一种片上双芯片集成的飞行时间传感器的制作方法

1.本实用新型属于飞行时间传感器技术领域，具体涉及一种片上双芯片集成的飞行时间传感器。


背景技术：

2.飞行时间传感器(time of flight，简称tof传感器)是一种利用超声波进行测距的传感器。其基本原理是，由tof传感器的发射端向外发射超声波。当超声波遇到障碍物时会反射，由tof传感器的接收端接收反射的超声波信号。由于超声波在传播介质中速度是一定的，根据超声波发射和接收的时间差，就可以得到障碍物与超声波传感器之间的距离。
3.tof传感器需要发射和接收超声波，而tof传感器中负责发射和接收超声波的模块就做超声波换能器。因此，传统的tof传感器设计会有多种形式。如图1所示，tof传感器的芯片上只有一个超声波换能器，称为单管器件。该换能器为自发自收，即一个换能器同时负责发射和接收超声波。如图2所示，tof传感器的芯片上有两个超声波换能器，称为双管器件。该换能器为一发一收，即一个只负责发射超声波，另一个只负责接收。
4.tof传感器的核心芯片，即微机械压电超声波换能器是由微机电系统(mems)芯片来实现的。当前商用的压电mems超声波换能器芯片主要分为两大类，一类是以锆钛酸铅 (pzt)为压电材料，另一类是以氮化铝(aln)为压电材料。
5.pzt材料的优点是压电系数大，其压电系数d
33
可以达到200pc/n，且机电转换效率高。用于超声波换能器，可以输出较大的声压级，使超声波的信号强度提高，超声波可以发射得更远，回波信号更强。但pzt材料的缺点是其相对介电常数很高，通常大于1000。因此 pzt材料的介电损耗高，接收超声波的灵敏度低。
6.aln材料的优点是低损耗和高灵敏度，其相对介电常数低于10，在接收超声波时具有较高的接收灵敏度。aln材料的缺点是压电系数低，d
33
仅5pc/n左右，因此aln材料发射超声波的声压较小。
7.因此，对于传统压电mems超声波换能器来说，无论是单管还是双管，只要单个芯片完成的加工制造，就只能基于同一种压电材料设计制造的。因此，传统压电mems超声波换能器，无法实现在发射超声波和接收超声波这两方面的性能进行兼顾。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的在于：提供一种片上双芯片集成的飞行时间传感器，解决现有技术发射超声波和接收超声波的性能无法同时兼顾的问题。
9.本实用新型采用的技术方案如下：
10.一种片上双芯片集成的飞行时间传感器，包括非金属外壳、pcb基板、超声波发射芯片、超声波接收芯片，所述非金属外壳安装于pcb基板上并与pcb基板围合形成有空腔，所述超声波发射芯片和超声波接收芯片设置于空腔内并安装于pcb基板上表面，所述超声波发射芯片和超声波接收芯片通过金丝键合线与pcb基板电连接，所述非金属外壳上开设有
进音孔和出音孔，所述进音孔的圆心正对于超声波接收芯片，所述出音孔的圆心正对于超声波发射芯片。
11.进一步地，所述超声波发射芯片包括第一硅基基底，所述第一硅基基底上设置有第一压电材料结构层，所述第一压电材料结构层上表面设置有第一振动结构，所述第一振动结构内设置有激励电极；
12.所述超声波接收芯片包括第二硅基基底，所述第二硅基基底上设置有第二压电材料结构层，所述第二压电材料结构层上表面设置有第二振动结构，所述第二振动结构边缘套设有接收电极。
13.进一步地，所述第一振动结构和第二振动结构均为圆形，所述激励电极为圆形且所述激励电极覆盖在第一振动结构内，所述激励电极的直径小于第一振动结构直径；所述接收电极为圆环且所述接收电极套设在第二振动结构边缘。
14.进一步地，所述第一振动结构和第二振动结构均为方形，所述激励电极为方形且所述激励电极覆盖在第一振动结构内，所述激励电极的边长小于第一振动结构边长；所述接收电极为方形边框且所述接收电极套设在第二振动结构边缘。
15.进一步地，所述超声波发射芯片包括第一硅基基底，所述第一硅基基底上设置有第一压电材料结构层，所述第一压电材料结构层上表面设置有第一振动结构，所述第一振动结构内设置有激励电极；
16.所述超声波接收芯片包括第二硅基基底，所述第二硅基基底上设置有第二压电材料结构层，所述第二压电材料结构层上表面设置有第二振动结构，所述第二振动结构内设置有接收电极。
17.进一步地，所述第一振动结构和第二振动结构均为圆形，所述激励电极为圆形且所述激励电极覆盖在第一振动结构内，所述激励电极的直径小于第一振动结构直径；所述接收电极为圆形且所述接收电极覆盖在第二振动结构内，所述接收电极的直径小于第二振动结构直径。
