CN112871613A - 具有支撑柱的压电式微机械超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微机械技术领域，具体是一种具有支撑柱的压电式微机械超声换能器。本发明的结构包括自上而下设置的：振动平板、支撑柱、上电极、压电材料层、下电极、结构层、空腔和衬底；振动平板的位移和压电振动膜的形变通过支撑柱相关联。支撑柱可以是线弹性或者刚性的材料。压电式微机械超声换能器的一种变化为支撑柱采用压电材料，其上方引入第三电极，用于激励压电支撑柱。本发明解决了现有技术中压电式微机械超声换能器弯曲模式振动导致的发射和接收灵敏度低，超声发射方向性差的技术问题，从而拓展其高灵敏度探测和高效超声发射的应用前景，例如可应用于三维实时超声成像中。
Description
技术领域
本发明属于微机械技术领域，具体涉及一种微机械超声换能器。
背景技术
市场上已经开发出了各种类型的可发送和接收超声波的超声换能器。超声换能器可以在多种介质中运行，包括液体，固体和气体。这些换能器通常用于医学成像以进行诊断和治疗，材料的无损评估，距离传感器，气体流量测量，声学显微镜，水听器，等等领域。除了单个的超声换能器之外，包含多个换能器的超声换能器阵列也在走向应用。例如，可用于实时三维成像的二维换能器阵列。
基于微机械技术的换能器具有一个共同的特征：包含一个或多个可振动的部件，用于不同种能量之间的转换。微机械超声换能器（MicromachinedUltrasonicTransducer,MUT）是一个典型的案例，它通常具有可振动的薄膜，因此可用于发射和接收超声波。在其发射模式下，通过外部的电信号激励，由于压电或者静电效应，振动薄膜可以产生高频振动，机械能传递到与其相邻的介质中，产生超声波。在其接收模式下，在放置换能器的介质中传播的超声波的声能引起薄膜振动，转换为机械能，进而发生容易被检测到的电磁（特别是电）信号。
与广泛使用的锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）超声换能器相比，MUT在器件制造方法，带宽和工作温度方面具有不可比拟的优势。例如，制作常规PZT换能器的阵列涉及切块并连接单个压电元件。这种工艺不仅难度高而且成本不低。由这种元件与发送/接收电子器件相连还会带来严重的输入阻抗失配问题。相比之下，用于制造MUT的微机械技术更适合制造换能器阵列。在性能方面，MUT的动态性能可与PZT传感器媲美，而且成本可以更低。由于这些原因，MUT成为了PZT超声换能器的潜在替代品。
在几种类型的MUT中，使用压电效应驱动的压电式微机械超声换能器（piezoelectric micromachined ultrasonic transducer,pMUT）和使用静电力驱动的电容式微机械超声换能器（capacitive micromachined ultrasonic transducer,cMUT）被广泛研究。相较于cMUT, 基于AlN、ZnO等压电材料、采用弯曲振动模式的pMUT在低功耗应用领域具有突出优势，但由于AlN、ZnO材料的压电系数远小于PZT材料，导致pMUT机电耦合系数、带宽、发射以及接收灵敏度等性能还远落后于cMUT。而目前，常规的cMUT具有高工作电压和高功耗，并且在工作期间需要维持高直流偏置电压（范围从几十伏到数百伏）。这些原因限制了其在便携式，低功耗和长期在线检测中的应用。因此，pMUT仍然是更具有应用潜力的MUT。
近些年pMUT灵敏度的提升，一方面来源于新型压电材料的制备，另一方面来源于结构的创新。新型压电材料例如掺Sc的AlN，可以直接提高pMUT的机电耦合系数。结构的创新主要通过多层膜和多电极设计来实现。另外，声波发射的方向性也是为一个亟待解决的技术问题。本发明旨在通过在pMUT结构中引入支撑柱，提升pMUT的发射和接收灵敏度，同时改善其声波发射方向性。
发明内容
