CN108296155B - 具有v形弹簧的微机电压电超声波换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器。换能器设有基底、结构层、底电极、压电层、上电极。换能器工作原理是利用正、逆压电效应实现机械能到电能或电能到机械能的转换。本发明在结构层上通过V形弹簧将振膜应力符号相反的两个区域连接的设计，利用V形弹簧的多级刚度特性实现大带宽。同时，V形弹簧有利于减少振膜在残余应力作用下的初始形变，从而提高换能器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)技术领域中的换能器领域，特别是涉及一种具有大带宽、高灵敏度的压电超声波换能器。
背景技术
压电超声波换能器是一种既可以将电能转换为机械能，又可以将机械能转化为电能的集收发超声波为一体的器件。传统的超声波换能器采用机械加工的方式，其体积大、功耗高、不利于集成化，且由于其声阻抗与传统声传递介质(空气、水)不匹配，其声发射效率较低。结合微机电系统技术采用的微制造工艺加工出的微机电超声波换能器则有效的克服了上述缺点。微机电超声波换能器按其工作原理可主要分为微机电电容式超声波换能器和微机电压电式超声波换能器：电容式超声波换能器的灵敏度和带宽较于压电式超声波换能器有一定优势，但其需要很高的直流偏置电压和极窄的电容间隙来实现，同时限于有限的振幅，其发射的声压也很有限[1]；相反，压电式超声波换能器的振幅要大很多，但限于现阶段压电材料有限的压电常数以及在加工过程的残余应力，微机电压电式超声波的带宽及灵敏度还需要进一步的优化。本发明所设计的具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器可以有效的提高其灵敏度，增大其带宽，在日常的应用场合如：指纹识别[2]、距离检测[3]和能量采集[4]等具有更大的优势。
引用文献：
[1]Jung J,Kim S,Lee W and Choi H 2013 Fabrication of a two-dimensional piezoelectric micromachined ultrasonic transducer array using atop-crossover-to-bottom structure and metal bridge connections,J.Micromechanics Microengineering 23 125037.
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发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的带宽及灵敏度不高的问题，并提供一种具有V形弹簧(V-shaped Spring)的微机电压电超声波换能器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器，其包括基底、底电极、压电层和上电极，基底背面中间部分开设槽形空腔，使基底正面形成弹性结构层，槽形空腔周边的基底作为弹性结构层的固定端；弹性结构层的正面依次堆叠底电极、压电层和上电极，与弹性结构层共同构成振动薄膜；底电极覆盖基底正面；底电极和弹性结构层刻蚀有呈圆环形阵列排布的V形弹簧，且V形弹簧位于弹性结构层上的拉应力和压应力过渡区域中；压电层和上电极围绕V形弹簧铺设但不覆盖V形弹簧。
换能器作为发射端时，通过在上、底电极施加交变电压利用逆压电效应驱动振膜做平面外振动，从而产生超声波；作为接收端时，利用正压电效应将在外部超声波激励下引起的振膜振动转化为电信号输出。
作为优选，所述的振动薄膜的厚度为5～10μm，长度和宽度为100μm～1mm。
作为优选，所述的基底的厚度为200μm～1mm。
作为优选，所述的V形弹簧的厚度与弹性结构层及底电极厚度之和一致，为4～7μm；其V字形的夹角为40°～170°；V形弹簧排布形成的圆环与弹性结构层中心同心，且圆环的内径为0.55R，圆环的外径为0.65R，R为弹性结构层的半边长。
作为优选，所述的基底和弹性结构层为半导体材料硅，包括单晶硅或多晶硅。
作为优选，所述的槽形空腔通过在基底背面选择性刻蚀形成。
作为优选，所述的压电层中的压电材料为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷。
作为优选，所述的底电极为硼掺杂的硅，或金属材料金、铂、铝或锡。
作为优选，所述的上电极为金属材料金、铂、铝或锡。
作为优选，所述的压电层和上电极均为与V形弹簧同心设置的方形环，方形环的内边和外边与弹性结构层中心的距离分别为0.65R和R，R为弹性结构层的半边长。
本发明的换能器工作原理是利用正、逆压电效应实现机械能到电能或电能到机械能的转换。在结构层上通过V形弹簧将振膜应力符号相反的两个区域连接的设计，利用V形弹簧的多级刚度特性实现大带宽。同时，V形弹簧有利于减少振膜在残余应力作用下的初始形变，从而提高换能器的灵敏度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明
图1是本发明中具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器的结构示意图；
图2是图1的A-A剖面示意图；
图3是图2中虚线框B的局部放大图；
图4是具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器的作为发射端时的仿真振型图；
图5是边长为250μm的具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器的振动时的应力分布图；
图中：上电极1、压电层2、底电极3、基底4、弹性结构层41、振动薄膜00。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1～3所示，具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器，其主要包括基底4、底电极3、压电层2和上电极1。通过在基底4背部选择性刻蚀出一个槽形空腔，使基底4正面形成一定厚度的弹性结构层41，弹性结构层41周边未被刻蚀的部分基底4形成固定端(锚端)。弹性结构层41的正面由下至上依次堆叠底电极3、压电层2和上电极1，底电极3、压电层2和上电极1与弹性结构层41共同构成振动薄膜00。底电极3覆盖基底4正面，在底电极3和弹性结构层41上，通过刻蚀的方式形成V形弹簧，且V形弹簧位于弹性结构层41上的拉应力和压应力过渡区域中。V形弹簧是通过刻蚀出若干个呈圆环形阵列排布的六边形通孔而成，每个通孔均在刻蚀过程中贯穿弹性结构层41和底电极3，保留下来的部分形成呈圆环形阵列排布的V形弹簧。如图1所示，压电层2和上电极1围绕V形弹簧铺设但不覆盖V形弹簧。换能器作为发射端时，通过在上、底电极施加交变电压利用逆压电效应驱动振膜做平面外振动，从而产生超声波；作为接收端时，利用正压电效应将在外部超声波激励下引起的振膜振动转化为电信号输出。