18.进一步地，所述超声波发射芯片包括第一硅基基底，所述第一硅基基底上设置有第一压电材料结构层，所述第一压电材料结构层上表面设置有第一振动结构，所述第一振动结构边缘套设有激励电极；
19.所述超声波接收芯片包括第二硅基基底，所述第二硅基基底上设置有第二压电材料结构层，所述第二压电材料结构层上表面设置有第二振动结构，所述第二振动结构边缘套设有接收电极。
20.进一步地，所述第一振动结构和第二振动结构均为圆形，所述激励电极为圆环且所述激励电极套设在第一振动结构边缘；所述接收电极为圆环且所述接收电极套设在第二振动结构边缘。
21.进一步地，所述第一压电材料结构层和第二压电材料结构层的材料为pzt材料或aln材料。
22.综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
23.1、本实用新型中，采用两枚独立的压电微机械超声波换能器芯片，进行片上集成封装构成一个飞行时间传感器。两枚独立的超声波发射芯片和超声波接收芯片，在芯片上会更加偏向各自的优势的设计。可分别采用更有利于发射或接收超声波的换能器构型，包
括专门为发射超声波设计的结构和激励电极设置，以及专门为接收超声波设计的结构和接收电极设置，大大提升了传感器发射超声波和接收超声波这两方面的性能，解决了现有技术发射超声波和接收超声波的性能无法同时兼顾的问题。
24.2、本实用新型中，两枚独立的超声波发射芯片和超声波发射芯片接收芯片，在压电材料的选择上会更加偏向各自的优势。超声波发射芯片可采用压电系数更高的pzt材料，超声波接收芯片可采用介电常数更低的aln材料，从而大提升了传感器发射超声波和接收超声波这两方面的性能，解决了现有技术发射超声波和接收超声波的性能无法同时兼顾的问题。
附图说明
25.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：
26.图1为现有技术单管器件结构示意图；
27.图2为现有技术双管器件结构示意图；
28.图3为本实用新型的超声波发射芯片和超声波接收芯片安装示意图；
29.图4为本实用新型的超声波发射芯片结构示意图；
30.图5为本实用新型的超声波接收芯片结构示意图；
31.图6为本实用新型的立体示意图；
32.图7为本实用新型方形振动结构的芯片安装示意图；
33.图8为本实用新型超声波发射芯片和超声波接收芯片相同构型的第一参考图；
34.图9为本实用新型超声波发射芯片和超声波接收芯片相同构型的第二参考图；
35.图中标记：1-pcb基板、2-超声波发射芯片、21-第一振动结构、22-激励电极、23-第一压电材料结构层、24-第一硅基基底、3-超声波发射芯片、31-第二振动结构、32-接收电极、33-第二压电材料结构层、34-第二硅基基底、4-进音孔、5-出音孔、6-非金属外壳。
具体实施方式
36.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
37.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
38.应注意到：标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
39.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖
直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
41.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以使机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个原件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
42.一种片上双芯片集成的飞行时间传感器，包括非金属外壳、pcb基板、超声波发射芯片、超声波接收芯片，所述非金属外壳安装于pcb基板上并与pcb基板围合形成有空腔，所述超声波发射芯片和超声波接收芯片设置于空腔内并安装于pcb基板上表面，所述超声波发射芯片和超声波接收芯片通过金丝键合线与pcb基板电连接，所述非金属外壳上开设有进音孔和出音孔，所述进音孔的圆心正对于超声波接收芯片，所述出音孔的圆心正对于超声波发射芯片。