本发明的目在提供一种具有支撑柱的压电式微机械超声换能器，以提升pMUT的发射和接收灵敏度，同时改善其声波发射方向性。
本发明提供的具有支撑柱的压电式微机械超声换能器，其结构包括自上而下设置的：振动平板1、支撑柱2、上电极3、压电材料层4、下电极5、结构层6、空腔7和衬底8，如图1和图2所示。其中，上电极3、压电材料层4、下电极5和结构层6组合成压电振动膜9。
所述振动平板1位于顶部，可以做类似活塞式上下振动。所述振动平板1的位移和压电振动膜9的形变通过支撑柱2相关联。当振动平板1表面接收到外部超声波，整个振动平板1将会发生竖直方向上的振动，从而带动支撑柱2一起振动。或者，振动平板1受到支撑柱2的推力或者拉力时，也会产生竖直方向上的位移，从而可以才介质中产生超声波。
所述支撑柱2位于上电极3中心，面积小于上电极3；支撑柱2一端固定在振动平板1上，一端固定在压电振动膜9的中心。在接收外部超声波时，支撑柱2受到振动平板1的力，然后作用于压电振动膜9；在发射超声波时，支撑柱2受到压电振动膜9的力，然后作用于振动平板1。
所述压电材料层4位于上电极3和下电极5之间；其压电效应通过在上电极3和下电极5之间加电压来激发；由于压电效应，在上电极3和下电极5之间施加电压，会在压电材料层4中产生水平方向的应力。考虑到结构层6，该应力会导致压电材料层4产生弯曲形变。因此，当电压为交流电压时，可以使得压电振动膜9产生弯曲模式的振动。而由于逆压电效应，在压电材料层产生形变时，产生相应的应力，由此会在上电极3和下电极5之间有感应电势差。因此，通过压电材料层，可以将机械能与上电极3和下电极5之间的电能相互转换。
所述结构层6位于下电极5下方；结构层6功能在于提供机械支撑，并可以作为压电振动膜9的中性层，决定膜振动的弯曲模式。
所述上电极3、压电材料层4、下电极5、结构层6组合成压电振动膜9；压电振动膜9的功能在于将电能和机械能互相转换，最终通过支撑柱2和振动平板1，将机械能转换为声能，或者将声能转换为机械能。
所述空腔7为被结构层6和衬底8包围的真空区域；空腔7为压电振动膜9的振动提供提供空间。
本发明中：
所述振动平板1为刚性板，不易弯折；
所述支撑柱2由绝缘材料或者介电材料制成；
所述支撑柱2可以是线弹性材料支撑柱或者刚性材料；
所述压电材料层3选自PZT、PVDF、AlN、掺杂AlN、ScAlN中的至少一种；
所述结构层6的材料通常是硅；
所述衬底8通常为硅或二氧化硅。
所述具有支撑柱的压电式微机械超声换能器阵列在接收超声波时，可以实现更大的接收面积和更高的接收灵敏度。超声波到达振动平板1，使得振动平板1在竖直方向上活塞式振动。由于振动平板1的活动区域，也就是产生振动的区域占总接收声波的区域面积的100%，远超一般压电式微机械超声换能器阵列的活动区域（一般低于50%），其余的非活动区域对声辐射和接收性能没有帮助。接收超声波的面积占比高，意味着声能更有效地转换为机械能，由此提高了换能起到接收灵敏度。在高频应用下，压电式微机械超声换能器阵列的活动区域往往更小。因此，本发明提出的具有支撑柱的压电式微机械超声换能器阵列，较常规的微机械换能器有更高的接收灵敏度，其优势在高频应用中更加明显。
所述具有支撑柱的压电式微机械超声换能器阵列在发射超声波时，可以实现更好的波束方向性，还可以提高发射声压。在上电极3和下电极5之间施加交流电压时，压电振动膜9会产生弯曲模式的机械振动，其中，压电振动膜9中心的振动幅度最大。压电振动膜9作用于支撑柱2，推动振动平板1上下振动。振动平板1的振动幅度由压电振动膜9中心的振动幅度所决定。这样可以实现超声波声压的最大化。而由于振动平板1是活塞式振动模式，区别于常规压电式微机械超声换能器的弯曲振动模式。由此激发的超声波是平面波，而非球面波，所以方向性好，不需要额外设置波导。
本发明提供的具有支撑柱的压电式微机械超声换能器，还包括如下变形结构。具体为，支撑柱2采用压电材料，在支撑柱2的上方引入第三电极10。如图3所示。第三电极10和上电极3可以为压电支撑柱2提供激励信号，使得支撑柱3可以受控伸缩。
