超声波飞行时间传感器及电子设备的制作方法

1.本实用新型涉及微电子技术领域，特别涉及一种超声波飞行时间传感器及具有超声波传感器的电子设备。


背景技术：

2.微超声波换能器(micromachined ultrasonic transducer，mut)可用于实现声波信号和电信号的转换，其在各种场景中被大量应用。具体的，可以将超声波换能器和相应的芯片封装在一起以用于构成超声波飞行时间传感器，该类传感器可应用于距离测量或者探测前方是否有障碍物等。其中，超声波飞行时间传感器发出的超声波传播的角度范围(可理解为，光学系统中的视场角fov)决定了传感器的检测范围。目前的超声波飞行时间传感器的超声波传播的角度范围较小，导致其检测区域很有限。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种超声波飞行时间传感器，以解决现有的超声波飞行时间传感器的超声波传播的角度范围较小的问题。
4.为解决上述技术问题，本实用新型提供一种超声波飞行时间传感器，包括：
5.封装腔室，所述封装腔室的一腔体壁中开设有第一声孔；
6.壳体，设置于所述第一声孔外侧，并具有第二声孔，所述第一声孔与所述第二声孔相互连通；
7.超声波换能器，设置于所述封装腔室内，以及所述超声波换能器具有用于发射接收超声波的隔膜和隔膜所覆盖的空腔，所述空腔和所述第一声孔相对设置；以及，
8.专用集成电路芯片，与所述超声波换能器电学连接。
9.可选的，所述第一声孔和所述第二声孔的中心偏离值小于等于0.1mm。
10.可选的，所述第二声孔的开口宽度大于所述第一声孔的开口宽度。进一步的，所述第二声孔的深度大于所述第一声孔的深度。
11.可选的，所述封装腔室由相对设置的第一基板和第二基板、以及围设于所述第一基板和所述第二基板之间的侧板限定出。
12.可选的，壳体为电路板，所述第二声孔贯穿所述电路板。
13.可选的，所述壳体覆盖所述封装腔室，与所述第一声孔所在腔壁外侧接触的壳壁设置所述第二声孔。
14.可选的，所述壳体为所述超声波飞行时间传感器所应用的电子设备的外壳，所述第二声孔设置于所述第一声孔所对应的所述外壳的位置。
15.可选的，所述专用集成电路芯片位于所述封装腔室的内壁上；或者，所述专用集成电路芯片位于所述封装腔室之外，并设置在与所述第一声孔相对的腔体壁的外壁上。
16.本实用新型还提供了一种包括如上所述的超声波飞行时间传感器的电子设备。
17.可选的，所述电子设备还包括电路板和安装在所述电路板上的功能器件，所述超
声波时间飞行传感器安装在所述电路板上，并且所述超声波时间飞行传感器和所述功能器件经由所述电路板电性连接。
18.在本实用新型提供的超声波飞行时间传感器中，通过在封装腔室的外部设置壳体，并在壳体中开设与第一声孔连通的第二声孔，即有利于增大超声波飞行时间传感器其超声波传播的角度范围(即，增大视场角fov)，提高超声波飞行时间传感器的检测范围。进一步的，还可对第二声孔的深度进行调整，进而实现声波传播的角度范围不同程度的扩展。基于此，则在将其应用于电子设备中时，即相应的可以为电子设备提供更好的辅助功能，例如可以为电子设备提供更好的测距性能。
附图说明
19.图1a为本实用新型实施例一中的一种超声波飞行时间传感器的结构示意图。
20.图1b为本实用新型实施例一中的另一种超声波飞行时间传感器的结构示意图。
21.图1c为本实用新型实施例一中的又一种超声波飞行时间传感器的结构示意图。
22.图2a～图2e为本实用新型提供的一种超声波飞行时间传感器在其第二声孔具备不同的深度时所对应的声压和传播角度的仿真图。
23.图3为本实用新型实施例二中的超声波飞行时间传感器的结构示意图。
24.图4为本实用新型实施例三中的超声波飞行时间传感器的结构示意图。
25.图5为本实用新型一实施例中的一种电子设备的结构示意图。
26.图6为本实用新型一实施例中的另一种电子设备的结构示意图。
27.图7为本实用新型一实施例中的又一种电子设备的结构示意图。
28.其中，附图标记如下：
29.110-基板；
30.110a-第一声孔；
31.120-第二基板；
32.130-侧板；
33.200-超声波换能器；
34.300-壳体；
35.310-封装盖体；
36.320-外壳；
37.300a-第二声孔；
38.400-专利集成电路芯片；
39.500-载板；
40.10-超声波飞行时间传感器；
41.20-功能器件；
42.30-电路板。
具体实施方式
