[发明专利]具有亥姆霍兹谐振腔的MEMS超声定位传感器

说明书

一种MEMS超声定位传感器，包括：上层衬底(3)；亥姆霍兹谐振腔(2)，形成于上层衬底(3)内；压电式超声发射单元(9)，位于上层衬底(3)上，其上具有至少一个与亥姆霍兹谐振腔(2)连通的通孔(7)；超声接收单元(1)，位于亥姆霍兹谐振腔(2)底部；其中，亥姆霍兹谐振腔(2)的谐振频率与压电式超声发射单元(9)的谐振频率相同，超声接收单元(1)的谐振频率大于或等于压电式超声发射单元(9)的谐振频率。本公开的MEMS超声定位传感器，可以提高传感器的能量转换效率和避免传感器的串扰。

技术领域

本公开属于超声换能器技术领域，涉及具有亥姆霍兹谐振腔的MEMS超声定位传感器。

背景技术

位置传感器大致可以分为三类。(1)短距离工作的精细位置感应类型，如涡流、磁阻和霍尔效应传感器。这类传感器的优点是灵敏度高、抗干扰能力强，但是不适合远距离测量。(2)光学飞行时间和光学相干位置传感器，如激光干涉法、工学三角测量法等。优点是精度高，缺点是这类设备通常结构比较复杂，需要配备多个光学元件。(3)声或超声位置传感器。这类传感器中有一种压电声谐振腔(PSRC)位置传感器，其特点是具有亥姆霍兹谐振腔，利用亥姆霍兹谐振腔上方的压电堆栈层发出声波，然后通过亥姆霍兹谐振腔下方的声学传感器接收声波。其优点是分辨率高，但是测量距离较短，此外，器件尺寸较小时亥姆霍兹谐振腔的谐振频率与压电堆栈层的谐振频率很难匹配上，因此这类传感器的尺寸通常较大，并且工作时谐振频率较低，导致其在近距离分辨率较差。同时，为了达到最好的接收效果，接收传感器、发射换能器、亥姆霍兹谐振腔三者谐振频率通常被设置为一样，但此时在收发声波时会发生串扰现象。

发明内容

本公开的具有亥姆霍兹谐振腔的MEMS超声定位传感器，旨在提高传感器的能量转换效率和避免传感器的信号串扰。

根据本公开实施例的一方面，提供一种MEMS超声定位传感器，包括：

上层衬底；

亥姆霍兹谐振腔，形成于所述上层衬底内；

压电式超声发射单元，包括位于所述上层衬底上的压电叠层或压电双晶片，且所述压电叠层、所述压电双晶片上具有一个或多个与亥姆霍兹谐振腔连通的通孔；

超声接收单元，位于所述亥姆霍兹谐振腔底部；

其中，所述亥姆霍兹谐振腔的谐振频率与所述压电式超声发射单元的谐振频率相同，所述超声接收单元的谐振频率大于或等于所述压电式超声发射单元的谐振频率。

在上述的MEMS超声定位传感器，所述压电叠层包括设置在上层衬底上的第一下电极，设置在第一下电极上的第一压电层，设置在第一压电层上的第一上电极。

在上述的MEMS超声定位传感器，所述超声接收单元为压电式超声换能器或电容式超声换能器。

在上述的MEMS超声定位传感器，所述压电式超声接收单元包括：第二压电层，与所述上层衬底的底部键合；第二上电极，位于所述亥姆霍兹谐振腔内，且设置在所述第二压电层的上表面；第二下电极，键合在所述第二压电层的下表面；下层衬底，键合在所述第二下电极的下表面。

在上述的MEMS超声定位传感器，所述电容式超声接收单元包括：下层衬底，位于所述上层衬底下方；所述下层衬底上的SiO₂层；振膜，键合在所述上层衬底和所述下层衬底之间；第二上电极，位于所述亥姆霍兹谐振腔内，且设置在所述振膜上。