优选地，第三电极10的形状同上电极3，且和上电极3对准，形成一个平行板电容。此时，第三电极10和上电极3之间可以产生相互吸引的静电力，压缩支撑柱。如图3(a)所示。
优选地，第三电极10的形状同支撑柱2，且和支撑柱2对准,此时避免了压缩支撑柱的静电力产生，压电效应更明显。如图3(b)所示。
本发明还包括由若干上述压电式微机械超声换能器延拓组成的压电式微机械超声换能器阵列，如图4、图5所示。
本发明解决了现有技术中压电式微机械超声换能器的弯曲模式振动模式导致的发射和接收灵敏度低，超声发射方向性差的技术问题，从而拓展了其应用于高灵敏度探测和高效超声发射的前景，例如可应用于三维实时超声成像中。常规压电式微机械超声换能器需要保留阵列间的非活动区域。尤其是在高频应用中，换能器间距受限制于发射超声波波长，导致非活动区域面积占比高。发明提出的具有支撑柱的压电式微机械超声换能器可以实现具有100%发射和接收面积的超声换能器阵列，因此具有更高的声能转换效率，即高接收和发射灵敏度。
所述换能器阵列还可以实现平面波发射，在不需要波导的情况下，可以控制超声波的单一方向性。阵列方向性直接影响CMUT的高分辨率成像性能，并且是CMUT阵列设计性能的重要指标。换能器阵列的方向性能可以通过主瓣的尖锐度和侧漏能量的数量来描述。因此，换能器阵列的优化目标是抑制旁瓣，消除光栅瓣并获得尖锐的主瓣。主瓣的宽度是指两个零交叉点之间的距离。主瓣宽度是一个归一化的无量纲参数，主瓣宽度越高，超声波发射指向性越好。弯曲模式振动的压电式微机械超声换能器振动薄膜表面发射的声波波束角很大，指向性弱，可以被看作是点声源，主瓣宽度趋近于0。通过多个换能器组合成阵列可以提高主瓣宽度。在高频应用下，由于换能器阵列的间距受到超声波波长的限制，主瓣宽度被限制在0.1左右。而本发明提出换能器可以实现类似波导结构或者均匀活塞的方向性，主瓣宽度趋近于1。
附图说明
图1为本发明具有支撑柱的压电式微机械超声换能器的结构示意图（三维剖面图）。
图2为本发明具有支撑柱的压电式微机械超声换能器的结构示意图（纵向剖面图）。
图3为本发明具有支撑柱的压电式微机械超声换能器的变化结构示意图（纵向剖面图）。
图4为本发明具有支撑柱的压电式微机械超声换能器的阵列示意图（三维剖面图）。
图5为本发明具有支撑柱的压电式微机械超声换能器阵列的工作原理图。
图中标号：1为振动平板，2为支撑柱，3为上电极，4为压电材料层，5为下电极，6为结构层。7为空腔，8为衬底，9为压电振动膜，10为第三电极。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外在可能未出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定细节，例如器件结构、材料尺寸处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特性细节来实现本发明。
图1示出本发明的具有支撑柱的压电式微机械超声换能器的结构示意图（三维剖面图）。
如图1所示，具有支撑柱的压电式微机械超声换能器的结构示意图（三维剖面图）包括自上而下设置的：振动平板1、支撑柱2、上电极3、压电材料层4、下电极5、结构层6、空腔7和衬底8。其中，上电极3、压电材料层4、下电极5和结构层6组合为压电振动层9。所述振动平板1为刚性板，不易弯折；所述支撑柱2由绝缘材料或者介电材料制成，所述压电材料层3选自PZT、PVDF、AlN、掺杂AlN、ScAlN中的至少一种；所述压电材料层4被夹在上电极3和下电极5之间，其内应力受电极电压的控制，也可以反过来在电极间提供感应电动势；所述压电振动层9为柔性结构，在边缘束缚的情况下可以在竖直方向上振动；所述空腔7为被衬底8和下电极5包围的真空区域，为压电振动层9的振动提供活动区间；所述衬底8通常为硅或二氧化硅，为换能器提供机械支撑。
图2示出本发明具有支撑柱的压电式微机械超声换能器的结构示意图（纵向剖面图）。
