阅读说明：本技术 基于Helmholtz共振腔的可调频超声传感器阵列 (Frequency-adjustable ultrasonic sensor array 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共振腔的可调频超声传感器阵列,包括基材、布设于所述基材上的超声发射装置和声波接收装置,所述声波接收装置包括声学传感器以及设置在所述声学传感器上的Helmholtz共振腔。本发明将超声发射装置和接收装置布置在同一个晶片上,超声发射装置中的声学传感器和声波接收装置中的Helmholtz共振腔的共振频率一致,声波接收装置中声学传感器的共振频率高于或低于前两者的共振频率,可以避免阵列单元之间的串扰。(The invention relates to a frequency-adjustable ultrasonic sensor array based on a Helmholtz resonant cavity, which comprises a substrate, an ultrasonic transmitting device and a sound wave receiving device, wherein the ultrasonic transmitting device and the sound wave receiving device are arranged on the substrate, and the sound wave receiving device comprises an acoustic sensor and the Helmholtz resonant cavity arranged on the acoustic sensor. According to the invention, the ultrasonic transmitting device and the ultrasonic receiving device are arranged on the same wafer, the resonance frequencies of the acoustic sensor in the ultrasonic transmitting device and the Helmholtz resonant cavity in the acoustic wave receiving device are consistent, and the resonance frequency of the acoustic sensor in the acoustic wave receiving device is higher or lower than the resonance frequencies of the acoustic sensor and the Helmholtz resonant cavity, so that crosstalk between array units can be avoided.)

基于Helmholtz共振腔的可调频超声传感器阵列

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共振腔的可调频超声传感器阵列。

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。

专利CN103240220B公开了一种压电式阵列超声换能器，采用共下电极和阵列式上电极的设置方式，使各阵元底部的振动膜和压电薄膜具有相同或不同的厚度，从而阵元即可以在相同又可以在不同的工作频率下工作。专利CN108284054A公开了一种压电陶瓷超声线性相控阵列换能器及其制备方法，通过阵列切割、减薄、微加工电极沉积、图形化工艺等技术制备了分辨率高、探测深度大的换能器阵列。目前传感器阵列存在严重的串扰问题，因发射端和接收端传感器的共振频率相近，因此在发射超声波时接收端不可避免地会产生干扰电信号，使传感器阵列的性能受到影响；此外，阵列中每个阵元都在相同的工作频率下工作，其带宽较窄，而且传感器阵列的灵敏度也有待提高。

总的来说，传感器阵列接收单元存在灵敏度低、声电能量转换效率低、频率不可调节等缺点且传感器阵列存在串扰严重、宽带窄等局限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Helmholtz共振腔的可调频超声传感器阵列，该传感器阵列灵敏度高、声电能量转换效率高且能避免阵列单元之间的串扰。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：

一种基于Helmholtz共振腔的可调频超声传感器阵列，包括基材、布设于所述基材上的超声发射装置和声波接收装置，所述声波接收装置包括声学传感器以及设置在所述声学传感器上的Helmholtz共振腔。

进一步地，所述超声发射装置的共振频率与所述Helmholtz共振腔的共振频率一致，所述声波接收装置中的所述声学传感器的共振频率与所述超声发射装置、所述Helmholtz共振腔的共振频率不同。

进一步地，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共振腔的共振频率决定。

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。

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共振腔相结合作为阵列的声波接收单元；声波接收装置在接收发射回波时，可以事先设置声波的频率与Helmholtz共振腔共振频率一致，声波传播至通孔处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，提高作用在MEMS声学传感器表面的声压，从而增大MEMS声学传感器产生的电信号；

2)本发明通过对开设在硅结构上的通孔的大小形状和位置的调节从而实现对Helmholtz共振腔的共振频率的调节；

3)本发明中超声发射装置和声波接收装置布置在同一个晶片上，超声发射装置中的声学传感器和声波接收装置中的Helmholtz共振腔的共振频率一致，而声波接收装置中声学传感器的共振频率高于或低于前两者的共振频率，这样可以避免阵列单元之间的串扰。

附图说明

图1为本发明实施例阵列结构的截面图，图中只布置一个发射单元和一个接收单元；

图2为本发明实施例阵列的一种布置方式；

图3为本发明实施例接收单元采用三明治结构时的截面图；

图4为本发明实施例接收单元采用三明治结构引出电极时的截面图；

图5为本发明实施例接收单元采用双压电晶片引出电极时的截面图；

图6为本发明实施例接收单元采用电容式超声换能器时的截面图。

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。

见图1和图2本发明提供一种基于Helmholtz共振腔的可调频超声传感器阵列，包括基材1、布设于基材1上的超声发射装置2和声波接收装置3。在本实施例中，超声发射装置2和声波接收装置3布设于同一晶片上，两者可以采取任意的布置方式，且两者的数量、间距和排列都可以根据具体情况进行选择。超声发射装置2选择也比较灵活，可为压电式超声换能器或电容式超声换能器等。声波接收装置3包括MEMS声学传感器30以及设置在MEMS声学传感器30上的Helmholtz共振腔31，其中，MEMS声学传感器30是用于接收Helmholtz共振腔31共振时产生的声压。该MEMS声学传感器30也可以为多种形式，如图3-图6共同所示，MEMS声学传感器30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30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30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。

Helmholtz共振腔31包括设置在MEMS声学传感器30的表面上的空心硅结构310、由空心硅结构310与MEMS声学传感器30的表面所形成的腔体311以及设置在硅结构310上且与腔体311连通的通孔312。该通孔312将外界大气与腔体311联通，从而便于声波的传播和共振。此外，腔体311与MEMS声学传感器30的表面接触连接，可以使Helmholtz共振腔31放大的声压直接作用于MEMS声学传感器30上，有利于提高声学传感器的声电能量转换效率。

在本发明中，为了避免阵列单元之间的串扰，超声发射装置2中的声学传感器和声波接收装置3中Helmholtz共振腔31的共振频率一致，而声波接收装置3中的MEMS声学传感器30的共振频率高于或低于超声发射装置2中的声学传感器和Helmholtz共振腔31的共振频率，这样可以避免阵列单元之间的串扰。声波接收装置3中的MEMS声学传感器30用于接收Helmholtz共振腔31共振时腔内的声波，在接收到发射的超声波回波时，当声波的频率与Helmholtz共振腔31的谐振频率一致时，声波传播至通孔312处引起腔体311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，放大的声压作用在接收装置中的MEMS声学传感器30表面，从而提高声学传感器的声电能量转换效率。

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312的大小、数量、形状以及布置位置以实现对Helmholtz共振腔31共振频率的调节。也就是在实际使用中，根据需要的Helmholtz共振腔31的共振频率来确定通孔312的大小、数量、形状以及布置位置。比如，当需要Helmholtz共振腔31的共振频率与声波的共振频率一致时，可以根据声波的共振频率来确定通孔312的大小、数量以及布置位置等。

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。