本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體地講，涉及一種微電容超聲傳感器。

背景技術(shù)：

把電能、機械能或聲能從一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量的裝置稱作超聲傳感器。超聲傳感器是超聲測距、成像及聲吶系統(tǒng)的核心部件，其廣泛應(yīng)用于車輛避障、醫(yī)學(xué)診斷及治療、海洋形貌探測、軍事目標(biāo)的識別等領(lǐng)域。憑借微機電系統(tǒng)(簡稱mems)技術(shù)的發(fā)展，微電容超聲傳感器(簡稱cmut)應(yīng)運而生。與現(xiàn)有技術(shù)中的壓電超聲換能器相比，cmut具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可陣列化、易于電路集成等特點，因此在超聲測距、成像、聲吶系統(tǒng)等領(lǐng)域均具有非常重要的實用價值。

轉(zhuǎn)換效率是cmut的一個非常重要的參數(shù)，轉(zhuǎn)換效率是指傳遞的機械能與傳感器總儲能之比。轉(zhuǎn)換效率對cmut的帶寬有決定性作用，而帶寬又對cmut的性能有很大影響。現(xiàn)有技術(shù)中，由于cmut采用重?fù)诫s的共用底電極或上電極及導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)致cmut存在大量的雜散寄生電容。而寄生電容，尤其是并聯(lián)寄生電容的存在，會導(dǎo)致cmut的轉(zhuǎn)換效率降低，帶寬變窄，進而降低cmut的性能。此外，現(xiàn)有技術(shù)中，cmut的空腔密封手段主要分為兩種，一是采用對腐蝕孔密封填充，二是采用硅硅鍵合直接密封。但這兩種方法仍存在缺點：一是引入不必要的附加材料，二是工藝復(fù)雜導(dǎo)致加工成本增加，高成品良率難保證。而具有非密封空腔的cmut難以滿足體內(nèi)、水下等浸入應(yīng)用的需求；同時非密封的空腔所存在的空氣阻尼，又會消耗cmut的有效電能、機械能或聲能，降低其轉(zhuǎn)換效率，造成cmut的性能下降。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種微電容超聲傳感器，該微電容超聲傳感器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自密封作用，提高密封性；而且避免了寄生電容對能效的耗散，加強了轉(zhuǎn)換效率。

為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

一種微電容超聲傳感器，包括：襯底、設(shè)置于所述襯底上表面的下電極組 件、上膜以及設(shè)置于所述上膜上表面的上電極組件，所述襯底上表面還設(shè)置有封閉環(huán)繞所述下電極組件的下密封線圈，所述上膜下表面凹設(shè)有用于收容所述下電極組件的收容腔以及封閉環(huán)繞所述收容腔的上密封線圈，所述上膜和所述襯底至少通過所述上密封線圈和所述下密封線圈對接密封所述收容腔。

進一步地，所述襯底上表面還設(shè)置有與所述下電極組件通過下焊盤引線連接的下焊盤，所述上膜開設(shè)有與所述下焊盤對應(yīng)的下焊盤窗口，所述下焊盤窗口位于所述上密封線圈封閉環(huán)繞的區(qū)域之外，所述下焊盤通過所述下焊盤窗口暴露；所述上膜上表面還設(shè)置有與所述上電極組件通過上焊盤引線連接的上焊盤。

進一步地，所述下焊盤窗口與所述下焊盤的形狀對應(yīng)，且所述下焊盤窗口的內(nèi)側(cè)壁與所述下焊盤之間具有間隙。

進一步地，所述微電容超聲傳感器還包括夾設(shè)于所述上膜與所述上電極組件之間的絕緣層。

進一步地，所述上電極組件包括上電極互聯(lián)引線以及通過所述上電極互聯(lián)引線彼此連接的若干上電極，所述下電極組件包括下電極互聯(lián)引線以及通過所述下電極互聯(lián)引線彼此連接的若干下電極；其中，在與所述襯底垂直的方向上，所述若干上電極與所述若干下電極的投影對應(yīng)重合，且對應(yīng)的所述上電極之間的上電極互聯(lián)引線與所述下電極之間的下電極互聯(lián)引線的投影相互交叉。

