基于硅微加工技术的超声定位微声学系统

1.一种基于硅微加工技术的超声定位微声学系统，其特征在于：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，超声波发射源(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)； 其定位坐标的确定是从超声发射源(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：
$\left\{\begin{array}{c}{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2={D_1}^2={(v·t_1)}^2\\ {(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2={D_2}^2={(v·t_2)}^2\end{array}\right.$
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。
2.根据权利要求1所述基于硅微加工技术的超声定位微声学系统，其特征在 于：所述基于硅微加工技术的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)、锆钛酸铅薄膜层 或磁控溅射的氮化铝薄膜层(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)。

技术领域\n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。\n背景技术\n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。\n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)。\n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。\n发明内容\n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；作为超声波发射源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。作为超声波发射源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< ( x - x 1 ) 2 + ( y - y 1 ) 2 = D 1 2 = ( v · t 1 ) 2 ( x - x 2 ) 2 + ( y - y 2 ) 2 = D 2 2 = ( v · t 2 ) 2 \n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。\n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，超声波发射源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。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<