CN111957544B - 压电微机械超声换能器背衬结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种压电微机械超声换能器背衬结构，包括相连的填充部和倾斜部，填充部设置于压电微机械超声换能器的背腔中，倾斜部远离填充部的一侧具有倾斜面，倾斜面与压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面之间具有夹角。本发明的压电微机械超声换能器背衬结构，倾斜部设置倾斜面，传播的声波经过填充部和倾斜部吸收的同时，在倾斜面被反射，减少反射回压电薄膜的声波，提升压电微机械超声换能器的分辨率。压电微机械超声换能器阵列中，多个倾斜面与其相对应的压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面之间的夹角相一致，使压电微机械超声换能器阵列各个单元间具有相同的背衬衰减特性，提升压电微机械超声换能器阵列各单元的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及微机电技术领域，特别是涉及一种压电微机械超声换能器背衬结构。
背景技术
压电微机械超声换能器(Piezoelectric Micromachined UltrasonicTransducers，PMUT)是基于微机电系统(MEMS)的新型换能器，与传统的换能器相比具有重量轻、体积小、可靠性高且易于IC工艺集成和阵列化等优势。压电微机械超声换能器背衬结构可与压电薄膜进行阻抗匹配，从而减少压电振子的振动次数，提高换能器的频带宽度，同时背衬材料可吸收压电薄膜背向发射的声波，从而减少换能器的固有杂波，提高换能器探测精度。图1为一种常见的换能器背衬结构示意图，压电层与背衬层直接相连，当电信号通过压电薄膜两侧的电子加到压电薄膜上时，压电薄膜由于自身的压电效应而发生形变从而会产生声波。其中向后传播至背衬层中的声波需尽量被吸收，尽量减小从背面反射回信号的强度。
由于MEMS工艺制备的压电微机械超声换能器阵列结构尺寸很小，压电薄膜的厚度在几十um以内，根据换能器频率的不同，单个阵元压电薄膜直径在几十～几百um范围内，压电微机械超声换能器阵列的单个阵元结构示意图如图2所示。而传统的换能器背衬结构比较简单，一般将背衬材料与压电层直接粘接，这种背衬结构仅能适用于较大尺寸换能器。针对压电微机械超声换能器，常规背衬结构会影响压电薄膜的振动特性，导致其振动幅值减小及声波能量减小，同时压电薄膜直径较小，传统背衬结构难以确保其完全填充，导致声波不能完全被后面的背衬材料吸收，从背衬材料反射回来的声波会影响正面的声波导致信息不准确。
总结下来存在以下缺点：(1)传统换能器所填充背衬结构尺寸较大，对压电微机械超声换能器的压电薄膜振动特性影响较大，导致其灵敏度降低；(2)压电微机械超声换能器阵列尺寸较小，难以确保压电微机械超声换能器阵列不同单元间衰减特性的一致性。
因此，如何改变现有技术中，压电微机械超声换能器的背衬反射回来的声波影响正面的声波以及压电微机械超声换能器阵列衰减特性不一致的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种压电微机械超声换能器背衬结构，以解决上述现有技术存在的问题，提高压电微机械超声换能器的分辨率以及压电微机械超声换能器阵列的一致性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种压电微机械超声换能器背衬结构，包括相连的填充部和倾斜部，所述填充部设置于压电微机械超声换能器的背腔中，所述倾斜部远离所述填充部的一侧具有倾斜面，所述倾斜面与压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面之间具有夹角；
压电微机械超声换能器阵列包括呈阵列状分布的多个压电微机械超声换能器，所述填充部、所述倾斜部的数量与压电微机械超声换能器的数量相一致且一一对应，多个倾斜面与压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面之间的夹角相一致。
优选地，所述倾斜面与压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面之间的夹角为45°。
优选地，压电微机械超声换能器阵列为矩形阵列时，每一列所述倾斜部相连，每一列所述倾斜面位于同一平面内。
优选地，压电微机械超声换能器阵列为矩形阵列时，多列所述倾斜面平行设置。
优选地，压电微机械超声换能器阵列为矩形阵列时，相邻列所述倾斜部相连。
优选地，所述倾斜部包括相连的连接段和反射段，所述连接段与所述填充部相连，所述倾斜面位于所述反射段。
优选地，所述连接段的横截面积较所述填充部的横截面积大，所述连接段的顶面与所述反射段的底面形状相一致。
