专利名称：基于硅微加工技术的超声定位与测距微声学系统的制作方法
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。
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。
具体实施例方式
本发明是一种用于超声定位与测距的微声学系统。本发明中硅基的铁电薄膜微声学器件工作所依据的原理是基于压电效应，铁电薄膜因接收超声波而发生振动，此振动转化为电信号输出，从而实现了微麦克风的功能；反之，由逆压电效应，铁电薄膜由输入电信号的变化而发生振动，发射出超声波，从而实现了微扬声器的功能。因此本发明所涉及的微声学器件，其结构既可用作麦克风，也可用作扬声器。
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的原理。
该器件的结构如图1所示，自下而上依次为硅杯衬底6、热氧化的二氧化硅3、磁控溅射的钛层和下电极铂层8、磁控溅射或溶胶-凝胶的PZT(锆钛酸铅)薄膜层/磁控溅射的AlN(氮化铝)薄膜层5、磁控溅射的上电极铂层4、等离子增强化学气相淀积的二氧化硅层7、磁控溅射的下铝电极1和上铝电极2。最终各层厚度的优化结果为硅杯衬底厚度范围为300～360微米，热氧化的二氧化硅层的厚度范围是200～1000纳米，磁控溅射的钛层厚度范围为20～30纳米，磁控溅射的下电极铂层厚度范围为200～250纳米，磁控溅射或溶胶-凝胶的PZT(锆钛酸铅)铁电薄膜层/磁控溅射的AlN(氮化铝)薄膜层厚度范围为400～600纳米，磁控溅射的上电极铂层厚度范围为150～200纳米，等离子增强化学气相淀积的二氧化硅层的厚度范围是300～400纳米，磁控溅射的铝电极厚度范围为1000～1500纳米。
图2所示为基于硅微加工技术的超声定位微声学系统的演示系统，其功能是利用超声定位系统来实现手写体输入，其基本原理是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9，两个基于硅微加工技术的铁电微麦克风作为超声波接收器10；并且两个超声波接收器的微麦克风(其间距离不能忽略)，其位置坐标值在某个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11区域的一个边缘上，其接收面指向被检测物11；作为超声波发射源9的微扬声器放在被检测区域内，其发射面指向两个微麦克风。定义从超声发射源9的发射点P(位于笔头A处)发出超声波到超声波接收器10的接收点P1接收到此超声波的时间差为t1，从超声波发射源9的发射点P发出超声波到超声波接收器10的接收点P2接收到此超声波的时间差为t2，超声波传播的速度为v，可以得到以下的联立方程 解这个方程组可以得到x、y的两组关于直线P1P2对称的根，可以根据被检测区域的实际位置，选取一组有意义的根，作为标的物，即超声波发射器所在位置P点的坐标值，从而实现了超声定位的功能。
图3所示为基于硅微加工技术的超声测距微声学系统的演示系统，其功能是利用超声测距系统来实现较长距离的测量，其基本原理是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9，一个基于硅微加工技术的铁电微麦克风作为超声波接收器10；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11。定义从超声波发射源9的发射点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的接收点P2接收到此超声波的时间差为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，所以从超声发射源P1发出超声到超声接收器P2接收到此超声的总的时间差为t＝t1+t2≈2t1，可以得到以下的方程2H＝v·t由此可得出H的值，从而实现测距的功能。
以上两个系统中，发射和接收超声波的时间差均由计算机计算得出。
权利要求
1.一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发射源(9)，两个基于硅微加工技术的铁电微麦克风作为超声接收器(10)；并且超声波接收器(10)位置坐标值在参照坐标系内是可知的，作为超声波接收器(10)的两个微麦克风安装在被检测物(11)的一个边缘上，其接收面指向被检测物(11)；作为超声波发射源(9)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(10)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发射源(9)，一个基于硅微加工技术的铁电微麦克风作为超声接收器(10)；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(9)的微扬声器和作为超声波接收器(10)的微麦克风的发射面和接收面都指向被测物体(11)；超声波发射器(9)的微扬声器和超声波接收器(10)的微麦克风的输出信号线接到信号处理器(12)，信号处理器(12)的输出连接到计算机(13)。
2.一种基于硅微加工技术的超声定位与测距微声学系统，其特征在于硅基的铁电微声学器件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)。
全文摘要
本发明公开了属于定位与测距技术领域的一种基于硅微加工技术的超声定位与测距微声学系统。是用微声学器件铁电微扬声器作为超声发射源，微声学器件铁电微麦克风作为超声接收器；微扬声器和微麦克风的发射面和接收面都指向被测物体；超声波发射器和超声波接收器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。微声学器件由制作有铁电薄膜等多层薄膜材料所构成。通过“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。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，能大量的用于定位探测和超声测距，市场前景巨大。
文档编号G01S5/18GK1584628SQ20041004637
公开日2005年2月23日 申请日期2004年6月8日 优先权日2004年6月8日
发明者任天令, 朱一平, 杨轶, 刘理天 申请人:清华大学