CN110944274A - 一种基于Piston-mode的带质量负载可调谐MEMS压电声换能器 - Google Patents

一种基于Piston-mode的带质量负载可调谐MEMS压电声换能器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及传感器技术，尤其涉及一种基于Piston‑mode的带质量负载可调谐MEMS压电声换能器，包括MEMS压电声换能器和质量负载；质量负载设置于MEMS压电声换能器上并与MEMS压电声换能器的表面接触连接；质量负载或设置于MEMS压电声换能器的上表面，或设置于MEMS压电声换能器的下表面，或MEMS压电声换能器的上、下表面均设置质量负载。质量负载可将MEMS压电超声换能器的振动形式变为Piston‑mode，在该模式下，MEMS压电声换能器在振动时可以推动更多的空气，产生更大的声压。质量负载的加入会导致声换能器的谐振频率的改变，可以通过调节质量负载的结构、材料等参数调节声换能器的谐振频率。该换能器用于发射声波时，能提高电声能量转换效率；用于接收声波时，能提高换能器的灵敏度。

Description

一种基于Piston-mode的带质量负载可调谐MEMS压电声换 能器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种基于Piston-mode的带质量负载可调谐MEMS压电声换能器。
背景技术
压电声换能器是既可以用来发射又可以用来接收声波的换能元件。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。而微加工技术制作的声换能器(MEMS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，声传感器的技术有转向MEMS声换能器的趋势。MEMS声换能器主要有超声换能器、麦克风、水听器等类型。其中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。
目前对声换能器的改进主要针对其电极形状、材料厚度等，但对提高声换能器能量转换效率作用有限，导致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。普通声换能器薄膜的材料是连续、均匀的，在振动其振动形状为抛物线型，这就导致了位移最大的中心部分推动的空气较少。此时，若能将声换能器振动的中心区域的抛物线变为水平线，将导致声换能器位移最大的中心部分推动的空气大大增加，从而增加了声换能器产生的声波，这中振动方式被称为类活塞振动模式。在接收声波时，类活塞振动模式的声换能器相比普通的声换能器将产生更大的位移，从而产生更大的接收信号，从而提升声换能器接收时的灵敏度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于Piston-mode的带质量负载可调谐MEMS压电声换能器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于Piston-mode的带质量负载可调谐MEMS压电声换能器，包括MEMS压电声换能器和质量负载；质量负载设置于MEMS压电声换能器上并与MEMS压电声换能器的表面接触连接；质量负载或设置于MEMS压电声换能器的上表面，或设置于MEMS压电声换能器的下表面，或MEMS压电声换能器的上、下表面均设置质量负载。
在上述的基于Piston-mode的带质量负载可调谐MEMS压电声换能器中，质量负载的材料、大小、数量、形状以及设置的位置根据MEMS压电声换能器的谐振频率确定。
在上述的基于Piston-mode的带质量负载可调谐MEMS压电声换能器中，MEMS压电声换能器为压电微机械超声换能器，采用三明治结构或者双压电晶片结构；MEMS压电声换能器的形状为圆形，或正方形，或矩形，或六边形，或多边形。
在上述的基于Piston-mode的带质量负载可调谐MEMS压电声换能器中，三明治结构的压电声换能器包括带质量负载的第一衬底、依次沉积在第一衬底上的第一底电极、第一压电层、第一顶电极、第一绝缘层以及从第一顶电极上引出的第一电极和第二电极，质量负载设置在基材的下表面或者第一绝缘层的上表面，或者基材的下表面、第一绝缘层的上表面均设置。
