[发明专利]一种可调谐的超声传感器阵列

说明书

本发明公开了一种可调谐的超声传感器阵列，包括超声发射单元和超声接收单元，超声发射单元为具有亥姆霍兹谐振腔的压电微制造超声换能器；超声接收单元为带质量负载的压电微制造超声换能器，超声发射单元利用压电叠层激励亥姆霍兹谐振腔辐射声波；通过调节质量负载可以对超声换能器进行调谐，从而使得接收单元的谐振频率和发射单元亥姆霍兹谐振腔的谐振频率一致；超声发射单元和超声接收单元于同一片晶片上加工，其压电叠层厚度一致。本发明的超声发射单元采用亥姆霍兹谐振腔可以对声波起到放大作用，超声接收单元采用的质量负载压电微制造超声换能器能对超声换能器进行调谐并提高接收灵敏度，两者结合的阵列能提高发射和接收声波的能量转换效率。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种可调谐的超声传感器阵列。

背景技术

压电声换能器是既可以用来发射又可以用来接收声波的换能元件。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。其而微加工技术制作的声换能器(MEMS声换能器)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，声传感器的技术有转向MEMS声换能器的趋势。MEMS声换能器主要有超声换能器、麦克风、水听器等类型。其中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。

目前对于PMUT的研究主要集中在提升单个PMUT的性能，如指向性、灵敏度、输出声压级等，此外对PMUT阵列也有研究，主要集中在研究PMUT阵列发射声波的指向性，对PMUT传感器的调谐和PMUT传感器阵列的调谐的研究很少。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种可调谐的超声传感器阵列，通过对发射单元和接收单元的频率进行调节，使得它们的谐振频率一致，从而实现发射单元和接收单元在同一晶片上的集成，可以减小阵列的尺寸，同时可以提高PMUT阵列的接收和发射的能量转换效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种可调谐的超声传感器阵列，该阵列包括：超声发射单元和超声接收单元，超声发射单元和超声接收单元均由上至下依次排列设置有压电叠层和衬底；超声发射单元和超声接收单元于同一片晶体上加工，其压电叠层厚度一致；超声发射单元和超声接收单元的衬底内均设置有腔体；其中：

超声发射单元为具有亥姆霍兹谐振腔的压电微制造超声换能器，超声发射单元利用压电叠层激励亥姆霍兹谐振腔辐射声波；超声接收单元为带质量负载的压电微制造超声换能器，其质量负载设置在超声接收单元下方的腔体内；超声发射单元的亥姆霍兹谐振腔的谐振频率低于其压电叠层的谐振频率；超声接收单元在质量负载的调谐作用下，谐振频率低于超声发射单元的压电叠层的谐振频率，但亥姆霍兹谐振腔的谐振频率小于或等于超声接收单元的谐振频率。

进一步地，本发明的超声发射单元内的腔体为采用空心硅结构围成的第一腔体；贯穿超声发射单元的压电叠层的位置设置有孔口，超声发射单元的亥姆霍兹谐振腔由第一腔体和连接第一腔体与外界空气的孔口组成；超声发射单元的压电叠层推动亥姆霍兹谐振腔内空气的流动，引起亥姆霍兹谐振腔的振动，然后通过孔口发射声波。