CN218037330U - 一种具有吸声结构的超声波传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具有吸声结构的超声波传感器，所述超声波传感器包括：MEMS芯片，具有一前腔和一背腔；第一晶圆，具有至少一个声孔，所述第一晶圆设置于所述MEMS芯片上，且所述第一晶圆位于所述MEMS芯片的背腔；以及吸声结构，设置于所述第一晶圆上，且所述吸声结构位于所述第一晶圆远离所述MEMS芯片的一侧。本实用新型提供一种具有吸声结构的超声波传感器，可以有效的吸收背腔内的超声波，从而减小超声波传感器的盲区时间。

Description

一种具有吸声结构的超声波传感器

技术领域

本实用新型涉及超声波传感器技术领域，尤其涉及一种具有吸声结构的超声波传感器。

背景技术

MEMS芯片是通过半导体刻蚀工艺加工而成的，而对MEMS芯片施加一定频率的激励电压，振膜会上下振动产生超声波，振膜前后的超声波频率相同，相位相反，如果MEMS芯片背腔内的超声波不做处理的话，超声波会在背腔内发射叠加，对振膜产生反作用力，增大MEMS超声波传感器的盲区时间，直接影响测距性能，所以如何去除背腔内的超声波就显得尤为重要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种具有吸声结构的超声波传感器，在MEMS芯片的背腔处设置吸声结构，可以有效的吸收MEMS芯片背腔内的超声波，减少MEMS芯片背腔内超声波对振膜的反作用，从而减小超声波传感器的盲区时间。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：

本实用新型提供一种具有吸声结构的超声波传感器，所述超声波传感器包括：

MEMS芯片，具有一前腔和一背腔；

第一晶圆，具有至少一个声孔，所述第一晶圆设置于所述MEMS芯片上，且所述第一晶圆位于所述MEMS芯片的背腔；以及

吸声结构，设置于所述第一晶圆上，且所述吸声结构位于所述第一晶圆远离所述MEMS芯片的一侧。

在本实用新型的一个实施例中，所述吸声结构包括：

第二晶圆，具有至少一个腔体和至少一个声孔，所述第二晶圆设置于所述第一晶圆上远离所述MEMS芯片的一侧；以及

第三晶圆，具有至少一个腔体，所述第三晶圆设置于所述第二晶圆上远离所述第一晶圆的一侧。

在本实用新型的一个实施例中，所述吸声结构包括第四晶圆，具有至少一个腔体，所述第四晶圆设置于所述第一晶圆上远离所述MEMS芯片的一侧。

在本实用新型的一个实施例中，所述超声波传感器还包括摩擦材料层，所述摩擦材料层位于所述第一晶圆的表面、所述声孔的内壁以及所述腔体的内壁。

在本实用新型的一个实施例中，所述超声波传感器还包括金属键合层，所述金属键合层位于所述MEMS芯片与所述第一晶圆的连接处以及所述第一晶圆与所述吸声结构的连接处。

在本实用新型的一个实施例中，所述金属键合层包括第一图形化层，所述第一图形化层设置于所述MEMS芯片上与所述第一晶圆的连接处以及所述第一晶圆上与所述吸声结构的连接处。

在本实用新型的一个实施例中，所述金属键合层还包括第二图形化层，所述第二图形化层设置于所述第一晶圆上与所述MEMS芯片的连接处以及所述吸声结构上与所述第一晶圆的连接处。

综上所述，本实用新型提供一种具有吸声结构的超声波传感器，该超声波传感器将吸声结构安装于MEMS芯片的背腔处，当MEMS芯片的背腔处发出超声波时，超声波由声孔处进入吸声结构，由吸声结构将超声波进行吸收，可以有效的吸收背腔内的超声波，减少背腔内超声波对振膜的反作用，从而减小超声波传感器的盲区时间。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型超声波传感器一个实施例的结构示意图；

图2是本实用新型图1的结构爆炸图；

图3是本实用新型图1的内部结构示意图；

图4是本实用新型超声波传感器一个实施例的结构示意图；

图5是本实用新型图4的内部结构示意图；

图6是本实用新型超声波传感器一个实施例的结构示意图；

图7是本实用新型图6的内部结构示意图；

图8是本实用新型一个实施例中第一晶圆和吸声结构的爆炸图；

图9是本实用新型一个实施例中第一晶圆和吸声结构的爆炸图；

图10是本实用新型一个实施例中第一晶圆和吸声结构的爆炸图；

图11是本实用新型一个实施例中第一晶圆和吸声结构的爆炸图；

图12是本实用新型一个实施例中第一晶圆和吸声结构的爆炸图；

图13是本实用新型一个实施例中第一晶圆和吸声结构的爆炸图；

图14是本实用新型的MEMS芯片加吸声结构前对盲区的测试结果图；

图15是本实用新型的MEMS芯片加吸声结构后对盲区的测试结果图。

图中标号说明：10-MEMS芯片、101-上电极层、102-硅层、103-下电极层、104-压电层、20-第一晶圆、30-吸声结构、301-第二晶圆、302-第三晶圆、303-声孔、304-第四晶圆、305-腔体、40-金属键合层、50-摩擦材料层。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。