43.进一步地，所述超声波发射芯片包括第一硅基基底，所述第一硅基基底上设置有第一压电材料结构层，所述第一压电材料结构层上表面设置有第一振动结构，所述第一振动结构内设置有激励电极；
44.所述超声波接收芯片包括第二硅基基底，所述第二硅基基底上设置有第二压电材料结构层，所述第二压电材料结构层上表面设置有第二振动结构，所述第二振动结构边缘套设有接收电极。
45.进一步地，所述第一振动结构和第二振动结构均为圆形，所述激励电极为圆形且所述激励电极覆盖在第一振动结构内，所述激励电极的直径小于第一振动结构直径；所述接收电极为圆环且所述接收电极套设在第二振动结构边缘。
46.进一步地，所述第一振动结构和第二振动结构均为方形，所述激励电极为方形且所述激励电极覆盖在第一振动结构内，所述激励电极的边长小于第一振动结构边长；所述接收电极为方形边框且所述接收电极套设在第二振动结构边缘。
47.进一步地，所述超声波发射芯片包括第一硅基基底，所述第一硅基基底上设置有第一压电材料结构层，所述第一压电材料结构层上表面设置有第一振动结构，所述第一振动结构内设置有激励电极；
48.所述超声波接收芯片包括第二硅基基底，所述第二硅基基底上设置有第二压电材料结构层，所述第二压电材料结构层上表面设置有第二振动结构，所述第二振动结构内设置有接收电极。
49.进一步地，所述第一振动结构和第二振动结构均为圆形，所述激励电极为圆形且所述激励电极覆盖在第一振动结构内，所述激励电极的直径小于第一振动结构直径；所述
接收电极为圆形且所述接收电极覆盖在第二振动结构内，所述接收电极的直径小于第二振动结构直径。
50.进一步地，所述超声波发射芯片包括第一硅基基底，所述第一硅基基底上设置有第一压电材料结构层，所述第一压电材料结构层上表面设置有第一振动结构，所述第一振动结构边缘套设有激励电极；
51.所述超声波接收芯片包括第二硅基基底，所述第二硅基基底上设置有第二压电材料结构层，所述第二压电材料结构层上表面设置有第二振动结构，所述第二振动结构边缘套设有接收电极。
52.进一步地，所述第一振动结构和第二振动结构均为圆形，所述激励电极为圆环且所述激励电极套设在第一振动结构边缘；所述接收电极为圆环且所述接收电极套设在第二振动结构边缘。
53.进一步地，所述第一压电材料结构层和第二压电材料结构层的材料为pzt材料或aln材料。
54.本实用新型在实施过程中，如图3、图6所示，在一块pcb基板上，分别集成一枚专用的超声波发射芯片和一枚专用的超声波接收芯片。两枚芯片分别用于超声波的发射和接收，芯片上的金属电极通过金丝键合线的连接到pcb基板上，还包含一个非金属外壳。该非金属外壳上分别有一个圆形进音孔和一个圆形出音孔，圆形进音孔和圆形出音孔圆心分别正对超声波接收芯片和超声波发射芯片的圆心。该非金属外壳和片上双芯片集成的飞行时间传感器进行一体化封装，形成一个完整的飞行时间传感器。
55.两枚芯片在设计制造时，不再受原本既要发射，又要接收的性能兼顾的制约。本发明中由于两枚芯片相对独立，因此，可以针对两种芯片的优势进行专用化设计。
56.专用的超声波发射芯片，如图4所示。其结构主要包括第一振动结构、激励电极、第一压电材料结构层、第一硅基基底。振动结构为圆形，该结构通过逆压电效应上下振动，从而产生超声波。激励电极覆盖在第一振动结构的中心区域，激励电极的直径比第一振动结构小。第一压电材料结构层是指以pzt材料为核心构成压电层。第一硅基基底是以硅为材料作为振动结构层和底座。第一振动结构和激励电极的尺寸可以在芯片面积范围内根据需要调整。
57.专用的超声波接收芯片，如图5所示。其结构主要包括第二振动结构、接收电极、第二压电材料结构层、第二硅基基底。第二振动结构为圆形，该结构接收外部的振动，通过压电效应产生电信号，获得接收超声波的信号大小。接收电极为圆环形，接收电极和第二振动结构的外边缘重合。第二压电材料结构层是指以aln材料为核心构成压电层。第二硅基基底是以硅为材料作为振动结构层和底座。第二振动结构和第一接收电极的尺寸可以在芯片面积范围内根据需要调整。
58.专用的超声波发射芯片和专用的超声波接收芯片，其压电材料结构层可以是pzt材料或者aln材料。根据压电材料在压电系数和介电常数等方面的性能优势，最优的设计是，超声波发射芯片采用pzt材料，超声波接收芯片采用aln材料。但在具体实施过程中，也可以是超声波发射芯片采用aln材料，超声波接收芯片采用pzt材料。也可以两枚芯片同为 pzt材料或同为aln材料。
59.其中，pzt材料是指，以锆钛酸铅(pb(zr
1-x
ti
x
)o3)为核心的压电材料系统。该压电
