[发明专利]基于Helmholtz共振腔的可调频声波接收装置

说明书

本发明涉及一种基于Helmholtz共振腔的可调频声波接收装置，包括Helmholtz共振腔和声学传感器，所述Helmholtz共振腔包括腔体以及与所述腔体连通的通孔，所述Helmholtz共振腔设置在所述声学传感器上且所述腔体与所述声学传感器的表面接触连接。本发明将MEMS声学传感器和Helmholtz共振腔相结合，灵敏度高，能够提高超声换能器的电声能量转换效率。

技术领域

本发明涉及传感器的技术领域，具体涉及一种基于Helmholtz共振腔的可调频声波接收装置。

背景技术

超声换能器是既可以用来发射又可以用来接收超声波的换能元件，是声学传感器的核心。当工作在发射模式时，电能通过静电力或逆压电效应转换为换能器的振动从而向外辐射声波；工作在接收模式时，声压作用在换能器表面使其振动，换能器再将振动转换为电信号。目前应用最广的超声波传感器主要基于体压电换能器，体压电换能器主要利用压电陶瓷的厚度振动模式产生超声波，由于厚度模式的谐振频率只与换能器的厚度相关，在同一平面上很难制作不同谐振频率的超声换能器。当其应用于高频时，厚度需要控制在亚微米级精度，其加工难度较高。其而微加工技术制作的超声换能器(MEMS超声换能器)振动在弯曲模式，具有刚度较低的振动薄膜，其声阻抗较小，能够更好地与气体与液体进行耦合。并且其谐振频率通过平面内尺寸控制，对加工精度要求较小。随着MEMS超声换能器技术的逐渐成熟，由于其兼具高性能、低成本、容易实现大规模生产的优点，超声波传感器的技术有转向MEMS超声换能器的趋势。MEMS超声换能器主要分两种电容式(cMUT)和压电式(pMUT)，pMUT较cMUT灵敏度稍低，但cMUT需要提供偏置电压并且电容极板间有细微的气隙，容易形成粘连，pMUT具有结构简单、换能材料换能效率高的优点，但其制作较复杂。

专利CN109196671A公开了一种压电式微加工超声换能器(pMUT)，其通过在换能器上增加高声速材料产生高频来减少声学衍射。该PMUT具有低品质因数，从而提供较短的启动和关闭时间，以使得能够通过时间选通更好地抑制寄生反射。专利CN107394036A公开了一种pMUT及pMUT换能器阵列的电极配置，其通过在上电极中使用双电极或多电极，通过对不同电极施加相同或不同的电信号，从而使得换能器具有不同的动作方式。专利CN106660074A公开了一种压电超声换能器及工艺，其通过使用锚定结构和机械层来构成空腔，通过机械层来调节堆叠层的中轴线的位置，从而允许堆叠层弯曲振动，通过使用凹部来调节谐振频率、品质因子Q等参数。总体来说，目前对pMUT的改进主要是针对其电极形状、在外面增加材料等，但其对提高pMUT能量转换效率作用有限。综上所述，目前超声换能器的灵敏度不高，传输声压较小，在很大程度上限制了其应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Helmholtz共振腔的可调频声波接收装置，该声波接收装置灵敏度高，能够提高超声换能器的电声能量转换效率。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：

一种基于Helmholtz共振腔的可调频声波接收装置，包括Helmholtz共振腔和声学传感器，所述Helmholtz共振腔包括腔体以及与所述腔体连通的通孔，所述Helmholtz共振腔设置在所述声学传感器上且所述腔体与所述声学传感器的表面接触连接。

进一步地，所述腔体由设置在所述声学传感器表面上的空心硅结构与所述声学传感器的表面围合形成，所述通孔设置在所述硅结构上。

进一步地，所述通孔的大小、数量、形状以及位置由所述Helmholtz共振腔的谐振频率决定。

进一步地，所述声学传感器为压电式超声换能器或电容式超声换能器。

进一步地，所述压电式超声换能器为三明治结构或者双压电晶片结构。