在上述的基于Piston-mode的带质量负载可调谐MEMS压电声换能器中，双压电晶片结构的压电声换能器包括带质量负载的第二衬底、依次沉积在第二衬底上的第二底电极、第二压电层、中间电极、第三压电层、第二顶电极、第二绝缘层以及从第二顶电极上引出的第三电极和第四电极，质量负载设置在第二底电极的下表面或者第二绝缘层的上表面，或者第二底电极的下表面、第二绝缘层的上表面均设置。
本发明的有益效果：1)本发明将MEMS压电声换能器与质量负载相结合，在压电声换能器发射声波时，由于振膜中心区域的刚度增加，振动幅度变缓，形成类似活塞的振动模式(Piston-mode)，在单位时间内振膜可以推动更多的空气，形成更高的声压，从而提高声换能器的电声能量转换效率；
2)本发明将MEMS压电声换能器与质量负载相结合，在压电声换能器接收声波时，由于振膜质量增大，在相同的声压下，可以产生更大的应变，由于压电效应可知，在这种情况下压电材料表面可以产生更多的极化电荷，从而提高输出电压，进而提高压电声换能器的灵敏度。
3)本发明将MEMS压电声换能器与质量负载相结合，质量负载的材料有多种可选方案，质量负载的数量、大小以及布置位置可根据实际情况进行选择，从而实现对MEMS压电声换能器谐振频率的调节。
附图说明
图1是本发明以传统结构压电声换能器底部添加质量负载作为实施例的截面图；
图2是本发明以传统结构压电声换能器且在顶部添加质量负载作为实施例的截面图；
图3是本发明以传统结构压电声换能器且在顶部和底部均添加质量负载作为实施例的截面图；
图4是本发明实施例与传统压电声换能器薄膜位移曲线的对比图；
图5是本发明实施例与传统压电声换能器发射声压的对比图；
图6是本发明实施例与传统压电声换能器接收灵敏度的对比图；
其中：1-带质量负载的衬底；2-底电极；3-压电层；4-顶电极；5-绝缘层；6-质量负载；7-MEMS压电声换能器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例通过在MEMS压电声换能器上添加质量负载，使薄膜中心区域的质量和刚度增加，从而薄膜的中部区域的振动幅度趋于一致，体现为类似活塞的振动模式，在相同的时间下，可以推动更多的空气产生更高的声压；此外，在接收声波时，在相同的声压下，由于振膜质量增大，在相同的声压下，可以产生更大的应变，由于压电效应可知，在这种情况下压电材料表面可以产生更多的极化电荷，从而提高输出电压，进而提高压电声换能器的灵敏度。
声换能器薄膜的振动可等效为圆心处有一等效的集中质量Me1在等效集中弹簧Ke作用下进行振动，从而得到等效系统的固有频率为：
Figure BDA0002280697590000051
设置的质量负载相当于在薄膜中心附加一集中质量Me2随薄膜一起振动，因而等效总质量为Me1+Me2，于是利用等效系统的固有频率关系可得新系统的固有频率为：
Figure BDA0002280697590000052
从上式可以看出，添加质量负载使系统的固有频率降低，从而实现对MEMS压电声换能器的调频。
因此，质量负载可将MEMS压电超声换能器的振动形式变为Piston-mode，在该模式下，MEMS压电声换能器在振动时可以推动更多的空气，从而产生更大的声压。同时，由于质量负载的加入会导致声换能器的谐振频率的改变，从而可以通过调节质量负载的结构、材料等参数调节声换能器的谐振频率。该结构可用于发射或接收声波，当其用于发射声波时，由于激发的类似活塞的振动可以在相同时间内推动更多的空气产生更高的声压，从而提高换能器的电声能量转换效率；当其用于接收声波时，可以获得更大的薄膜位移，从而提高换能器的灵敏度。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种基于Piston-mode的带质量负载可调谐MEMS压电声换能器，包括MEMS压电声换能器和质量负载，质量负载设置在MEMS压电声换能器上并与MEMS压电声换能器的表面接触连接，其可设置于MEMS压电声换能器上表面(如图2所示)、下表面(如图1所示)或上下表面均设置(如图3所示)。
而且，质量负载的材料、大小、数量、形状以及位置可由MEMS压电声换能器的谐振频率的需求决定，改变这些参数可以实现对MEMS压电声换能器的调谐。
