[發明專利]一種可調諧的超聲傳感器陣列

有效

• 申請號: 201911308045.4
• 申請日: 2019-12-18
• 公開（公告）號: CN111001553B
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發明（設計）人: 孫成亮;朱偉;吳志鵬;王磊
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 劉琰

本發明公開了一種可調諧的超聲傳感器陣列，包括超聲發射單元和超聲接收單元，超聲發射單元為具有亥姆霍茲諧振腔的壓電微制造超聲換能器；超聲接收單元為帶質量負載的壓電微制造超聲換能器，超聲發射單元利用壓電疊層激勵亥姆霍茲諧振腔輻射聲波；通過調節質量負載可以對超聲換能器進行調諧，從而使得接收單元的諧振頻率和發射單元亥姆霍茲諧振腔的諧振頻率一致；超聲發射單元和超聲接收單元于同一片晶片上加工，其壓電疊層厚度一致。本發明的超聲發射單元采用亥姆霍茲諧振腔可以對聲波起到放大作用，超聲接收單元采用的質量負載壓電微制造超聲換能器能對超聲換能器進行調諧并提高接收靈敏度，兩者結合的陣列能提高發射和接收聲波的能量轉換效率。

技術領域

本發明涉及傳感器技術領域，尤其涉及一種可調諧的超聲傳感器陣列。

背景技術

壓電聲換能器是既可以用來發射又可以用來接收聲波的換能元件。當工作在發射模式時，電能通過靜電力或逆壓電效應轉換為換能器的振動從而向外輻射聲波；工作在接收模式時，聲壓作用在換能器表面使其振動，換能器再將振動轉換為電信號。目前應用最廣的聲波傳感器主要基于體壓電換能器，體壓電換能器主要利用壓電陶瓷的厚度振動模式產生聲波，由于厚度模式的諧振頻率只與換能器的厚度相關，在同一平面上很難制作不同諧振頻率的聲換能器。當其應用于高頻時，厚度需要控制在亞微米級精度，其加工難度較高。其而微加工技術制作的聲換能器(MEMS聲換能器)振動在彎曲模式，具有剛度較低的振動薄膜，其聲阻抗較小，能夠更好地與氣體與液體進行耦合。并且其諧振頻率通過平面內尺寸控制，對加工精度要求較小。隨著MEMS聲換能器技術的逐漸成熟，由于其兼具高性能、低成本、容易實現大規模生產的優點，聲傳感器的技術有轉向MEMS聲換能器的趨勢。MEMS聲換能器主要有超聲換能器、麥克風、水聽器等類型。其中超聲換能器主要分兩種電容式(cMUT)和壓電式(pMUT)，pMUT較cMUT靈敏度稍低，但cMUT需要提供偏置電壓并且電容極板間有細微的氣隙，容易形成粘連，pMUT具有結構簡單、換能材料換能效率高的優點，但其制作較復雜。

目前對于PMUT的研究主要集中在提升單個PMUT的性能，如指向性、靈敏度、輸出聲壓級等，此外對PMUT陣列也有研究，主要集中在研究PMUT陣列發射聲波的指向性，對PMUT傳感器的調諧和PMUT傳感器陣列的調諧的研究很少。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于針對現有技術中的缺陷，提供一種可調諧的超聲傳感器陣列，通過對發射單元和接收單元的頻率進行調節，使得它們的諧振頻率一致，從而實現發射單元和接收單元在同一晶片上的集成，可以減小陣列的尺寸，同時可以提高PMUT陣列的接收和發射的能量轉換效率。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

本發明提供一種可調諧的超聲傳感器陣列，該陣列包括：超聲發射單元和超聲接收單元，超聲發射單元和超聲接收單元均由上至下依次排列設置有壓電疊層和襯底；超聲發射單元和超聲接收單元于同一片晶體上加工，其壓電疊層厚度一致；超聲發射單元和超聲接收單元的襯底內均設置有腔體；其中：

超聲發射單元為具有亥姆霍茲諧振腔的壓電微制造超聲換能器，超聲發射單元利用壓電疊層激勵亥姆霍茲諧振腔輻射聲波；超聲接收單元為帶質量負載的壓電微制造超聲換能器，其質量負載設置在超聲接收單元下方的腔體內；超聲發射單元的亥姆霍茲諧振腔的諧振頻率低于其壓電疊層的諧振頻率；超聲接收單元在質量負載的調諧作用下，諧振頻率低于超聲發射單元的壓電疊層的諧振頻率，但亥姆霍茲諧振腔的諧振頻率小于或等于超聲接收單元的諧振頻率。

進一步地，本發明的超聲發射單元內的腔體為采用空心硅結構圍成的第一腔體；貫穿超聲發射單元的壓電疊層的位置設置有孔口，超聲發射單元的亥姆霍茲諧振腔由第一腔體和連接第一腔體與外界空氣的孔口組成；超聲發射單元的壓電疊層推動亥姆霍茲諧振腔內空氣的流動，引起亥姆霍茲諧振腔的振動，然后通過孔口發射聲波。