如图2所示，具有支撑柱的压电式微机械超声换能器的结构示意图（纵向剖面图）包括自上而下设置的：振动平板1、支撑柱2、上电极3、压电材料层4、下电极5、结构层6、空腔7和衬底8。其中，上电极3、压电材料层4、下电极5和结构层6组合为压电振动层9。所述振动平板1为刚性板，不易弯折；所述支撑柱2由绝缘材料或者介电材料制成，所述压电材料层3选自PZT、PVDF、AlN、掺杂AlN、ScAlN中的至少一种；所述压电材料层4被夹在上电极3和下电极5之间，其内应力受电极电压的控制，也可以反过来在电极间提供感应电动势；所述压电振动层9为柔性结构，在边缘束缚的情况下可以在竖直方向上振动；所述空腔7为被衬底8和下电极5包围的真空区域，为压电振动层9的振动提供活动区间；所述衬底8通常为硅或二氧化硅，为换能器提供机械支撑。
图3示出本发明具有支撑柱的压电式微机械超声换能器的变化结构示意图（纵向剖面图）。
振动平板1、支撑柱2、上电极3、压电材料层4、下电极5、结构层6、空腔7和衬底8。其中，上电极3、压电材料层4、下电极5和结构层6组合为压电振动层9。所述振动平板1为刚性板，不易弯折；所述支撑柱2由绝缘材料或者介电材料制成，所述压电材料层3选自PZT、PVDF、AlN、掺杂AlN、ScAlN中的至少一种；所述压电材料层4被夹在上电极3和下电极5之间，其内应力受电极电压的控制，也可以反过来在电极间提供感应电动势；所述压电振动层9为柔性结构，在边缘束缚的情况下可以在竖直方向上振动；所述空腔7为被衬底8和下电极5包围的真空区域，为压电振动层9的振动提供活动区间；所述衬底8通常为硅或二氧化硅，为换能器提供机械支撑。
第三电极10和上电极3可以为压电支撑柱2提供激励信号，支撑柱2中产生由压电效应导致的机械应力，进而实现竖直方向上的伸缩。
所述第三电极10的形状可以同上电极3，且和上电极3对准，它们形成一个平行板电容器。在第三电极10和上电极3直接外加电压时，它们之间可以产生相互吸引的静电力，压缩支撑柱。如图3(a)所示。
所述第三电极10的形状可以同支撑柱2，且和支撑柱2对准,从而有效减小了第三电极10和上电极3间外加电压时产生的压缩支撑柱的静电力，从而使得由压电效应产生的作用力更明显。如图3(b)所示。
图4示出本发明具有支撑柱的压电式微机械超声换能器的阵列示意图（三维剖面图）。
所述具有支撑柱的压电式微机械超声换能器的阵列包含排布的多个所述具有支撑柱的压电式微机械超声换能器，它们共用的结构包括压电材料层4、下电极5、结构层6和衬底8，上电极3和支撑柱2彼此独立。
图5为本发明具有支撑柱的压电式微机械超声换能器阵列的工作原理图。
所述具有支撑柱的压电式微机械超声换能器阵列同图4。其中，压电振动膜9为所述上电极3、压电材料层4、下电极5和结构层6的组合。
图5(a)示出，没有外部激励状态下，具有支撑柱的压电式微机械超声换能器阵列。
图5(b)示出，压电振动膜9处于下拉状态时，具有支撑柱的压电式微机械超声换能器阵列。
图5(c)示出，压电振动膜9处于上抬状态时，具有支撑柱的压电式微机械超声换能器阵列。
所述具有支撑柱的压电式微机械超声换能器阵列在接收超声波时，可以实现更大的接收面积和更高的接收灵敏度。超声波到达振动平板1，使得振动平板1在竖直方向上活塞式振动。由于振动平板1的活动区域，也就是产生振动的区域占总接收声波的区域面积的100%，远超一般压电式微机械超声换能器阵列的活动区域，其余的非活动区域对声辐射和接收性能没有帮助。接收超声波的面积占比高，意味着声能更有效地转换为机械能，由此提高了换能起到接收灵敏度。在高频应用下（10MHz以上），压电式微机械超声换能器阵列的活动区域往往更小。因此，本发明提出的具有支撑柱的压电式微机械超声换能器阵列在高频下，接收灵敏度优势更明显。