优选地，所述填充部的高度与压电微机械超声换能器的背腔深度相一致。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的压电微机械超声换能器背衬结构，包括相连的填充部和倾斜部，填充部设置于压电微机械超声换能器的背腔中，倾斜部远离填充部的一侧具有倾斜面，倾斜面与压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面之间具有夹角；压电微机械超声换能器阵列包括呈阵列状分布的多个压电微机械超声换能器，填充部、倾斜部的数量与压电微机械超声换能器的数量相一致且一一对应，多个倾斜面与压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面之间的夹角相一致。本发明的压电微机械超声换能器背衬结构，在压电微机械超声换能器的背腔中设置填充部，填充部连接有倾斜部，倾斜部设置倾斜面，传播的声波经过填充部和倾斜部吸收的同时，在倾斜面被反射，倾斜面与压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面之间具有夹角，减少反射回压电薄膜的声波，提升压电微机械超声换能器的分辨率。压电微机械超声换能器阵列中，多个倾斜面与其相对应的压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面之间的夹角相一致，使压电微机械超声换能器阵列各个单元间具有相同的背衬衰减特性，提升压电微机械超声换能器阵列各单元的一致性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中常见的换能器背衬结构示意图；
图2为现有技术中压电微机械超声换能器阵列的单个阵元结构示意图；
图3为本发明的压电微机械超声换能器背衬结构的剖切示意图；
图4为本发明的压电微机械超声换能器背衬结构应用于压电微机械超声换能器阵列时的示意图；
图5为本发明的压电微机械超声换能器背衬结构的尺寸示意图；
图6为现有技术中压电微机械超声换能器背衬结构反射声波波形图；
图7为本发明的压电微机械超声换能器背衬结构反射声波波形图(倾斜面与压电薄膜之间的夹角为30°)；
其中，101为填充部，102为倾斜部，103为传播路径，104为倾斜面，105为连接段，106为反射段，L1为压电微机械超声换能器的背腔直径，L2为填充部的高度，L3为背衬结构材料的总高度，Deg为倾斜面与压电薄膜之间的角度。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种压电微机械超声换能器背衬结构，以解决上述现有技术存在的问题，提高压电微机械超声换能器的分辨率以及压电微机械超声换能器阵列的一致性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图3-7，其中，图3为本发明的压电微机械超声换能器背衬结构的剖切示意图，图4为本发明的压电微机械超声换能器背衬结构应用于压电微机械超声换能器阵列时的示意图，图5为本发明的压电微机械超声换能器背衬结构的尺寸示意图；图6为现有技术中压电微机械超声换能器背衬结构反射声波波形图；图7为本发明的压电微机械超声换能器背衬结构反射声波波形图(倾斜面与压电薄膜之间的夹角为30°)。
本发明提供一种压电微机械超声换能器背衬结构，包括相连的填充部101和倾斜部102，填充部101设置于压电微机械超声换能器的背腔中，倾斜部102远离填充部101的一侧具有倾斜面104，倾斜面104与压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面之间具有夹角。
本发明的压电微机械超声换能器背衬结构，在压电微机械超声换能器的背腔中设置填充部101，填充部101连接有倾斜部102，倾斜部102设置倾斜面104，传播的声波经过填充部101和倾斜部102吸收的同时，在倾斜面104被反射，倾斜面104与压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面之间具有夹角，减少反射回压电薄膜的声波，提升压电微机械超声换能器的分辨率。
压电微机械超声换能器阵列包括呈阵列状分布的多个压电微机械超声换能器，填充部101、倾斜部102的数量与压电微机械超声换能器的数量相一致且一一对应，多个倾斜面104与压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面之间的夹角相一致。
压电微机械超声换能器阵列中，多个倾斜面104与其相对应的压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面之间的夹角均相同，使压电微机械超声换能器阵列各个单元间具有相同的背衬衰减特性，提升压电微机械超声换能器阵列各单元的一致性。
在本发明的其他具体实施方式中，倾斜面104与压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面之间的夹角为45°，压电微机械超声换能器传播的声波经倾斜面104反射后与压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面相平行，最大程度减少反射回压电薄膜的声波。