需要说明的是，本申请中的晶圆可以为单晶硅，也可以为多晶硅，还可以为其它种类的硅类，图14和图15中的板子为测试时的障碍物。

请参阅图1至图7，本实用新型提供一种具有吸声结构的超声波传感器，该超声波传感器在MEMS芯片10的背腔处设置吸声结构30，可以有效的吸收MEMS芯片10背腔内的超声波，减少MEMS芯片10背腔内超声波对振膜的反作用，从而减小超声波传感器的盲区时间。具体的，在本实用新型的一个实施例中，该超声波传感器包括MEMS芯片10、第一晶圆20和吸声结构30，MEMS芯片10具有一前腔和一背腔。MEMS芯片10包括硅层102、下电极层103、压电层104和上电极层101，下电极层103设置于硅层102上，且下电极层103位于MEMS芯片10的前腔，压电层104设置于下电极层103 上远离硅层102的一侧。上电极层101位于压电层104上远离下电极层103 的一侧。

请参阅图1至图7，在本实用新型的一个实施例中，该超声波传感器还包括第一晶圆20，具有至少一个声孔303，第一晶圆20设置于MEMS芯片 10上，且第一晶圆20位于MEMS芯片10的背腔。第一晶圆20与MEMS芯片 10之间可以是通过金属键合形成金属键合层40的方式连接，金属键合层包括第一图形化层和第二图形化层，第一图形化层设置于MEMS芯片上与第一晶圆的连接处，第二图形化层设置于第一晶圆上与MEMS芯片的连接处，对第一图形化层和第二图形化层进行加压加温，形成金属键合层40。具体的，金属键合层40例如可以是金-锡键合，也可以是铟-锡键合，然不限于此。如图8至图13所示，本申请对声孔303的排布方式也不加以限定，在本实用新型的一个实施例中，声孔303可以是单个均匀排布于第一晶圆20上，也可以是由多个单独的声孔303组成声孔组排布于第一晶圆20上。声孔303 可以为圆形孔，然不限于此。

请参阅图1至图3、图12，在本实用新型的一个实施例中，该超声波传感器还包括吸声结构30，吸声结构30设置于第一晶圆20上，且吸声结构30位于第一晶圆20远离MEMS芯片10的一侧。吸声结构30与第一晶圆 20之间也可以是通过金属键合形成金属键合层40的方式连接的，金属键合层包括第一图形化层和第二图形化层，第一图形化层设置于第一晶圆上与吸声结构的连接处，第二图形化层设置于吸声结构上与第一晶圆的连接处，对第一图形化层和第二图形化层进行加压加温，形成金属键合层40。金属键合层40例如可以是金-锡键合，也可以是铟-锡键合，然不限于此。本申请对吸声结构30的具体结构不加以限定，在本实用新型的一个实施例中，吸声结构30可以由一个第二晶圆301和一个第三晶圆302组成，第二晶圆 301具有至少一个声孔303和至少一个腔体305，第二晶圆303设置于第一晶圆20上位于远离MEMS芯片10的一侧。第二晶圆301与第一晶圆20之间也可以是通过金属键合形成金属键合层40的方式连接的，金属键合层40 例如可以是金-锡键合，也可以是铟-锡键合，然不限于此。本申请对第二晶圆301上的声孔303的形状也不加以限定，在本实用新型的一个实施例中，声孔303可以为圆形，也可以为方形，还可以为楔形。第三晶圆302 具有至少一个腔体305，第三晶圆302设置于第二晶圆301上远离第一晶圆 20的一侧。第三晶圆301与第二晶圆301之间也可以是通过金属键合形成金属键合层40的方式连接的，金属键合层40例如可以是金-锡键合，也可以是铟-锡键合，然不限于此。MEMS芯片10背腔处传出的超声波，可经由声孔303进入第二晶圆301内，由第二晶圆301内的腔体305进行一次吸收后，第二晶圆301内残余的超声波再由第二晶圆301上的声孔303处进入第三晶圆302内，由第三晶圆302内的腔体305进行二次吸收，减少背腔内超声波对振膜的反作用，从而减小超声波传感器的盲区时间。第二晶圆301和第三晶圆302的共振频率可以由公式

