本实用新型专利技术公开了一种片上双芯片集成的飞行时间传感器，属于飞行时间传感器技术领域，目的在于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。其包括非金属外壳、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。本实用新型专利技术适用于一种片上双芯片集成的飞行时间传感器。芯片集成的飞行时间传感器。芯片集成的飞行时间传感器。
【技术实现步骤摘要】
一种片上双芯片集成的飞行时间传感器
[0001]本技术属于飞行时间传感器
，具体涉及一种片上双芯片集成的飞行时间传感器。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]PZT材料的优点是压电系数大，其压电系数d
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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。
[0006]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。
[0007]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。
技术实现思路
[0008]本技术的目的在于：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。
[0009]本技术采用的技术方案如下：
[0010]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。
[0011]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；
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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；
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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；
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]综上所述，由于采用了上述技术方案，本技术的有益效果是：
[0023]1、本技术中，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。
[0024]2、本技术中，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
[0025]为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，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技术的某些实施例，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：
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种片上双芯片集成的飞行时间传感器，其特征在于，包括非金属外壳(6)、PCB基板(1)、超声波发射芯片(2)、超声波接收芯片(3)，所述非金属外壳(6)安装于PCB基板(1)上并与PCB基板(1)围合形成有空腔，所述超声波发射芯片(2)和超声波接收芯片(3)设置于空腔内并安装于PCB基板(1)上表面，所述超声波发射芯片(2)和超声波接收芯片(3)通过金丝键合线与PCB基板(1)电连接，所述非金属外壳(6)上开设有进音孔(4)和出音孔(5)，所述进音孔(4)的圆心正对于超声波接收芯片(3)，所述出音孔(5)的圆心正对于超声波发射芯片(2)。2.按照权利要求1所述的一种片上双芯片集成的飞行时间传感器，其特征在于，所述超声波发射芯片(2)包括第一硅基基底(24)，所述第一硅基基底(24)上设置有第一压电材料结构层(23)，所述第一压电材料结构层(23)上表面设置有第一振动结构(21)，所述第一振动结构(21)内设置有激励电极(22)；所述超声波接收芯片(3)包括第二硅基基底(34)，所述第二硅基基底(34)上设置有第二压电材料结构层(33)，所述第二压电材料结构层(33)上表面设置有第二振动结构(31)，所述第二振动结构(31)边缘套设有接收电极(32)。3.按照权利要求2所述的一种片上双芯片集成的飞行时间传感器，其特征在于，所述第一振动结构(21)和第二振动结构(31)均为圆形，所述激励电极(22)为圆形且所述激励电极(22)覆盖在第一振动结构(21)内，所述激励电极(22)的直径小于第一振动结构(21)直径；所述接收电极(32)为圆环且所述接收电极(32)套设在第二振动结构(31)边缘。4.按照权利要求2所述的一种片上双芯片集成的飞行时间传感器，其特征在于，所述第一振动结构(21)和第二振动结构(31)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(21)内，所述激励电极(22)的边长小于第一振动结构(21)边长；所述接收电极(32)为方形边框且所述接收电极(32)套设在第二振动结构(31)边缘。5.按照权利要求1所述的一种片上双芯片集成的飞行时间传感器，其特征在于，所述超声波发射芯片(...
【专利技术属性】
技术研发人员：程东，
申请(专利权)人：广州蜂鸟传感科技有限公司，
类型：新型
国别省市：
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