PMUT阵元其薄膜振动时可以同时在薄膜两侧发射方向上双向发射超声波，或接收回波信号进行双侧目标物探测。
本发明采用这种单侧探测和双侧探测相结合的方式，在增大PMUT器件在空中的探测范围的同时，通过将单侧探测的回波信号与双侧探测的回波信号进行对比，可以准确判断出目标物所在的方位，提高探测精度和探测效率。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的压电微机械超声波换能器中挡板覆盖于部分PMUT阵元背腔的结构示意图；
图2是根据本发明一实施方式的压电微机械超声波换能器中挡板覆盖于部分PMUT阵元相对背腔的一侧表面的结构示意图；
图3是根据本发明一实施方式的压电微机械超声波换能器中PMUT阵元产生双向超声波的示意图；
图4是根据本发明一实施方式的压电微机械超声波换能器中利用波束合成技术使PMUT阵元发射偏转聚焦超声波的示意图。
图5是根据本发明一实施方式的超声探测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，介绍本发明压电微机械超声波换能器的一实施例，在本实施例中，压电微机械超声波换能器包括PMUT单元和挡板13。
其中，PMUT单元包括形成于衬底11上的至少用于发射和接收超声波的PMUT阵元12。具体地，PMUT阵元12包括形成于衬底11上的腔体121以及覆盖于腔体121上方的振膜，振膜包括依次层叠设置的支撑层、下电极124、压电层125和上电极126，其中，支撑层包括层叠设置的第一支撑层122和第二支撑层123。
在一些实施方式中，衬底11以及第二支撑层123的材料均可以使用硅，第一支撑层122的材料可以使用氧化硅；下电极124的材料可以选用钼、金、铂、铝或锡中的一种，上电极126的材料可以选用金、钼、铂、铝或锡中的一种；压电层125的材料可以选用掺钪的氮化铝、氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷。挡板13的材料可以是硅、钢或铝，或其它可有效阻挡声波传播的材料。
此处需要说明的是，PMUT阵元12的各结构层的材料可以根据实际需求进行改变，各结构层的厚度以及尺寸大小也可以改变。
另一方面，在一些实施方式中，PMUT阵元12的形状可以是圆形、矩形、方形或多边形等。PMUT阵元12的阵列排布可以是矩形阵列排布、圆形阵列排布或其他形状排布，且PMUT阵元12的数量可以根据实际需求设置。
如图3所示，本实施例中，每个PMUT阵元12结构相同，且为薄膜结构，其中，上电极126和下电极124作为电极连接电路，既可以发射脉冲波激励阵元薄膜振动，也可以通过阵元薄膜振动转化为回波电压信号。
如图4所示，每个PMUT阵元12均可单独驱动，通过波束合成技术，PMUT阵元12经过延时驱动形成可偏转聚焦的波束，使PMUT阵元12在特定方向上发射或接收超声波，以对目标物进行探测。
在一些实施方式中，挡板13与PMUT阵元12之间可以通过晶圆键合的方式进行组合，或者通过3D打印技术进行结合，或者使用胶粘黏合。
本实施例中，挡板13可以覆盖在部分PMUT阵元发射超声波的一侧发射方向上，使得PMUT阵元12发射或接收超声波时，部分有挡板的PMUT阵元12其薄膜振动时只能在无挡板的一侧发射方向上发射超声波，以及接收薄膜的单侧回波信息；而剩余无挡板的PMUT阵元12其薄膜振动时可以同时在薄膜两侧发射方向上双向发射超声波，以及接收薄膜双侧的回波信息。
示范性地，如图1所示，挡板13可以覆盖在部分PMUT阵元12的背腔，即由PMUT阵元12的腔体121一侧发射超声波的发射方向上。设覆盖有挡板13的部分PMUT阵元12为A组PMUT阵元，剩余无挡板13覆盖的PMUT阵元12为B组PMUT阵元。此时，PMUT阵元12在发射和接收超声波时，A组PMUT阵元只能在其薄膜相对背腔的一侧发射方向上发射超声波信号或接收回波信号进行单侧目标物探测，B组PMUT阵元可以同时在其薄膜的两侧发射超声波或接收回波信号进行双侧目标物探测。
如图2所示，当挡板13覆盖于部分PMUT阵元12相对其背腔的一侧表面，即由PMUT阵元12的上电极126一侧发射超声波的发射方向上时，同样设覆盖有挡板13的部分PMUT阵元12为A组PMUT阵元，剩余无挡板13覆盖的PMUT阵元12为B组PMUT阵元。此时，PMUT阵元12在发射和接收超声波时，A组PMUT阵元只能在其薄膜背腔一侧发射超声波信号或接收回波信号进行单侧目标物探测，B组PMUT阵元可以同时在其薄膜的两侧发射超声波或接收回波信号进行双侧目标物探测。
如此，采用这种单侧探测和双侧探测相结合的方式，在增大PMUT阵元12在空中的探测范围的同时，通过将单侧探测的回波信号与双侧探测的回波信号进行对比，可以准确判断出目标物所在的方位，提高探测精度和探测效率。
需要说明的是，在本实施例中，挡板13的设置位置可以根据实际需要改变。