進一步地，所述上膜下表面還凹設(shè)有貫通若干所述收容腔的互聯(lián)通道；其中，所述互聯(lián)通道與所述下電極互聯(lián)引線相對應(yīng)，且所述互聯(lián)通道與所述收容腔的深度相等。

進一步地，在與所述襯底垂直的方向上，所述若干上電極和下電極的投影在對應(yīng)的所述收容腔的投影之內(nèi)；且所述收容腔的深度大于與其對應(yīng)的所述下電極的厚度。

進一步地，所述上密封線圈和所述下密封線圈均為首尾相連的環(huán)形線圈，且所述上密封線圈與所述下密封線圈的形狀相匹配。

進一步地，所述上密封線圈和所述下密封線圈均為金屬線圈。

進一步地，所述襯底的材料為玻璃，所述上膜的材料為硅，和/或所述上膜和所述襯底還通過陽極鍵合密封所述收容腔。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明的微電容超聲傳感器通過設(shè)置形狀相同且位置相對的下密封線圈以及上密封線圈，同時將二者緊密對接并形成金屬鍵合，從而提高了密封性，阻斷了其內(nèi)部的收容腔與外部環(huán)境的交換，簡單且低成本地實現(xiàn)了自密封作用，從而避免了現(xiàn)有技術(shù)中的微電容超聲傳感器所存在的因空腔難密封而造成的浸入應(yīng)用成本高的問題；

(2)本發(fā)明的微電容超聲傳感器通過采用絕緣的襯底，并結(jié)合圖形化的下電極和上電極、以及呈交叉分布的下電極互聯(lián)引線和上電極互聯(lián)引線，防止了寄生電容對能效的耗散，加強了轉(zhuǎn)換效率，從而避免了現(xiàn)有技術(shù)中的微電容超聲傳感器所存在的因寄生電容高而造成的轉(zhuǎn)化效率低下的問題。

附圖說明

通過結(jié)合附圖進行的以下描述，本發(fā)明的實施例的上述和其它方面、特點和優(yōu)點將變得更加清楚，附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例1的微電容超聲傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例1的微電容超聲傳感器在移除上膜后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例1的微電容超聲傳感器在移除下密封線圈及襯底后的仰視圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例2的微電容超聲傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下，將參照附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例。然而，可以以許多不同的形式來實施本發(fā)明，并且本發(fā)明不應(yīng)該被解釋為限制于這里闡述的具體實施例。相反，提供這些實施例是為了解釋本發(fā)明的原理及其實際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的各種實施例和適合于特定預(yù)期應(yīng)用的各種修改。在附圖中，為了清楚起見，可以夸大元件的形狀和尺寸，并且相同的標(biāo)號將始終被用于表示相同或相似的元件。

實施例1

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例1的微電容超聲傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是 根據(jù)本發(fā)明的實施例1的微電容超聲傳感器在移除上膜后的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例1的微電容超聲傳感器在移除下密封線圈及襯底后的仰視圖。

參照圖1至圖3，根據(jù)本實施例的微電容超聲傳感器包括襯底1、上膜2、下密封線圈3、上密封線圈4、下電極組件5以及上電極組件6。襯底1上表面設(shè)置有下電極組件5以及封閉環(huán)繞所述下電極組件5的下密封線圈3，上膜2上表面設(shè)置有上電極組件6，而上膜2下表面凹設(shè)有用于收容所述下電極組件5的收容腔21、將若干收容腔21連通的互聯(lián)通道22、以及封閉環(huán)繞所述收容腔21的上密封線圈4。其中，襯底1與上膜2首先通過下密封線圈3與上密封線圈4之間的對接作用密封所述收容腔21；與此同時，襯底1的未被下密封線圈3覆蓋的上表面與上膜2的未被上密封線圈4覆蓋的下表面也貼合在一起以進一步密封該收容腔21。

下密封線圈3和上密封線圈4均為首尾相接的環(huán)形閉合線圈，二者形狀、大小均相同；在本實施例中，所述下密封線圈3和上密封線圈4的形狀均為矩形，且二者的材質(zhì)均為金屬，如此，當(dāng)二者對接在一起時，可形成金屬鍵合，以起到初步密封所述收容腔21的作用。當(dāng)然，下密封線圈3和上密封線圈4的形狀并不限于本實施例中所述的矩形，也可以是其他如圓形、正方形等任意環(huán)形閉合線圈，只需保證當(dāng)下密封線圈3與上密封線圈4能夠完全對接以達(dá)到初步密封收容腔21的作用即可。

