基于硅微加工技术的超声定位与测距微声学系统

技术领域

本发明属于定位与测距技术领域，特别涉及一种基于硅微加工技术的超声定位与测距微声学系统。

背景技术

微电子机械系统(MEMS——Micro Electro Mechanical System)是在微电子技术基础上发展起来的集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体的多学科交叉的新兴学科，它将常规集成电路工艺和微机械加工独有的特殊工艺相结合，范围涉及微电子学、机械学、力学、自动控制学、材料科学等多种工程技术和学科。MEMS研究的主要内容包括微型传感器、微型执行器和各类微系统，现在已成为世界各国投入大量资金研究的热点。

由于其优越的力电耦合性能，钛锆酸铅(PZT)、氮化铝(AlN)等作为体材料(陶瓷)就已经广泛应用于传感器、执行器以及换能器等领域。有关其薄膜的研究也已有40余年的历史，但由于受到制膜技术的限制，未能制备出合乎器件质量要求的薄膜，因此最初的二十多年中，铁电薄膜的应用研究进展不大，同样在MEMS中的应用亦因其集成工艺的困难而被大大的推迟。近年来，随着薄膜制备工艺的进步，基本扫清了制备高质量铁电薄膜的技术障碍，特别是能在较低的衬底温度下淀积高质量的外延或择优取向的薄膜，使铁电薄膜工艺与半导体工艺技术的兼容成为可能。目前采用的铁电薄膜制备的技术主要有四种：1)溅射(sputtering)；2)脉冲激光沉积(PLD)；3)溶胶-凝胶(Sol-Gel)法；4)金属有机物化学气相淀积(MOCVD)。

使用MEMS工艺制作的微传感器不仅体积小、成本低、机械特性好，并且能够与CMOS电路集成，形成复杂的微系统，硅基微传声器就是近年来微传感器领域研究的一个热点。以微麦克风为例，它可以应用于蜂窝电话、无绳电话、助听器、各种数字多媒体设备、声学监测系统等等。将硅基微传声器的频域扩展到超声频段，便可实现超声定位和测距系统的建构。与传统的声学器件相比，MEMS微声学器件具有体积小、成本低、可靠性高、并且可与信号处理电路相集成的特点，因而具有广阔的应用领域和极好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于硅微加工技术的超声定位与测距微声学系统，其特征在于：所述超声定位微声学系统的基本构成为：用一个基于硅微加工技术的铁电微扬声器作为超声波发射源，两个基于硅微加工技术的铁电微麦克风作为超声波接收器；并且超声波接收器位置坐标值在参照坐标系内是可知的，作为超声波接收器的两个微麦克风安装在被检测物的一个边缘上，其接收面指向被检测物；作为超声波发射器的微扬声器放在被检测物区域内，其发射面指向两个作超声波接收器的微麦克风；所述超声测距微声学系统的基本构成为：用一个基于硅微加工技术的铁电微扬声器作为超声波发射源，一个基于硅微加工技术的铁电微麦克风作为超声波接收器；并且微扬声器和微麦克风之间的距离相对于被测量的距离来说可以忽略不计。作为超声波发射器的微扬声器和作为超声波接收器的微麦克风的发射面和接收面都指向被测物体；上述超声波发射器的微扬声器和超声波接收器的微麦克风的输出信号线接到信号处理器，信号处理器的输出连接到计算机。其基本原理是：从超声波发射源P₁发出超声波到接触到被测表面的时间差为t₁，所走距离为D₁，从被测表面反射超声波到超声波接收器P₂接收到此超声的时间差为t₂，所走距离为D₂，超声波传播的速度为v，若被测距离较远，微扬声器和微麦克风之间的距离相对于被测量的距离来说可以忽略不计，即满足D＜＜H，便可近似认为D₁≈D₂≈H，这样也有t₁≈t₂，所以从超声波发射源P₁发出超声波到超声波接收器P₂接收到此超声波的总的时间差为t＝t₁+t₂≈2t₁，可以得到以下的方程：

                              2H＝v·t

由此可得出H的值。

所述硅基的铁电微声学器件包括铁电微扬声器和微麦克风的结构是自下而上依次为硅杯衬底6、热氧化的二氧化硅3、钛-下电极铂层8、PZT(锆钛酸铅)薄膜层/磁控溅射的AlN(氮化铝)薄膜层5、上电极铂层4、等离子增强化学气相淀积的二氧化硅层7、下铝电极1和上铝电极2。

本发明的有益效果是与现有的定位和测距系统相比将微声学器件的频域扩展到超声波频段，产生“超声波信号-电信号”互换效应应用于定位和测距系统中，具有很高的可靠性和抗干扰性，不易受温度、湿度等影响。同时本发明将应用于超声波定位和测距系统的微声学器件，与MEMS(微电子机械系统)加工技术结合起来，微声学器件工艺步骤简单，能很好的提高产品的可靠性，极大地促进了产品的微型化和集成化，并有利于大批量的生产，从而降低了成本，获得高成品率。

附图说明

图1为微声学器件的结构示意图。

图2为基于硅微加工技术的超声波定位微声学系统演示系统示意图。

图3为基于硅微加工技术的超声波测距微声学系统演示系统示意图。