CN111570245A - 一种具有蝶形振动薄膜的微机电压电式超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有蝶形振动薄膜的微机电压电式超声波换能器。换能器的结构包括基底、弹性结构层、下电极、压电层和上电极。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。本发明在弹性结构层采用锚端结构，将振动薄膜的外形设计为圆形和扇环的组合，提高了换能器整体柔度，在有限的面积内降低了换能器的谐振工作频率；增大了换能器的有效工作面积，提高了换能器的发射声压，提高了工作带宽和灵敏度。
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
压电式超声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，且由于其声阻抗与常见声传递介质(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换能器，则有效的克服了上述缺点。微机电超声换能器采用薄膜柔性振动模式，其声阻抗与声传递介质的阻抗较为匹配。微机电超声换能器主要分为两种，电容式微机电超声换能器和压电式微机电超声换能器。和电容式微机电超声换能器相比，应用了压电材料的压电式微机电超声换能器不需要用直流偏置电压来提高灵敏度，具有更低的电阻抗，对寄生电容的敏感程度也较低。
发明内容
普通的微机电压电式超声换能器的谐振工作频率一般由其振动薄膜的面积决定，谐振频率随面积的增大而逐渐减小。本发明的目的在于解决现有技术中存在的难以在面积较小的区域内制造出具有较低谐振工作频率的微机电压电式超声换能器、以及存在的带宽和灵敏度不高的问题，提供了一种具有蝶形振动薄膜的微机电压电超声换能器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种具有蝶形振动薄膜的微机电压电式超声换能器，其包括基底、下电极、压电层和上电极，基底背面中间部分开设槽形空腔，使其正面形成圆形的弹性结构层，槽型空腔周边的基底作为弹性结构层的固定端；弹性结构层的正面由下往上依次堆叠下电极、压电层和上电极，与弹性结构层共同构成振动薄膜；下电极满铺覆盖在弹性结构层的正面；下电极和弹性结构层均刻蚀形成由若干锚端支撑的蝶形结构，蝶形结构由圆形区域和若干扇环区域组成，呈中心对称形式；圆形区域周向通过各锚端固定在基底上，相邻两个锚端之间具有一个扇环区域，扇环区域的内环边与圆形区域相接，外环边及两侧边均悬空；所述压电层和上电极覆盖在圆形区域和扇环区域表面，使振动薄膜形成边界固支的振动形式。
作为优选，所述的弹性结构层的厚度为5～10μm，其半径为100μm～1mm。
作为优选，所述的基底的厚度为200μm～1mm。
作为优选，所述的蝶形结构中，具有一个位于中心的圆形区域和4个均匀分布于圆形区域四周的扇环区域，圆形区域与弹性结构层的圆心重合。
作为优选，每个所述的锚端呈矩形，4个矩形锚端均匀分布在圆形区域的圆周方向，且锚端的长边方向中轴线穿过圆形区域的圆心。
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，所述的下电极为硼掺杂的硅，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。
本发明的微机电压电式超声换能器工的作原理是利用正、逆压电效应实现机械能到电能或电能到机械能的转换。通过引入锚端结构，提高了换能器的柔度，从而在不改变超声换能器整体面积的情况下有效降低谐振工作频率；在振动薄膜原有的圆形区域A外部增加由若干扇环结构组成的扇环区域B，增大了换能器的有效工作面积，增大了换能器的发射声压，同时可以进一步降低谐振工作频率，以及提高换能器的带宽和灵敏度。
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是本发明中具有蝶形振动薄膜的微机电压电超声波换能器的结构示意图。
图2是振动薄膜圆形区域A和扇环区域B的划分示意图。
图3是图1的局部剖面示意图。
图4是现有技术中采用圆形振动薄膜的微机电压电超声波换能器的结构示意图。
图5是具有蝶形振动薄膜的微机电压电超声波换能器以一阶谐振频率振动时的振幅示意图。
图中：上电极1、压电层2、下电极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，具有蝶形振动薄膜的微机电压电式超声换能器，其主要包括基底4、下电极3、压电层2和上电极1，基底4背面中间部分通过选择性刻蚀开设出槽形空腔，使其正面形成具有一定厚度的弹性结构层41。槽型空腔周边的未被刻蚀的部分基底4作为弹性结构层41的固定端。弹性结构层41的正面由下到上依次堆叠下电极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。下电极3以满铺形式覆盖在基底4的正面，下电极3可以预先加工至基底4上，然后在将下电极3和弹性结构层41整体刻蚀形成由若干锚端支撑的蝶形结构。蝶形结构是振动薄膜00的核心，它由圆形区域A和若干扇环区域B组成，呈中心对称形式。扇环区域B的数量可以根据需要调整，最少为两个，在本实施例中共有4个扇环区域B。其中，圆形区域A与弹性结构层41的圆心重合，其周向通过4个锚端固定在基底4上，相邻两个锚端之间具有一个扇环区域B，扇环区域B的内环边与圆形区域A相接，外环边及两侧边均悬空，与锚端不接触。压电层2和上电极1仅覆盖在圆形区域A和扇环区域B表面。压电层2和上电极1的形状既可以为常规的圆形，也可以选择为同振动薄膜类似的有圆形和若干扇环组合而成的蝶形。由此，振动薄膜00形成了边界固支的振动形式。