43.以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的超声波飞行时间传感器及电子设备作进一步详细说明。根据下面说明，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，
附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。
44.实施例一
45.图1a为本实用新型实施例一中的一种超声波飞行时间传感器的结构示意图，图1b为本实用新型实施例一中的另一种超声波飞行时间传感器的结构示意图，图1c为本实用新型实施例一中的又一种超声波飞行时间传感器的结构示意图，如图1a～图1c所示，所述超声波飞行时间传感器包括：封装腔室；封装在所述封装腔室之内的超声波换能器200；以及，与所述超声波换能器200电性连接的专用集成电路芯片400。
46.其中，所述封装腔室可以由多个基板围绕出。本实施例中，所述封装腔室由相对设置的第一基板110和第二基板120，以及围设于所述第一基板110和所述第二基板120之间的侧板130限定出。即，所述侧板130支撑在所述第一基板110和所述第二基板120之间，以利用所述侧板130实现第一基板110和所述第二基板120之间的机械支撑，并由所述侧板130、所述第一基板110和所述第二基板120围绕出所述封装腔室。
47.继续参考图1a～图1c所示，所述超声波换能器200具有用于发射接收超声波的振膜和振膜所覆盖的空腔，以及所述封装腔室的一腔体壁中开设有第一声孔，并使所述超声波换能器200的空腔和所述第一声孔相对设置。具体的，所述超声波换能器200可设置在所述第一基板110和所述第二基板120中的任一基板上。本实施例中，所述超声波换能器200以其空腔朝向第一基板110的方向安装在所述第一基板110上，并且所述第一基板110中开设有所述第一声孔110a，所述空腔面对所述第一声孔110a。
48.其中，所述超声波换能器200可以为利用半导体工艺制作而成的电容微型超声换能器(cmut)，或者也可以为半导体工艺制作的压电微型超声换能器(pmut)。具体的，所述超声波换能器200可利用mems微细加工半导体工艺制备形成。
49.进一步的，所述超声波换能器200还电学连接至所述第一基板110。其中，所述超声波换能器200可通过键合引线电学连接至所述第一基板110。
50.继续参考图1a～图1c所示，所述超声波飞行时间传感器还包括壳体300，所述壳体300设置在所述第一声孔110a的外侧，并且所述壳体300中开设有第二声孔300a，所述第二声孔300a和所述第一声孔110a相互连通。具体而言，所述超声波换能器200的振膜在压电效应的驱动下可发出超声波，并使超声波经由所述第一声孔110a和第二声孔300a传播出。
51.即，本实施例中，通过在所述封装腔室的外壁上再额外设置壳体300，并使所述壳体300具有与所述第一声孔110a连通的第二声孔300a，相当于增加了所述超声波飞行时间传感器其整体声孔的深度(超声波飞行时间传感器的整体声孔的深度至少大于第一声孔110a的深度和第二声孔300a的深度之和)，进而有利于扩展所述超声波飞行时间传感器其超声波传播的角度范围，实现大角度范围的超声波发送和接收。其中，所述壳体300的材料例如包括塑料或金属等。
52.通常来说，正对声孔的中轴线方向具有超声波飞行时间传感器的中心声压，并且随着相对于中轴线方向发生偏离，则声压也会随之发生变化。例如，在正对声孔的中轴线方向偏离足够大的角度后，声压也会随之发生衰减。
53.本文中所述的“超声波传播的角度范围”可以理解为：由声孔的中轴线方向偏离直至声压由中心声压降低预定声压值，此时的偏离角度即可定义为超声波飞行时间传感器其
超声波的单侧传播角度，以及所述超声波传播的全角度范围则可定义为2倍的单侧传播角度。举例而言，由声孔的中轴线方向偏离直至声压由中心声压降低6个单位的声压值(6db)时所对应的角度范围，即定义为所述单侧传播角度。为便于理解，也可以认为所述超声波飞行时间传感器其超声波传播的角度范围相当于光学系统中的视场角(fov)。
54.进一步的，所述壳体300中的第二声孔300a以其中轴线对准所述第一声孔110a的中轴线而同心设置，例如使所述第二声孔300a和所述第一声孔110a的中心偏离值小于等于0.1mm。此时，即有利于保证所述超声波飞行时间传感器经由声孔传播的中心声压达到要求。
55.更进一步的，所述第二声孔300a的开口宽度大于所述第一声孔110a的开口宽度。例如，所述第一声孔110a的开口宽度为350μm～450μm(更具体的，可使所述第一声孔110a的开口宽度为400μm)，以及所述第二声孔300a的开口宽度为750μm～850μm(更具体的，可使所述第二声孔300a的开口宽度为800μm)。应当认识到，若所述第一声孔110a和所述第二声孔300a的截面形状为圆形，则所述第一声孔110a和所述第二声孔300a的开口宽度即为圆形开口的直径。