在本實施例中，襯底1的材質(zhì)為絕緣的玻璃襯底，而上膜2的材質(zhì)為硅，如此，襯底1的未被下密封線圈3覆蓋的上表面與上膜2的未被上密封線圈4覆蓋的下表面之間可形成陽極鍵合。

如此，根據(jù)本實施例的微電容超聲傳感器即通過下密封線圈3和上密封線圈4之間的金屬鍵合、以及上膜2和襯底1之間的陽極鍵合的雙重鍵合作用密封所述收容腔21，從而使該微電容超聲傳感器實現(xiàn)了自密封作用，阻斷了其內(nèi)部的收容腔21與外部環(huán)境的交換，提高了該微電容超聲傳感器的密封性。

具體參照圖2，下電極組件5包括下電極51以及將若干所述下電極51彼此連接的下電極互聯(lián)引線52；具體參照圖1，上電極組件6包括上電極61以及將若干所述上電極61彼此連接的上電極互聯(lián)引線62。

在本實施例中，下電極51與收容腔21相對應(yīng)，下電極互聯(lián)引線52與互聯(lián)通道22相對應(yīng)，當(dāng)襯底1與上膜2貼合在一起時，下電極51和下電極互聯(lián)引 線52恰好可分別卡設(shè)于收容腔21和互聯(lián)通道22內(nèi)部，因此，即要求下電極51的尺寸要比收容腔21的尺寸更小，同時下電極互聯(lián)引線52的尺寸也要比互聯(lián)通道22的尺寸更??；也就是說，要求在與襯底1垂直的方向上，下電極51的投影在其所對應(yīng)的收容腔21的投影之內(nèi)。

在本實施例中，互聯(lián)通道22的深度與收容腔21的深度保持一致。

當(dāng)襯底1與上膜2對接在一起形成微電容超聲傳感器時，應(yīng)當(dāng)保證設(shè)置在襯底1上方的上膜2能夠進行一定范圍內(nèi)的上下振動，如此，即要求用于收容下電極組件5的收容腔21的深度應(yīng)當(dāng)與下電極51的厚度更大方可。

優(yōu)選地，上電極61和下電極51的形狀、大小均相同，且均為圓形。與此同時，將上電極61相互連接在一起的上電極互聯(lián)引線62以及將下電極51相互連接在一起的下電極互聯(lián)引線52的形狀也相同，在本實施例中，二者均為人字形，且上電極互聯(lián)引線62與下電極互聯(lián)引線52呈180°翻轉(zhuǎn)；也就是說，在與襯底1垂直的方向上，若干上電極61與若干下電極51的投影對應(yīng)重合，且對應(yīng)的上電極61之間的上電極互聯(lián)引線62與下電極51之間的下電極互聯(lián)引線52的投影相互交叉。如此，采用絕緣的襯底1，并結(jié)合圖形化的下電極51和上電極61、以及呈交叉分布的下電極互聯(lián)引線52和上電極互聯(lián)引線62，即避免了寄生電容對能效的耗散，從而加強了微電容超聲傳感器的轉(zhuǎn)換效率。

當(dāng)然，下電極51以及上電極61的形狀并不限于本實施例中所述的圓形，還可以是其他如正方形、矩形、菱形、橢圓形、三角形以及規(guī)則或不規(guī)則的多邊形中的任意一種；與此同時，下電極互聯(lián)引線52以及上電極互聯(lián)引線62的形狀也不限于本實施例中所述的人字形，還可以是如十字形等形狀，只需保證二者在垂直方向上未完全重合、存在交叉即可。

