CN112845002A - Mems宽频带超声波换能器阵列 - Google Patents

Mems宽频带超声波换能器阵列 Download PDF

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    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
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Abstract

公开了一种MEMS超声波换能器阵列，包括一个或多个相同的换能器单元(10)，每个换能器单元(10)包括若干个具有不同调频结构(108)的换能器，所述换能器之间的间距小于或者等于半个波长，调频结构(108)设置在换能器顶电极层或底电极层上，且位于换能器零应变轴线(109)内侧或外侧。本发明换能器阵列利用由若干个具有不同调频结构(108)的换能器按照一定间距周期性排列来增加换能器阵列的带宽。

Description

MEMS宽频带超声波换能器阵列
技术领域
本发明涉及MEMS超声波换能器。
背景技术
超声换能器是一种用于发射和检测超声波的器件，广泛应用于水下通讯、医疗成像、工业控制以及消费电子等领域。轴向分辨率是衡量超声换能器沿着波束轴线方向上的分辨能力。因此，轴向分辨率是超声换能器应用于医疗成像等领域的一个重要指标。轴向分辨率的大小与超声换能器发送和接收到脉冲的长度有关，较短的脉冲长度具有更好的分辨率。因此，为了提高超声换能器的轴向分辨率，一种方法是通过提高超声换能器的工作频率来实现更短的脉冲长度。然而，较高的频率会产生较大的能量衰减，从而导致换能器探测范围减小。在医疗成像等领域超声换能器需要满足必要的探测能力。因此，需要保证超声换能器使用的最高频率低于10MHz。提高超声换能器的轴向分辨率的另一种方法是增加超声换能器的频率带宽。由于脉冲长度与频率带宽成反比，因此具有宽频带的超声换能器可以产生非常短的脉冲，这意味着可以通过提高换能器的带宽来提高轴向分辨率。
发明内容
本发明提供MEMS宽频带超声波换能器阵列，利用由若干个具有不同调频结构的换能器按照一定间距周期性排列来增加换能器阵列的带宽。
根据本发明实施例的一方面，提供一种MEMS超声波换能器阵列，包括一个或多个相同的换能器单元，每个换能器单元包括若干个具有不同调频结构的换能器。
在一些示例中，所述换能器单元之间在电学上相互并联。
在一些示例中，所述换能器单元中所述换能器之间的间距小于或者等于半个波长。
在一些示例中，所述调频结构设置在换能器顶电极层上。
在一些示例中，所述顶电极层的顶电极位于换能器零应变轴线外侧，所述调频结构位于换能器零应变轴线内侧。
在一些示例中，所述顶电极层的顶电极位于换能器零应变轴线内侧，所述调频结构位于换能器零应变轴线外侧。
在一些示例中，所述调频结构设置在换能器底电极层上。
在一些示例中，所述底电极层的底电极位于换能器零应变轴线外侧，所述调频结构位于换能器零应变轴线内侧。
在一些示例中，所述底电极层的底电极位于换能器零应变轴线内侧，所述调频结构位于换能器零应变轴线外侧。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为本发明一实施例提供的压电式MEMS超声换能器截面结构示意图。
图2为本发明一实施例提供的电容式MEMS超声换能器截面结构示意图。
图3a为本发明第一实施例提供的MEMS超声波换能器阵列顶电极层结构俯视示意图。
图3b为本发明第二实施例提供的MEMS超声波换能器阵列顶电极层结构俯视示意图。
图3c为本发明第三实施例提供的MEMS超声波换能器阵列顶电极层结构俯视示意图。
图4a为本发明第四实施例提供的MEMS超声波换能器阵列顶电极层结构俯视示意图。
图4b为本发明第五实施例提供的MEMS超声波换能器阵列顶电极层结构俯视示意图。
图5a为本发明第六实施例提供的MEMS超声波换能器阵列顶电极层结构俯视示意图。
图5b为本发明第七实施例提供的MEMS超声波换能器阵列顶电极层结构俯视示意图。
具体实施方式
图1和图2分别示出了压电式和电容式的MEMS超声换能器截面结构，压电式和电容式的MEMS超声换能器均包括衬底硅片100和换能器结构层，衬底硅片100具有可为圆形、六边形、或方形的凹腔结构101，换能器结构层与衬底硅片100固定结合使凹腔结构101为真空腔。如图1所示，压电式换能器结构层包括从下到上依次堆叠的氧化硅层102、硅结构层103、压电材料层104、顶电解质层105、顶电极层106和电气连接层107。如图2所示，电容式换能器结构层包括从下到上依次堆叠的氧化硅层102、硅结构层103、顶电极层106。
参考图3a-图5b，一种MEMS超声波换能器阵列包括一个或多个相同的换能器单元10，每个换能器单元10包括若干个具有不同调频结构108的换能器，换能器单元10中所述换能器之间的间距小于或者等于半个波长。调频结构108采用金属材质，如钼、铝等。本发明利用换能器单元10中若干个具有不同调频结构108的换能器按照一定间距周期性排列来增加换能器阵列的带宽，带宽可以提高到200％以上。
本发明在压电式和/或电容式MEMS超声换能器的顶电极层106上设置调频结构108。如图3a、3b、4a、4b、5a、5b所示，依据换能器的应力分布，可以沿换能器零应变轴线109内侧布置顶电极层106的顶电极110，沿零应变轴线109外侧布置调频结构108。如图3c所示，也可以沿换能器零应变轴线109外侧布置顶电极110，沿零应变轴线109内侧布置调频结构108。术语“零应变轴线”指正应力和负应力分界线，即该分界线处的应力为0。
本发明并不限定调频结构108和顶电极110的形状，可以是图3a、3b、3c所示的圆形，可以是正多边形，如图4a、4b所示的方形，图5a、5b所示的正六边形。
作为替代，调频结构108还可以设置在压电式和/或电容式MEMS超声换能器的底电极层上。底电极层可以是掺杂的硅结构层，也可以是一层金属导电薄膜。同样，可以沿换能器零应变轴线内侧布置底电极层的底电极，沿零应变轴线外侧布置调频结构；或者沿换能器零应变轴线外侧布置底电极，沿零应变轴线内侧布置调频结构。同样，不限定调频结构108和底电极的形状，可以是圆形、方形、或正六边形等正多边形。