材料系统，包括但不仅限于，不同材料组分比例的pzt，不同晶向的pzt，单晶和多晶pzt，各种组分掺杂的pzt，例如掺杂了铌(nb)、铋(bi)、镧(la)、钡(ba)等其他元素。aln 材料是指，以氮化铝为核心的压电材料系统。该压电材料系统，包括但不仅限于，不同晶向的aln，各种组分掺杂的aln，例如掺杂了sc(钪)、镁(mg)、锆(zr)等其他元素。
60.同时，超声波发射芯片和超声波接收芯片振动结构形状，可以是方形的，如图7所示。对应地，激励电极为边长小于第一振动结构边长的方形结构，接收电极为套设在第二振动结构边长的方形边框。
61.进一步地，对于一种片上双芯片集成的飞行时间传感器，其专用的超声波发射芯片和专用的超声波接收芯片，可以设置为同一结构。如图8所示，为超声波发射芯片和超声波接收芯片相同构型的第一参考图，即同为图4中的芯片结构；如图9所示，为超声波发射芯片和超声波接收芯片相同构型的第二参考图，同为图5中的芯片结构。
62.实施例1
63.一种片上双芯片集成的飞行时间传感器，包括非金属外壳、pcb基板、超声波发射芯片、超声波接收芯片，所述非金属外壳安装于pcb基板上并与pcb基板围合形成有空腔，所述超声波发射芯片和超声波接收芯片设置于空腔内并安装于pcb基板上表面，所述超声波发射芯片和超声波接收芯片通过金丝键合线与pcb基板电连接，所述非金属外壳上开设有进音孔和出音孔，所述进音孔的圆心正对于超声波接收芯片，所述出音孔的圆心正对于超声波发射芯片。
64.实施例2
65.在实施例1的基础上，所述超声波发射芯片包括第一硅基基底，所述第一硅基基底上设置有第一压电材料结构层，所述第一压电材料结构层上表面设置有第一振动结构，所述第一振动结构内设置有激励电极；
66.所述超声波接收芯片包括第二硅基基底，所述第二硅基基底上设置有第二压电材料结构层，所述第二压电材料结构层上表面设置有第二振动结构，所述第二振动结构边缘套设有接收电极。
67.实施例3
68.在上述实施例的基础上，所述第一振动结构和第二振动结构均为圆形，所述激励电极为圆形且所述激励电极覆盖在第一振动结构内，所述激励电极的直径小于第一振动结构直径；所述接收电极为圆环且所述接收电极套设在第二振动结构边缘。
69.实施例4
70.在上述实施例的基础上，所述第一振动结构和第二振动结构均为方形，所述激励电极为方形且所述激励电极覆盖在第一振动结构内，所述激励电极的边长小于第一振动结构边长；所述接收电极为方形边框且所述接收电极套设在第二振动结构边缘。
71.实施例5
72.在上述实施例的基础上，所述超声波发射芯片包括第一硅基基底，所述第一硅基基底上设置有第一压电材料结构层，所述第一压电材料结构层上表面设置有第一振动结构，所述第一振动结构内设置有激励电极；
73.所述超声波接收芯片包括第二硅基基底，所述第二硅基基底上设置有第二压电材料结构层，所述第二压电材料结构层上表面设置有第二振动结构，所述第二振动结构内设
置有接收电极。
74.实施例6
75.在上述实施例的基础上，所述第一振动结构和第二振动结构均为圆形，所述激励电极为圆形且所述激励电极覆盖在第一振动结构内，所述激励电极的直径小于第一振动结构直径；所述接收电极为圆形且所述接收电极覆盖在第一振动结构内，所述接收电极的直径小于第二振动结构直径。
76.实施例7
77.在上述实施例的基础上，所述超声波发射芯片包括第一硅基基底，所述第一硅基基底上设置有第一压电材料结构层，所述第一压电材料结构层上表面设置有第一振动结构，所述第一振动结构边缘套设有激励电极；
78.所述超声波接收芯片包括第二硅基基底，所述第二硅基基底上设置有第二压电材料结构层，所述第二压电材料结构层上表面设置有第二振动结构，所述第二振动结构边缘套设有接收电极。
79.实施例8
80.在上述实施例的基础上，所述第一振动结构和第二振动结构均为圆形，所述激励电极为圆环且所述激励电极套设在第一振动结构边缘；所述接收电极为圆环且所述接收电极套设在第二振动结构边缘。
81.实施例9
82.在上述实施例的基础上，所述第一压电材料结构层和第二压电材料结构层的材料为pzt 材料或aln材料。
83.如上所述即为本实用新型的实施例。前文所述为本实用新型的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述实用新型的验证过程，并非用以限制本实用新型的专利保护范围，本实用新型的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。