56.以及，所述第二声孔300a的深度可以根据实际需求对应调整。具体的，可使所述第二声孔300a的深度大于所述第一声孔110a的深度；以及，还可使所述第二声孔300a的深度在不大于600μm的范围内进行调整；或者，可使所述第一声孔110a和所述第二声孔300a的深度之和在不大于800μm的范围内进行调整(例如，可使第一声孔110a的深度为150μm～250μm，以及使第二声孔300a的深度为100μm～500μm。本实施例中，所述第二声孔300a设置在壳体300中，因此可通过调整所述壳体300的厚度，以相应的控制所述第二声孔300a的深度。
57.下面通过对多个具有不同声孔深度的超声波飞行时间传感器进行仿真模拟，以进一步说明本实施例中通过设置第二声孔并在改变第二声孔的深度时对超声波飞行时间传感器其超声波传播的角度范围的影响。需要说明的是，在如下示例的6个超声波飞行时间传感器中，除了第二声孔的深度存在差异之外，其余参数均一致；例如，超声波换能器的空腔的深度均为400μm，超声波换能器的空腔的开口尺寸均为600μm；以及，封装腔室上开设的第一声孔的深度均为200μm，以及所述第一声孔的开口宽度均为400μm。
58.图2a～图2e为本实用新型提供的一种超声波飞行时间传感器在其第二声孔具备不同的深度时所对应的声压和传播角度的仿真图。其中，传播角度范围的定义为：以相对于中心声压衰减了6个单位的声压值(6db)时所对应的全角度范围。
59.首先参考图2a所示，图2a示出了第二声孔的深度为100μm时的仿真图，此时超声波飞行时间传感器其超声波传播的角度范围θ为78
°
。
60.接着参考图2b所示，图2b示出了第二声孔的深度为200μm时的仿真图，此时超声波飞行时间传感器其超声波传播的角度范围θ即增大至82
°
。
61.接着参考图2c所示，图2c示出了第二声孔的深度为300μm时的仿真图，此时超声波飞行时间传感器其超声波传播的角度范围θ即增大至90
°
。
62.接着参考图2d所示，图2d示出了第二声孔的深度为400μm时的仿真图，此时超声波飞行时间传感器其超声波传播的角度范围θ即增大至104
°
。
63.接着参考图2e所示，图2e示出了第二声孔的深度为500μm时的仿真图，此时超声波飞行时间传感器其超声波传播的角度范围θ即增大至108
°
。
64.根据图2a～图2e可知，在一定范围内，随着第二声孔的深度尺寸的增加，超声波传播的角度范围θ也会相应的增大。其中，当第二声孔的深度尺寸在特定范围内(例如，小于500μm时)，则正对声孔的中心声压具备最强声压，并随着相对于中轴线方向的偏离角度越大，则声压也会随之衰减。以及，当第二声孔的深度尺寸超出一定范围之外(例如，大于500μm时)，则随着第二声孔的深度尺寸增大的过大的情况下，则可能会导致超声波飞行时间传感器其中心声压的衰减。因此，在实际应用中，可结合超声波传播的角度范围和中心声压的综合考量下，设定第二声孔的具体深度。例如，可将所述壳体300设置为可伸缩结构，从而可以根据需求改变壳体300厚度以调整第二声孔的深度尺寸，进而调整视场角。
65.此外，继续参考图1a～图1c所示，所述超声波飞行时间传感器还包括专用集成电路芯片400，所述专用集成电路芯片400和所述超声波换能器200电学连接。其中，所述专用集成电路芯片400可设置在所述封装腔室内，也可设置在所述封装腔室之外。
66.具体参考图1a所示，所述专用集成电路芯片400和所述超声波换能器200可分别设置在相对的腔体内壁上。图1a所示的结构中，所述超声波换能器200设置在第一基板110上，所述专用集成电路芯片400设置在所述第二基板120上，并且所述专用集成电路芯片400通过键合引线电学连接至所述第二基板120，以及所述第二基板120通过所述侧板130和所述第一基板110电学连接，进而可使电学连接至所述第一基板110的超声波换能器200能够和所述专用集成电路芯片400电学连接。其中，所述第一基板110和所述第二基板120可均为印刷电路板(pcb板)。
67.接着参考图1b所示，所述专用集成电路芯片400和所述超声波换能器200可均设置在同一腔体内壁上。例如图1b所示，所述专用集成电路芯片400和所述超声波换能器200均设置在第一基板110上。其中，所述第一基板110例如均为印刷电路板(pcb板)。