Claims (9)

1.一种MEMS超声波换能器阵列，其特征在于，包括一个或多个相同的换能器单元，每个换能器单元包括若干个具有不同调频结构的换能器。
2.根据权利要求1所述的MEMS超声波换能器阵列，其特征在于，所述换能器单元之间在电学上相互并联。
3.根据权利要求1所述的MEMS超声波换能器阵列，其特征在于，所述换能器单元中所述换能器之间的间距小于或者等于半个波长。
4.根据权利要求1所述的MEMS超声波换能器阵列，其特征在于，所述调频结构设置在换能器顶电极层上。
5.根据权利要求4所述的MEMS超声波换能器阵列，其特征在于，所述顶电极层的顶电极位于换能器零应变轴线外侧，所述调频结构位于换能器零应变轴线内侧。
6.根据权利要求4所述的MEMS超声波换能器阵列，其特征在于，所述顶电极层的顶电极位于换能器零应变轴线内侧，所述调频结构位于换能器零应变轴线外侧。
7.根据权利要求1所述的MEMS超声波换能器阵列，其特征在于，所述调频结构设置在换能器底电极层上。
8.根据权利要求7所述的MEMS超声波换能器阵列，其特征在于，所述底电极层的底电极位于换能器零应变轴线外侧，所述调频结构位于换能器零应变轴线内侧。
9.根据权利要求7所述的MEMS超声波换能器阵列，其特征在于，所述底电极层的底电极位于换能器零应变轴线内侧，所述调频结构位于换能器零应变轴线外侧。
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