[实用新型]超声波飞行时间传感器

说明书

本实用新型提供一种超声波飞行时间传感器，包括空腔、弹性膜及激励层，所述空腔包括贯穿半导体衬底的洞体和与所述洞体衔接并嵌于所述半导体衬底表面的洞檐，所述弹性膜覆盖所述空腔，所述激励层设置于所述弹性膜的表面，所述激励层包括第一电极层和第二电极层以及设置于所述第一电极层和所述第二电极层之间的压电层；所述激励层接收外界激励信号带动所述弹性膜产生预设频率的机械振动而向空气中传播超声波信号。本实用新型提供的超声波飞行时间传感器中空腔包括贯穿半导体衬底的洞体和内嵌于半导体衬底表面的洞檐，避免刻蚀半导体衬底形成空腔时，空腔与弹性膜的边缘不规则导致的空腔尺寸的不准确性，进而保证了器件的谐振频率的均一性。

技术领域

本实用新型涉及超声波传感器领域，尤其涉及一种超声波飞行时间传感器。

背景技术

超声波传感器被广泛应用于消费电子、机器人、无人机，医疗仪器等领域，例如，可以测量距离，位置跟踪，人员检测，机器人避障，医疗成像等。作为电能和机械能相互转换的器件，超声换能器是超声传感器的重要组成部件。传统的超声换能器通常基于机械加工制成，因而具有体积较大，加工精度较低，加工成本较高，难以形成阵列结构等缺点。

压电微超声换能器(PMUT)由弹性膜、压电层及上下金属电极构成，利用弹性膜的弯曲振动模式发射和接收超声波，具有驱动电压低、输出阻抗低、发射接收效率兼顾等优点。压电微超声换能器可利用半导体的工艺进行制作，实现压电转换微超声换能器的微型化，因此可利于应用压电微超声换能器的超声波飞行时间传感器的小型化。

超声波飞行时间传感器可用于距离测量、位置追踪、无接触式识别和3D图像和形貌的无接触式检测和成像。相比于光学传感器或红外传感器，它具有诸多优势。它不易受外界环境的干扰，例如环境光的影响。这些优点均使得超声波飞行时间传感器的应用前景光明。

由于声波在空气中的衰减随着其频率的增加而增加，因此，为保证超声波飞行时间传感器所产生的超声波能发射至预期射程范围内，其工作频率一般在10khz～300khz以内。对应至这个工作频率范围内时，需要制作较大孔径的空腔，例如空腔的半径大约 5um～1mm之间，而空腔的制作通常是需要从晶圆底部进行深硅刻蚀，制作的超声波飞行时间传感器的空腔尺寸的精度很难保证，且在同一晶圆不同区域的空腔的孔径相差较大，造成同一晶圆上不同区域的超声波飞行时间传感器的谐振频率的差异较大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种超声波飞行时间传感器，以实现超声波飞行时间传感器的空腔与弹性膜的边缘的规则化，保证空腔尺寸的准确性，使器件的谐振频率一致性更好。

为实现上述目的，本实用新型提供一种超声波飞行时间传感器，所述超声波飞行时间传感器利用半导体工艺在半导体衬底制作，所述超声波飞行时间传感器包括：

空腔，贯穿所述半导体衬底，所述空腔由设置于半导体衬底内的洞体和与所述洞体衔接的洞檐构成，所述洞檐内嵌于所述半导体衬底表面；

弹性膜，覆盖所述空腔；以及

激励层，设置于所述弹性膜的表面；

其中，激励层包括第一电极层和第二电极层以及设置于所述第一电极层和所述第二电极层之间的压电层；所述激励层接收外界激励信号带动所述弹性膜产生预设频率的机械振动而向空气中传播超声波信号。

可选的，所述激励层中压电层图案化形成预设图案。

可选的，图案化后的所述压电层的主体部分围绕所述空腔的中部设置，所述压电层的分支部分自所述主体部分向所述空腔的边缘的方向延伸。

可选的，所述压电层的分支部分相对所述压电层的主体部分对称设置。

可选的，所述激励层中第一电极层和所述第二电极层图案化，图案化后的所述第一电极层和所述第二电极层形成的预设图案与所述压电层的图案大致相同。