其中，压电微机械超声换能器阵列为矩形阵列时，每一列倾斜部102相连，每一列倾斜面104位于同一平面内，提高每一列倾斜面104的整体性，不同列的倾斜面104的倾斜度相同，使不同单元具有相同的背衬衰减特性，从而提升压电微机械超声换能器阵列各单元一致性。
具体地，压电微机械超声换能器阵列为矩形阵列时，多列倾斜面104平行设置，提高压电微机械超声换能器阵列的背衬结构的一致性。
另外，压电微机械超声换能器阵列为矩形阵列时，相邻列倾斜部102相连，提高压电微机械超声换能器阵列的背衬结构的整体性，降低背衬结构加工难度。
更具体地，倾斜部102包括相连的连接段105和反射段106，连接段105与填充部101相连，倾斜面104位于反射段106。改变连接段105的高度，进而能够调节背衬结构的总高度，改变声波在不同类型的压电微机械超声换能器的背衬结构中的传播路径103，其中，L1为压电微机械超声换能器的背腔直径，L2为填充部101的高度，Deg为倾斜面104与压电薄膜之间的角度，通过调节Deg的角度，使不同类型的压电微机械超声换能器在背衬结构中的声波尽量衰减，L3为背衬结构材料的总高度，L3＝L1*tan(deg)+L2，具体参见图5。
在本发明的其他具体实施方式中，连接段105的横截面积较填充部101的横截面积大，连接段105的顶面与反射段106的底面形状相一致，提高压电微机械超声换能器阵列的背衬结构的整体性，降低背衬结构加工制造难度。
进一步地，填充部101的高度与压电微机械超声换能器的背腔深度相一致，提高背衬结构的稳定性和连接牢固度。
本发明的压电微机械超声换能器背衬结构，在压电微机械超声换能器的背腔中设置填充部101，填充部101连接有倾斜部102，倾斜部102设置倾斜面104，传播的声波经过填充部101和倾斜部102吸收的同时，在倾斜面104被反射，倾斜面104与压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面之间具有夹角，减少反射回压电薄膜的声波，提升压电微机械超声换能器的分辨率，另外，具体效果可以对比本发明的压电微机械超声换能器背衬结构的反射声波波形图与现有技术中的背衬反射声波波形图，详见图6和图7。压电微机械超声换能器阵列中，多个倾斜面104与其相对应的压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面之间的夹角相一致，使压电微机械超声换能器阵列各个单元间具有相同的背衬衰减特性，提升压电微机械超声换能器阵列各单元的一致性。另外，背衬结构可根据不同类型填充料对倾斜面104的角度和背衬结构的高度进行控制，减小背衬厚度对器件振动性能的影响。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种压电微机械超声换能器背衬结构，其特征在于：包括相连的填充部和倾斜部，所述填充部设置于压电微机械超声换能器的背腔中，所述倾斜部远离所述填充部的一侧具有倾斜面，所述倾斜面与压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面之间具有夹角；
压电微机械超声换能器阵列包括呈阵列状分布的多个压电微机械超声换能器，所述填充部、所述倾斜部的数量与压电微机械超声换能器的数量相一致且一一对应，多个倾斜面与压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面之间的夹角相一致。
2.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器背衬结构，其特征在于：所述倾斜面与压电微机械超声换能器的压电薄膜所在平面之间的夹角为45°。
3.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器背衬结构，其特征在于：压电微机械超声换能器阵列为矩形阵列时，每一列所述倾斜部相连，每一列所述倾斜面位于同一平面内。
4.根据权利要求3所述的压电微机械超声换能器背衬结构，其特征在于：压电微机械超声换能器阵列为矩形阵列时，多列所述倾斜面平行设置。
5.根据权利要求4所述的压电微机械超声换能器背衬结构，其特征在于：压电微机械超声换能器阵列为矩形阵列时，相邻列所述倾斜部相连。
6.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器背衬结构，其特征在于：所述倾斜部包括相连的连接段和反射段，所述连接段与所述填充部相连，所述倾斜面位于所述反射段。
7.根据权利要求6所述的压电微机械超声换能器背衬结构，其特征在于：所述连接段的横截面积较所述填充部的横截面积大，所述连接段的顶面与所述反射段的底面形状相一致。
8.根据权利要求7所述的压电微机械超声换能器背衬结构，其特征在于：所述填充部的高度与压电微机械超声换能器的背腔深度相一致。
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