為了更方便地將下電極組件5以及上電極組件6引出，在襯底1上表面上和上膜2上表面上還分別設(shè)置有下焊盤組件7以及上焊盤組件8。

具體地，下焊盤組件7包括下焊盤71以及下焊盤引線72，上焊盤組件8包括上焊盤81以及上焊盤引線82；其中，下焊盤引線72水平貫穿下密封線圈3，并將下電極互聯(lián)引線52與下焊盤71連接在一起，而上焊盤引線82將上電極互聯(lián)引線62與上焊盤81連接在一起。與之相對應(yīng)地，上膜2即開設(shè)有與下焊盤71相對應(yīng)的上下貫通的下焊盤窗口23，該下焊盤窗口23位于所述上密封線圈4封閉環(huán)繞的區(qū)域之外，下焊盤71即可通過所述下焊盤窗口23暴露，從而可將下焊盤71從上膜2上表面引出。

所述下焊盤窗口23與下焊盤71的形狀對應(yīng)，且該下焊盤窗口23的內(nèi)側(cè)壁與所述下焊盤71之間還具有間隙。

在本實施例中，下焊盤71的形狀為正方形，上焊盤81的形狀為圓形，但本發(fā)明并不限制于此，其他如矩形、菱形、橢圓形、三角形或其他規(guī)則或不規(guī)則的多邊形均可，且下焊盤71和上焊盤81的形狀及大小可不對應(yīng)；但與下焊盤71相對應(yīng)地，下焊盤窗口23的形狀應(yīng)當(dāng)與下焊盤71相吻合，且要求下焊盤71的尺寸不超過下焊盤窗口23的尺寸，如此，當(dāng)襯底1與上膜2相互貼合密封在一起時，位于襯底1上表面的下焊盤71可卡設(shè)于下焊盤窗口23內(nèi)，從而通過上膜2的頂表面將下焊盤71引出。

如此，本實施例的微電容超聲傳感器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自密封作用，提高密封性；而且避免了寄生電容對能效的耗散，加強了轉(zhuǎn)換效率。

實施例2

在實施例2的描述中，與實施例1的相同之處在此不再贅述，只描述與實施例1的不同之處。具體參照圖4，實施例2與實施例1的不同之處在于：在實施例2的微電容超聲傳感器中，還包括夾設(shè)于上膜2與上電極組件6之間的絕緣層9。該絕緣層9的設(shè)置，不僅可以保證當(dāng)該微電容超聲傳感器在非常規(guī)工作模式(即塌陷工作模式)時，保護該微電容超聲傳感器不發(fā)生短路；而且可以通過對該絕緣層9厚度的設(shè)置，使該微電容超聲傳感器保持在常規(guī)工作模式而不發(fā)生塌陷；另外，該絕緣層9還增大了上膜2的可動范圍，從而進一步提高了該微電容超聲傳感器的轉(zhuǎn)換效率。

在本實施例中，與下焊盤窗口23相對應(yīng)地，絕緣層9的與下焊盤窗口23相對的位置處具有上下貫通的通孔91，從而可通過下焊盤窗口23以及通孔91將下焊盤53引出。但本發(fā)明并不限制于此，如還可通過將絕緣層9的尺寸調(diào)小，從而使得絕緣層9避開下焊盤窗口23，如此，則無需在絕緣層9上開設(shè)通孔91。

如此，本實施例的微電容超聲傳感器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自密封作用，提高密封性；而且避免了寄生電容對能效的耗散，加強了轉(zhuǎn)換效率。

根據(jù)本發(fā)明的實施例的微電容超聲傳感器一方面通過設(shè)置形狀相同且位置相對的下密封線圈3以及上密封線圈4，同時將二者緊密對接在一起形成金屬鍵合，并結(jié)合襯底1與上膜2之間的陽極鍵合，通過雙重鍵合作用將收容腔21進行密封，從而提高了密封性，阻斷了微電容超聲傳感器內(nèi)部的收容腔21與外部 環(huán)境的交換，簡單且低成本地實現(xiàn)了該微電容超聲傳感器的自密封作用；另一方面，通過采用絕緣的襯底1，并結(jié)合圖形化的上電極61和下電極51、以及呈交叉分布的上電極互聯(lián)引線62和下電極互聯(lián)引線52，從而避免了寄生電容對能效的耗散，加強了該微電容超聲傳感器的轉(zhuǎn)換效率。

雖然已經(jīng)參照特定實施例示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解：在不脫離由權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可在此進行形式和細(xì)節(jié)上的各種變化。