该换能器作为发射端时，通过在上电极1和下电极3施加交变电压利用逆压电效应驱动振动薄膜00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动薄膜00振动转化为电信号输出。该压电式超声换能器通过引入锚端结构，提高了换能器的柔度，从而在不改变超声换能器整体面积的情况下有效降低谐振工作频率。在振动薄膜原有的圆形区域A外部又增加了由4个扇环结构组成的扇环区域B，相对图4的圆形振动薄膜的结构，增大了换能器的有效工作面积，增大换能器的发射声压，同时可以进一步降低谐振工作频率，提高换能器的带宽和灵敏度。
另外，在本实施例中，各部件的结构参数如下：上电极1的材料为铝，厚度为1μm；压电层2的材料为氮化铝，厚度为0.5μm；下电极3的材料为硼掺杂的硅，厚度可忽略不计，当然也可以采用金属材料如金、铂、铝或锡等；基底4的材料为半导体硅，厚度为400μm。通过从基底4的背部选择性刻蚀部分硅材料来产生振动薄膜00，刻蚀后形成的弹性结构层41的厚度为5μm，其半径为100μm。蝶形振动薄膜中，圆形区域A的半径为75μm，扇环区域B的外环边和内环边之间的宽度为25μm，单个扇环区域B的圆心角为90°。压电层2和上电极1的也与蝶形结构类似，但外边缘相对于蝶形结构略有内缩。4个矩形锚端均匀分布在圆形区域(A)的圆周方向，且锚端的长边方向中轴线穿过圆形区域A的圆心
图5所示为本实施例的具有蝶形振动薄膜的微机电压电式超声换能器以一阶谐振频率振动时的振幅图。曲线的峰值处代表振动薄膜的中心。随着位置远离中心，振幅逐渐下降，但曲线仍较为平坦，振动薄膜边缘处与中心处的振幅并无较大差值，表明采用该结构的超声换能器振型较为接近理想的活塞式振型，可以拥有更大的发射声压。
本发明提出一种具有蝶形振动薄膜的微机电压电式超声换能器。通过引入锚端结构，提高了换能器的柔度，从而在不改变超声换能器整体面积的情况下有效降低谐振工作频率；在振动薄膜原有的圆形区域A外部增加由若干扇环结构组成的扇环区域B，增大了换能器的有效工作面积，增大了换能器的发射声压，同时可以换能器整体面积不变的情况下进一步降低谐振工作频率，以及提高换能器的带宽和灵敏度。
Claims (10)
1.一种具有蝶形振动薄膜的微机电压电式超声换能器，其特征在于：包括基底(4)、下电极(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，使其正面形成圆形的弹性结构层(41)，槽型空腔周边的基底(4)作为弹性结构层(41)的固定端；弹性结构层(41)的正面由下往上依次堆叠下电极(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)；下电极(3)满铺覆盖在基底(4)的正面；下电极(3)和弹性结构层(41)均刻蚀形成由若干锚端支撑的蝶形结构，蝶形结构由圆形区域(A)和若干扇环区域(B)组成，呈中心对称形式；圆形区域(A)周向通过各锚端固定在基底(4)上，相邻两个锚端之间具有一个扇环区域(B)，扇环区域(B)的内环边与圆形区域(A)相接，外环边及两侧边均悬空；所述压电层(2)和上电极(1)覆盖在圆形区域(A)和扇环区域(B)表面，使振动薄膜(00)形成边界固支的振动形式。
2.根据权利要求1所述的具有蝶形振动薄膜的微机电压电式超声换能器，其特征在于：所述的弹性结构层(41)的厚度为5～10μm，其半径为100μm～1mm。
3.根据权利要求1所述的具有蝶形振动薄膜的微机电压电式超声换能器，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所述的具有蝶形振动薄膜的微机电压电式超声换能器，其特征在于：所述的蝶形结构中，具有一个位于中心的圆形区域(A)和4个均匀分布于圆形区域(A)四周的扇环区域(B)，圆形区域(A)与弹性结构层(41)的圆心重合。
5.根据权利要求4所述的具有蝶形振动薄膜的微机电压电式超声换能器，其特征在于：每个所述的锚端呈矩形，4个矩形锚端均匀分布在圆形区域(A)的圆周方向，且锚端的长边方向中轴线穿过圆形区域(A)的圆心。
6.根据权利要求1所述的具有蝶形振动薄膜的微机电压电式超声换能器，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。
7.根据权利要求1所述的具有蝶形振动薄膜的微机电压电式超声换能器，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。
8.根据权利要求1所述的具有蝶形振动薄膜的微机电压电式超声换能器，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。
9.根据权利要求1所述的具有蝶形振动薄膜的微机电压电式超声换能器，其特征在于：所述的下电极(3)为硼掺杂的硅，或金属材料金、铂、铝或锡。
10.根据权利要求1所述的具有蝶形振动薄膜的微机电压电式超声换能器，其特征在于：所述的上电极(1)为金属材料金、铂、铝或锡。
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