而且，MEMS压电声换能器为压电微机械超声换能器时可以采用三明治结构或者双压电晶片结构。
而且，压电声换能器的三明治结构包括带质量负载的第一衬底、依次沉积在第一衬底上的第一底电极、第一压电层、第一顶电极、第一绝缘层以及从第一顶电极上引出的第一电极和第二电极，质量负载可以设置在基材的下表面或者第一绝缘层的上表面或上下表面均设置。
而且，压电声换能器的双压电晶片结构包括带质量负载的第二衬底、依次沉积在第二衬底上的第二底电极、第二压电层、中间电极、第三压电层、第二顶电极、第二绝缘层以及从第二顶电极上引出的第三电极和第四电极，质量负载可以设置在第二底电极的下表面或者第二绝缘层的上表面或上下表面均设置。
而且，MEMS压电声换能器可用于构成压电微机械超声换能器(PMUT)、麦克风、水听器等声学器件。
具体实施时，如图1所示，一种基于Piston-mode的带质量负载可调谐MEMS压电声换能器，包括MEMS压电声换能器7和质量负载6。质量负载6设置在MEMS压电声换能器7上并与MEMS压电声换能器7的下表面接触连接。MEMS压电声换能器7包括带质量负载的衬底1、下电极2、压电层3、上电极4以及绝缘层5。质量负载6使MEMS压电声换能器7振膜中心区域的刚度增加，形成类似活塞的振动模式(Piston-mode)，如图4所示。在单位时间内振膜可以推动更多的空气，形成更高的声压，如图5所示，从而可以提高声换能器的电声能量转换效率。
本实施例换能器将MEMS压电声换能器7与质量负载6相结合，在压电声换能器7接收声压时，由于振膜质量增大，在相同的声压下，可以产生更大的应变，由于压电效应可知，在这种情况下压电材料3表面可以产生更多的极化电荷，从而提高输出电压，进而提高压电声换能器7的灵敏度。如图6所示，相比传统声换能器，本实施例的灵敏度得到优化，可以实现预期效果。
本实施例质量负载6的材料有多种可选方案，质量负载的数量、大小以及布置位置可根据实际情况进行选择，从而实现对MEMS压电声换能器7的谐振频率进行调节。
此外，本实施例中MEMS压电声换能器7采用传统三明治结构或者双压电晶片结构均可。当然，MEMS压电声换能器7的形状也可为多种形式，比如圆形，正方形，矩形，六边形或者其他多边形。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种基于Piston-mode的带质量负载可调谐MEMS压电声换能器，其特征是，包括MEMS压电声换能器和质量负载；质量负载设置于MEMS压电声换能器上并与MEMS压电声换能器的表面接触连接；质量负载或设置于MEMS压电声换能器的上表面，或设置于MEMS压电声换能器的下表面，或MEMS压电声换能器的上、下表面均设置质量负载。
2.如权利要求1所述的基于Piston-mode的带质量负载可调谐MEMS压电声换能器，其特征是，质量负载的材料、大小、数量、形状以及设置的位置根据MEMS压电声换能器的谐振频率确定。
3.如权利要求1所述的基于Piston-mode的带质量负载可调谐MEMS压电声换能器，其特征是，MEMS压电声换能器为压电微机械超声换能器，采用三明治结构或者双压电晶片结构；MEMS压电声换能器的形状为圆形，或正方形，或矩形，或六边形，或多边形。
4.如权利要求3所述的基于Piston-mode的带质量负载可调谐MEMS压电声换能器，其特征是，三明治结构的压电声换能器包括带质量负载的第一衬底、依次沉积在第一衬底上的第一底电极、第一压电层、第一顶电极、第一绝缘层以及从第一顶电极上引出的第一电极和第二电极，质量负载设置在基材的下表面或者第一绝缘层的上表面，或者基材的下表面、第一绝缘层的上表面均设置。
5.如权利要求3所述的基于Piston-mode的带质量负载可调谐MEMS压电声换能器，其特征是，双压电晶片结构的压电声换能器包括带质量负载的第二衬底、依次沉积在第二衬底上的第二底电极、第二压电层、中间电极、第三压电层、第二顶电极、第二绝缘层以及从第二顶电极上引出的第三电极和第四电极，质量负载设置在第二底电极的下表面或者第二绝缘层的上表面，或者第二底电极的下表面、第二绝缘层的上表面均设置。
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