另外，本实施例中，各部件的结构参数如下：上电极1材料为铝电极，厚度为1μm；压电层2材料为氮化铝，厚度为0.5μm。压电层2和上电极1均为与V形弹簧同心设置的方形环状，方形环的内边和外边与弹性结构层中心的距离分别为0.65R和R，R为弹性结构层41的半边长(125μm)。图1～3中为了区分显示上电极和压电层，故将压电层方形环的内边和外边与弹性结构层中心的距离进行了适度的延伸，但本实施例中上电极和压电层的内、外边缘实际在垂直方向上完全重合。整个超声波换能器的各层部件均同心布置。底电极3材料为硼掺杂的硅，厚度为1μm。基底4材料为半导体硅，厚度为400μm，通过从背部选择性刻蚀部分硅来释放振膜00，刻蚀后形成的弹性结构层41的厚度为5μm，长度和宽度为250μm。V形弹簧的厚度与弹性结构层41及底电极3厚度之和一致，为6μm。叠加后形成的振动薄膜00的总厚度为7.5μm，长度和宽度为250μm。V形弹簧的V字形夹角为130°，且圆环的内径为0.55R，圆环的外径为0.65R，因此本实施例中，图1的上电极和压电层的内边缘实际贴近V形弹簧。
如图4所示，该具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器作为发射端，通过在上电极1、和底电极3给压电层2施加一定频率的交变电压，根据逆压电效应，会产生和电场方向垂直和平行的两个方向的应力，由于在本实例中氮化铝材料的d31压电常数更为显著，因此主要考虑与电场方向垂直的应力的作用。应力的方向随着交变电压的电场方向变化而不断变化，在交变应力的驱动下，振膜00受迫做平面外运动，其振型大致服从高斯分布的特性：中心处振幅最大，从中心向边缘振幅不断衰减。
如图5所示，振动薄膜00边长为250μm的具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器在某个驱动瞬间的应力分布，图中负应力表示压应力，正应力表示拉应力。从图中可看出，压、拉应力过渡区域的边长范围为50μm附近和200μm附近，也就相当于从中心往外的半边长(125μm)的60％附近，因而将V形弹簧的位置设为由弹性结构层中心向外半边长55％～65％的区域，可以尽可能减少应力作用对弹簧结构的破坏。
本发明所提出一种具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器，通过采用V形弹簧，可有效地减少由残余应力导致的振膜变形，从而让在初始状态下的振膜更加平坦，进而提高其灵敏度；同时，由于V形弹簧的多级刚度特性：V形弹簧在振膜振幅较大时表现出较大的刚度从而起到约束作用，而在振幅较小时表现出较小的刚度从而起到促进作用，因此V形弹簧有利于提高换能器的带宽。综上，具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器具有大带宽、高灵敏度的优势。
Claims (10)
1.一种具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器，其特征在于：包括基底(4)、底电极(3)、压电层(2)和上电极(1)，基底(4)背面中间部分开设槽形空腔，使基底(4)正面形成弹性结构层(41)，槽形空腔周边的基底(4)作为弹性结构层(41)的固定端；弹性结构层(41)的正面依次堆叠底电极(3)、压电层(2)和上电极(1)，与弹性结构层(41)共同构成振动薄膜(00)；底电极(3)覆盖基底(4)正面；底电极(3)和弹性结构层(41)刻蚀有呈圆环形阵列排布的V形弹簧，且V形弹簧位于弹性结构层(41)上的拉应力和压应力过渡区域中；压电层(2)和上电极(1)围绕V形弹簧铺设但不覆盖V形弹簧。
2.根据权利要求1所述的具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器，其特征在于：所述的振动薄膜(00)的厚度为5～10μm，长度和宽度为100μm～1mm。
3.根据权利要求1所述的具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器，其特征在于：所述的基底(4)的厚度为200μm～1mm。
4.根据权利要求1所述的具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器，其特征在于：所述的V形弹簧的厚度与弹性结构层(41)及底电极(3)厚度之和一致，为4～7μm；其V字形的夹角为40°～170°；V形弹簧排布形成的圆环与弹性结构层(41)中心同心，且圆环的内径为0.55R，圆环的外径为0.65R，R为弹性结构层(41)的半边长。
5.根据权利要求1所述的具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器，其特征在于：所述的基底(4)和弹性结构层(41)为半导体材料硅，包括单晶硅或多晶硅。
6.根据权利要求1所述的具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器，其特征在于：所述的槽形空腔通过在基底(4)背面选择性刻蚀形成。
7.根据权利要求1所述的具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器，其特征在于：所述的压电层(2)中的压电材料为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷。
8.根据权利要求1所述的具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器，其特征在于：所述的底电极(3)为硼掺杂的硅，或金属材料金、铂、铝或锡。
9.根据权利要求1所述的具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器，其特征在于：所述的上电极(1)为金属材料金、铂、铝或锡。
10.根据权利要求1所述的具有V形弹簧的微机电压电超声波换能器，其特征在于：所述的压电层(2)和上电极(1)均为与V形弹簧同心设置的方形环，方形环的内边和外边与弹性结构层中心的距离分别为0.65R和R，R为弹性结构层(41)的半边长。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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