参图5，介绍本发明超声探测系统的一实施例，在该实施例中，该超声探测系统包括压电微机械超声波换能器1、超声波发射驱动单元2、超声波处理单元3、控制单元4以及存储单元5。
本实施例中的压电微机械超声波换能器1包括PMUT单元和挡板13，其中，PMUT单元包括形成于衬底11上的至少用于发射和接收超声波的PMUT阵元12，挡板13可以覆盖于部分PMUT阵元12发射超声波的一侧发射方向上。具体原理已在前文详细阐述，此处不再赘述。
超声波发射驱动单元2，与压电微机械超声波换能器1电性连接，用于驱动压电微机械超声波换能器1发送超声波信号。
在本实施例中，超声波发射驱动单元2主要包含电压驱动电路，由控制单元4读取存储单元5中已存储的特定频率、脉宽和延时的驱动信号后，经电压驱动电路产生一定幅值的发射脉冲波形，将该波形施加给压电微机械超声波换能器1，从而驱动压电微机械超声波换能器1发送超声波信号。
超声波处理单元3，与压电微机械超声波换能器1电性连接，用于处理压电微机械超声波换能器1接收的回波信号。
在本实施例中，超声波处理单元3主要集成了滤波、放大、波束合成等电路，用于处理PMUT阵元12的回波信号，并将处理后的回波信号反馈给控制单元4以及存储单元5，控制单元4可以根据回波信号判断是否存在目标物以及目标物所在的大致方位等。
控制单元4，分别与超声波发射驱动单元2和超声波处理单元3连接，用于基于驱动信号控制超声波发射驱动单元2和超声波处理单元3工作。
在本实施例中，控制单元4主要包含微控制器(MCU)或FPGA，其可以根据回波信号判断探测视场中是否存在目标物，在判断有目标物的情况下，可以通过回波的强度、多普勒频移、频谱特征和时间延时等信息，确定目标物的大小、速度、形状以及与目标物之间的距离等。同时控制单元4结合PMUT阵元12单侧探测的回波信号以及双侧探测的回波信号，可以更快速精确的判断出目标物的大致方位。
存储单元5，分别与控制单元4和超声波处理单元3连接，用于存储驱动信号以及超声波处理单元3反馈的回波信号。
本实施例中的超声探测系统的电路系统可采用板级电路，或专用集成电路等。
在实际应用中，该超声探测系统可以装载在外载移动设备(如遥控车、遥控无人机等)上。外载移动设备可以由远程遥控装置进行控制。且该超声探测系统的控制单元4与远程遥控装置通讯，远程遥控装置还可以包括显示单元，用以实时显示超声探测系统的探测情景。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (10)
1.一种压电微机械超声波换能器，其特征在于，包括：
PMUT单元，所述PMUT单元包括形成于衬底上的至少用于发射和接收超声波的PMUT阵元；和
挡板，所述挡板覆盖于部分所述PMUT阵元发射超声波的一侧发射方向上。
2.如权利要求1所述的压电微机械超声波换能器，其特征在于，所述PMUT阵元包括形成于所述衬底上的腔体以及覆盖于所述腔体上方的振膜，所述振膜包括依次层叠设置的支撑层、下电极、压电层和上电极。
3.如权利要求2所述的压电微机械超声波换能器，其特征在于，所述下电极的材料为钼、金、铂、铝或锡中的一种。
4.如权利要求2所述的压电微机械超声波换能器，其特征在于，所述上电极的材料为金、钼、铂、铝或锡中的一种。
5.如权利要求2所述的压电微机械超声波换能器，其特征在于，所述压电层的材料为掺钪的氮化铝、氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷。
6.如权利要求2所述的压电微机械超声波换能器，其特征在于，所述支撑层包括层叠设置的第一支撑层和第二支撑层，所述第一支撑层的材料为氧化硅，所述第二支撑层的材料为硅。
7.如权利要求1所述的压电微机械超声波换能器，其特征在于，所述衬底的材料为硅，所述挡板的材料为硅、钢或铝。
8.如权利要求1所述的压电微机械超声波换能器，其特征在于，所述PMUT阵元的形状为圆形、矩形、方形或多边形。
9.如权利要求1所述的压电微机械超声波换能器，其特征在于，所述挡板与PMUT阵元之间通过晶圆键合、或3D打印结合或胶粘黏合。
10.一种超声探测系统，其特征在于，包括：
权利要求1至9中任一项所述的压电微机械超声波换能器，至少用于发射和接收超声波；
超声波发射驱动单元，与所述压电微机械超声波换能器电性连接，用于驱动所述压电微机械超声波换能器发射超声波；
超声波处理单元，与所述压电微机械超声波换能器电性连接，用于处理所述压电微机械超声波换能器接收的回波信号；
控制单元，分别与所述超声波发射驱动单元和超声波处理单元连接，用于基于驱动信号控制所述超声波发射驱动单元和超声波处理单元工作；以及
存储单元，分别与所述控制单元和超声波处理单元连接，用于存储所述驱动信号以及所述超声波处理单元反馈的回波信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |