基于Helmholtz共振腔的可调频声波接收装置
阅读说明：本技术 基于Helmholtz共振腔的可调频声波接收装置 (Frequency-adjustable sound wave receiving device based on Helmholtz resonant cavity ) 是由 孙成亮 王磊 吴志鹏 朱伟 胡博豪 林炳辉 周禹 于 2019-08-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于Helmholtz共振腔的可调频声波接收装置,包括Helmholtz共振腔和声学传感器,所述Helmholtz共振腔包括腔体以及与所述腔体连通的通孔,所述Helmholtz共振腔设置在所述声学传感器上且所述腔体与所述声学传感器的表面接触连接。本发明将MEMS声学传感器和Helmholtz共振腔相结合,灵敏度高,能够提高超声换能器的电声能量转换效率。(The invention relates to a frequency-adjustable sound wave receiving device based on a Helmholtz resonant cavity, which comprises the Helmholtz resonant cavity and an acoustic sensor, wherein the Helmholtz resonant cavity comprises a cavity body and a through hole communicated with the cavity body, the Helmholtz resonant cavity is arranged on the acoustic sensor, and the cavity body is in contact connection with the surface of the acoustic sensor. The invention combines the MEMS acoustic sensor with the Helmholtz resonant cavity, has high sensitivity and can improve the electro-acoustic energy conversion efficiency of the ultrasonic transducer.)
技术领域
本发明涉及传感器的技术领域，具体涉及一种基于Helmholtz共振腔的可调频声波接收装置。
背景技术
超声换能器是既可以用来发射又可以用来接收超声波的换能元件，是声学传感器的核心。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。目前应用最广的超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超声波，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超声换能器。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超声换能器(MEMS超声换能器)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超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，超声波传感器的技术有转向MEMS超声换能器的趋势。MEMS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。
专利CN109196671A公开了一种压电式微加工超声换能器(pMUT)，其通过在换能器上增加高声速材料产生高频来减少声学衍射。该PMUT具有低品质因数，从而提供较短的启动和关闭时间，以使得能够通过时间选通更好地抑制寄生反射。专利CN107394036A公开了一种pMUT及pMUT换能器阵列的电极配置，其通过在上电极中使用双电极或多电极，通过对不同电极施加相同或不同的电信号，从而使得换能器具有不同的动作方式。专利CN106660074A公开了一种压电超声换能器及工艺，其通过使用锚定结构和机械层来构成空腔，通过机械层来调节堆叠层的中轴线的位置，从而允许堆叠层弯曲振动，通过使用凹部来调节谐振频率、品质因子Q等参数。总体来说，目前对pMUT的改进主要是针对其电极形状、在外面增加材料等，但其对提高pMUT能量转换效率作用有限。综上所述，目前超声换能器的灵敏度不高，传输声压较小，在很大程度上限制了其应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Helmholtz共振腔的可调频声波接收装置，该声波接收装置灵敏度高，能够提高超声换能器的电声能量转换效率。
本发明解决上述技术问题所采用的方案是：
一种基于Helmholtz共振腔的可调频声波接收装置，包括Helmholtz共振腔和声学传感器，所述Helmholtz共振腔包括腔体以及与所述腔体连通的通孔，所述Helmholtz共振腔设置在所述声学传感器上且所述腔体与所述声学传感器的表面接触连接。
进一步地，所述腔体由设置在所述声学传感器表面上的空心硅结构与所述声学传感器的表面围合形成，所述通孔设置在所述硅结构上。
进一步地，所述通孔的大小、数量、形状以及位置由所述Helmholtz共振腔的谐振频率决定。
进一步地，所述声学传感器为压电式超声换能器或电容式超声换能器。
进一步地，所述压电式超声换能器为三明治结构或者双压电晶片结构。
进一步地，三明治结构的所述压电式超声换能器包括基材、依次沉积在所述基材上的底电极、压电层、顶电极、绝缘层以及从所述顶电极上引出的第一电极和第二电极，所述Helmholtz共振腔设置在所述绝缘层上。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1)本发明将MEMS声学传感器和Helmholtz共振腔相结合；MEMS声学传感器接收声波时，当声波的频率与Helmholtz共振腔谐振频率一致，声波传播至孔口引起腔体内媒质共振消耗共振频率的声波能量从而引起腔体内声压增大，声压作用在传感器表面使其振动；Helmholtz共振腔的谐振频率与MEMS声学传感器的谐振频率可相同也可不相同；MEMS声学传感器采用MEMS压电式或电容式超声换能器时，当MEMS超声换能器谐振频率与Helmholtz共振腔谐振频率一致时，会增加换能器振动的振幅，从而提高超声换能器的电声能量转换效率；MEMS声学传感器与Helmholtz共振腔的谐振频率不相同时，但由于Helmholtz共振腔对声压的放大，作用于MEMS声学传感器的声压很大，仍能产生较大的振幅；总的来说，可以增大MEMS声学传感器的产生的信号；
2)本发明中硅结构开孔的大小形状和位置的不同可以实现对Helmholtz共振腔谐振频率的调节，从而调节声波接收装置的工作频率。
附图说明
图1是本发明一个
具体实施方式
的声波接收装置的截面图；
图2是本发明另一个具体实施方式的采用三明治结构的压电换能器的声波接收装置的截面图；
图3是本发明另一个具体实施方式的采用双压电晶片结构的压电换能器的声波接收装置的截面图；
图4是本发明另一个具体实施方式的采用电容式超声换能器时的截面图和俯视图；
图5是本发明实施例采用压电换能器中的三明治结构加工时的CSOI晶片上沉积底电极的结构图；
图6是本发明实施例采用压电换能器中的三明治结构加工时的CSOI晶片上沉积叠层结构的结构图；
图7是本发明实施例采用压电换能器中的三明治结构时的加工步骤S3的成型结构图；
图8是本发明实施例采用压电换能器中的三明治结构时的加工步骤S4的成型结构图；
图9是本发明实施例采用压电换能器中的三明治结构时的加工步骤S6完成的声波接收装置结构示意图。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
本发明提供一种基于Helmholtz共振腔的可调频声波接收装置，包括Helmholtz共振腔2和MEMS声学传感器1。Helmholtz共振腔2设置在MEMS声学传感器1上。Helmholtz共振腔2包括设置在MEMS声学传感器1的表面上的空心硅结构20、由空心硅结构20与MEMS声学传感器2的表面所形成的腔体21以及设置在硅结构20上且与腔体21连通的通孔22。该通孔22将外界大气与腔体21联通，从而便于声波的传播和共振。此外，腔体21与MEMS声学传感器1的表面接触连接，可以使Helmholtz共振腔2放大的声压直接作用于MEMS声学传感器1上，有利于提高声学传感器的声电能量转换效率。
该声波接收装置中MEMS声学传感器1用于接收Helmholtz共振腔2共振时腔体21内的声波，可以将MEMS声学传感器1的谐振频率与Helmholtz共振腔2的谐振频率设置为相同，这样会增加MEMS声学传感器1振动的振幅，从而提高MEMS声学传感器1的电声能量转换效率。当然，MEMS声学传感器1的谐振频率与Helmholtz共振腔2的谐振频率也可以不相同。当MEMS声学传感器1与Helmholtz共振腔2的谐振频率不相同时，但由于Helmholtz共振腔2对声压的放大，其直接作用于MEMS声学传感器1的声压依然很大，仍能产生较大的振幅。总的来说，该结构可以增大MEMS声学传感器1的产生的信号。
根据Helmholtz共振腔谐振频率公式：
式中，c为介质中的声速，S为通孔面积，t为通孔高度，d为通孔直径，V为腔体容积。基于上述公式，我们可以通过调节通孔22的大小、数量、形状以及布置位置以实现对Helmholtz共振腔2谐振频率的调节，从而调节该声波接收装置的工作频率。也就是在实际使用中，根据需要的Helmholtz共振腔2的谐振频率来确定通孔22的大小、数量、形状以及布置位置。
此外，本发明中的MEMS声学传感器1可以为多种形式，如图2、图3以及图4共同所示，MEMS声学传感器1既可以为压电式超声换能器也可以是电容式超声换能器，或者其他形式的超声换能器均可。当MEMS声学传感器2为压电式超声换能器时，其采用传统三明治结构或者双压电晶片结构均可。当然，MEMS声学传感器1的形状也可为多种形式，比如圆形，正方形，矩形，六边形或其他多边形。
为了进一步说明说明本发明中的声波接收装置，如图5-9所示，本发明提供一种当MEMS声学传感器为三明治结构的压电换能器时的声波接收装置的制备过程，具体如下：
S1：在一张CSOI晶片10上进行CMP，将CSOI晶片10上硅层打磨至设计尺寸；
S2：在打磨后的CSOI晶片10上依次沉积底电极11、压电层12、顶电极13以在CSOI晶片10上沉积形成叠层结构；
S3：在沉积完叠层结构的CSOI晶片10上沉积一层SiO2绝缘层14用于与硅结构20结合以及引出电极；
S4：从顶电极13的两侧分别引出第一金电极15和第二金电极16；
S5：将叠层结构和空心的硅结构20键合；
S6：在空心的硅结构20上刻蚀通孔22，释放结构以在MEMS声学传感器1形成Helmholtz共振腔2。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。