计算，其中， L为第二晶圆301或第三晶圆302的高度、t为第一晶圆20或第二晶圆301 的厚度、d为声孔303的孔径、S为第一晶圆20或第二晶圆301的面积，n 为声孔303的数量。当第二晶圆301或第三晶圆302发生共振时即第二晶圆301或第三晶圆302的共振频率与超声波传感器的超声波的共振频率一致时，吸声系数达到最大值，此时吸声系数

xs与声孔303的声阻成正比关系。

请参阅图4至图11、图13，在本实用新型的一个实施例中，吸声结构 30还可以由第四晶圆304组成，第四晶圆304具有至少一个腔体305，第四晶圆304设置于第一晶圆20上位于远离MEMS芯片10的一侧。第四晶圆 304与第一晶圆20之间也可以是通过金属键合形成金属键合层40的方式连接的，金属键合层40例如可以是金-锡键合，也可以是铟-锡键合，然不限于此。本申请对腔体的形状也不加以限定，在本实用新型的一个实施例中，腔体305可以为方形的，也可以为圆形的。MEMS芯片10背腔处传出的超声波，可经由声孔303处进入第四晶圆304内，由第四晶圆304内的腔体305 进行吸收，减少背腔内超声波对振膜的反作用，从而减小超声波传感器的盲区时间。

请参阅图2、图3、图5和图7，在本实用新型的一个实施例中，该超声波传感器还包括摩擦材料层50，摩擦材料层50位于声孔303的内壁、第一晶圆20的表面和吸声结构30的内壁上。摩擦材料层50为薄膜层，本申请对摩擦材料层50的具体种类不加以限定，在本实用新型的一个实施例中，摩擦材料层50可以为金属氧化物薄膜，也可以为聚四氟乙烯薄膜，还可以为PDMS薄膜。摩擦材料层50可以进一步加大超声波在吸声结构30内的摩擦，从而将声能转化为热能，增强吸声结构30的吸声效果。摩擦材料层50 的厚度根据所选用的摩擦材料种类的不同而不同，摩擦材料层50的厚度可以为0.1-50um，例如可以为0.8um、10um、20um、35um或50um。

请参阅图14和图15，对MEMS芯片10加上吸声结构30前和加上吸声结构30后的盲区进行检测，可以看出，MEMS芯片10加上吸声结构30前的盲区距离为80cm，MEMS芯片10加上吸声结构30结构后的盲区距离为25cm，由于超声波的传播速率一定，故MEMS芯片10加上吸声结构30后可以有效的减小超声波传感器的盲区时间。

综上所述，本实用新型提供一种具有吸声结构的超声波传感器，该超声波传感器将吸声结构安装于MEMS芯片的背腔处，当MEMS芯片的背腔处发出超声波时，超声波由声孔处进入吸声结构，由吸声结构将超声波进行吸收，可以有效的吸收背腔内的超声波，减少背腔内超声波对振膜的反作用，从而减小超声波传感器的盲区时间。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。

Claims (7)

1.一种具有吸声结构的超声波传感器，其特征在于，所述超声波传感器包括：

MEMS芯片，具有一前腔和一背腔；

第一晶圆，具有至少一个声孔，所述第一晶圆设置于所述MEMS芯片上，且所述第一晶圆位于所述MEMS芯片的背腔；以及

吸声结构，设置于所述第一晶圆上，且所述吸声结构位于所述第一晶圆远离所述MEMS芯片的一侧。

2.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述吸声结构包括：

第二晶圆，具有至少一个腔体和至少一个声孔，所述第二晶圆设置于所述第一晶圆上远离所述MEMS芯片的一侧；以及

第三晶圆，具有至少一个腔体，所述第三晶圆设置于所述第二晶圆上远离所述第一晶圆的一侧。

3.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述吸声结构包括第四晶圆，具有至少一个腔体，所述第四晶圆设置于所述第一晶圆上远离所述MEMS芯片的一侧。

4.根据权利要求2或3所述的超声波传感器，其特征在于，所述超声波传感器还包括摩擦材料层，所述摩擦材料层位于所述第一晶圆的表面、所述声孔的内壁以及所述腔体的内壁。

5.根据权利要求4所述的超声波传感器，其特征在于，所述超声波传感器还包括金属键合层，所述金属键合层位于所述MEMS芯片与所述第一晶圆的连接处以及所述第一晶圆与所述吸声结构的连接处。

6.根据权利要求5所述的超声波传感器，其特征在于，所述金属键合层包括第一图形化层，所述第一图形化层设置于所述MEMS芯片上与所述第一晶圆的连接处以及所述第一晶圆上与所述吸声结构的连接处。

7.根据权利要求5所述的超声波传感器，其特征在于，所述金属键合层还包括第二图形化层，所述第二图形化层设置于所述第一晶圆上与所述MEMS芯片的连接处以及所述吸声结构上与所述第一晶圆的连接处。

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