68.接着参考图1c所示，所述专用集成电路芯片400还可位于所述封装腔室之外的外壁上。具体的，所述专用集成电路芯片400设置在与所述第一声孔100a相对的腔体壁的外壁上。本实施例中，所述专用集成电路芯片400设置在第二基板120的外壁上，并且通过键合引线电学连接至所述第二基板120，以及所述第二基板120通过所述侧板130和所述第一基板110电学连接，进而可使电学连接至所述第一基板110的超声波换能器200能够和所述专用集成电路芯片400电学连接。此外，在所述第二基板120的外壁上还形成有塑封层，以封盖所述专用集成电路芯片400。
69.实施例二
70.本实施例中，具体以所述壳体300为封装盖体为例进行说明。具体而言，所述封装盖体不仅覆盖所述封装腔室具有第一声孔的腔体外壁，并且还由所述封装腔室具有所述第一声孔的腔体外壁延伸包覆所述封装腔体的外侧壁，如此以进一步封盖所述封装腔室。
71.图3为本实用新型实施例二中的超声波飞行时间传感器的结构示意图，如图3所示，所述封装腔室面对所述第一声孔的腔体壁安装在一载板500上(本实施例中，所述封装腔室的第二基板120安装在所述载板500上)，以及所述封装盖体310由所述封装腔室具有所述第一声孔的腔体壁延伸包覆所述封装腔体的外侧壁，并进一步抵接至所述载板500上。即相当于，所述封装盖体310和所述载板500进一步将安装有超声波换能器200和专用集成电路芯片400的封装腔室封盖在内。
72.其中，所述载板500可以由电子设备的部分外壳构成。或者，所述载板500也可以为
电子设备中的电路板(例如pcb板)，所述超声波飞行时间传感器电性安装在所述电路板上。
73.实施例三
74.与实施例二不同的是，本实施例中的壳体300可直接利用其所应用的电子设备的外壳或电路板构成。
75.图4为本实用新型实施例三中的超声波飞行时间传感器的结构示意图，如图4所示，所述壳体即由电子设备的部分外壳320构成。其中，所述封装腔室可粘接至所述外壳320，或者也可以通过垫圈安装在所述外壳320上。具体的，可使所述封装腔室以其具有第一声孔110a的腔体壁朝向所述外壳的方向安装于所述外壳320上，并在所述外壳320对应于第一声孔所在的位置上开设所述第二声孔300a。
76.可替代的方案中，具有第二声孔300a的所述壳体300还可以由电子设备的电路板(例如pcb板)构成。此时，可使所述封装腔室以其具有第一声孔110a的腔体壁朝向所述电路板的方向安装于所述电路板上，以及所述电路板上开设有所述第二声孔300a，所述第二声孔300a即贯穿所述电路板。
77.如上所述，通过在超声波飞行时间传感器的封装腔室的外部开设与第一声孔连通的第二声孔，进而有利于增大所述超声波飞行时间传感器其超声波传播的角度范围(即，增大视场角fov)，使得超声波飞行时间传感器能够实现大角度范围传播超声波。基于此，则在将其应用于电子设备中时，即相应的可以为电子设备提供更好的辅助功能。例如，可将所述超声波飞行时间传感器安装于耳机或者扫地机器人。
78.图5为本实用新型一实施例中的一种电子设备的结构示意图，图6为本实用新型一实施例中的另一种电子设备的结构示意图，图7为本实用新型一实施例中的又一种电子设备的结构示意图。结合图5～图7所示，所述电子设备包括超声波飞行时间传感器10和功能器件20。所述功能器件20和所述超声波飞行时间传感器10可均电性安装在一电路板30上。
79.其中，在图5所示的结构中，即利用所述电子器件的电路板30构成超声波飞行时间传感器10其具有第二声孔的壳体。具体的，将所述超声波飞行时间传感器10其封装腔室具有第一声孔110a的腔体壁安装在所述电路板30上，并在所述电路板30对应于所述第一声孔110a的区域开设有第二声孔300a。
80.以及，在图6所示的结构中，即额外设置具有第二声孔300a的封装盖体310，所述封装盖体310封盖所述封装腔室并进一步抵接至所述电路板30上。具体的，所述超声波飞行时间传感器其封装腔室的顶壁上开设有第一声孔110a，与所述顶壁相对的底壁安装在所述电路板30上，以及所述封装盖体310包覆所述封装腔室的顶壁和外侧壁并抵接至所述电路板30上以封盖所述封装腔室。
81.此外，在图7所示的结构中，则是利用所述电子器件的外壳320构成超声波飞行时间传感器10其具有第二声孔的壳体。具体的，所述封装腔室开设有第一声孔110a的顶壁安装在所述外壳320上，并且所述外壳320对应于所述第一声孔110a的区域开设有第二声孔300a。
82.上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。以及，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。