所述具有支撑柱的压电式微机械超声换能器阵列在发射超声波时，可以实现更好的波束方向性，还可以提高发射声压。在上电极3和下电极5之间施加交流电压时，压电振动膜9会产生弯曲模式的机械振动，其中，压电振动膜9中心的振动幅度最大。压电振动膜9作用于支撑柱2，推动振动平板1在竖直方向振动。振动平板1的振动幅度由压电振动膜9中心的振动幅度所决定。这样可以实现超声波声压的最大化。弯曲模式振动的压电式微机械超声换能器振动薄膜表面发射的声波波束角很大，指向性弱，可以被看作是点声源，主瓣宽度趋近于0。通过多个换能器组合成阵列可以提高主瓣宽度。在高频应用下，由于换能器阵列的间距受到超声波波长的限制，其最大主瓣宽度被限制在0.1左右。而由于本发明中采用的振动平板1是活塞式的振动模式，区别于常规压电式微机械超声换能器的弯曲振动模式。由此发射的超声波是平面波，而非球面波，所以方向性好，不需要额外设置波导。
综上，振动平板1的位移和压电振动膜9的形变通过支撑柱2相关联。而支撑柱2所在的压电振动膜9的中心是形变最明显区域。本发明提出具有支撑柱的压电式微机械超声换能器阵列提出的具有支撑柱的压电式微机械超声换能器可以实现具有100%发射和接收面积的超声换能器阵列，因此具有更高的声能转换效率，即高接收和发射灵敏度；在控制波束方向性上，可以通过振动平板1的振动实现类似波导结构或者均匀活塞的方向性，主瓣宽度趋近于1。
在不脱离本发明的精神和范围内，任何本领域普通技术人员皆可根据本发明所揭示的内容做出许多变形和修改，这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种具有支撑柱的压电式微机械超声换能器，其特征在于，结构包括自上而下设置的：振动平板（1）、支撑柱（2）、上电极（3）、压电材料层（4）、下电极（5）、结构层（6）、空腔（7）和衬底（8）；上电极（3）、压电材料层（4）、下电极（5）和结构层（6）组合成压电振动膜（9）；其中：
所述振动平板（1）位于顶部，可以做类似活塞式上下振动；所述振动平板（1）的位移和压电振动膜（9）的形变通过支撑柱（2）相关联；当振动平板（1）表面接收到外部超声波，整个振动平板（1）将发生竖直方向上的振动，从而带动支撑柱（2）一起振动；或者，振动平板（1）受到支撑柱（2）的推力或者拉力时，也会产生竖直方向上的位移，从而在介质中产生超声波；
所述支撑柱（2）位于上电极（3）中心，面积小于上电极（3）；支撑柱（2）一端固定在振动平板（1）上，另一端固定在压电振动膜（9）的中心；在接收外部超声波时，支撑柱（2）受到振动平板（1）的力，然后作用于压电振动膜（9）；在发射超声波时，支撑柱（2）受到压电振动膜（9）的力，然后作用于振动平板（1）；
所述压电材料层（4）位于上电极（3）和下电极（5）之间；其压电效应通过在上电极（3）和下电极（5）之间加电压来激发；通过压电材料层，实现将机械能与上电极（3）和下电极（5）之间的电能相互转换；
所述结构层（6）位于下电极（5）下方；结构层（6）用于提供机械支撑，并作为压电振动膜（9）的中性层，决定膜振动的弯曲模式；
所述空腔（7）为被结构层（6）和衬底（8）包围的真空区域；空腔（7）为压电振动膜（9）的振动提供空间。
2.根据权利要求1所述的压电式微机械超声换能器，其特征在于，所述振动平板（1）为刚性板；所述支撑柱（2）由绝缘材料或者介电材料制成。
3.根据权利要求1所述的压电式微机械超声换能器，其特征在于，所述压电材料层（3）选自PZT、PVDF、AlN、掺杂AlN、ScAlN中的至少一种；所述结构层（6）的材料是硅。
4.根据权利要求1所述的压电式微机械超声换能器，其特征在于，所述衬底（）8为硅或二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的压电式微机械超声换能器，其特征在于，还包括如下变形结构：支撑柱（2）采用压电材料，在支撑柱（2）的上方引入有第三电极（10）；该第三电极（10）和上电极（3）为压电支撑柱（2）提供激励信号，使得支撑柱（2）可以受控伸缩。
6.根据权利要求5所述的压电式微机械超声换能器，其特征在于，所述第三电极（10）的形状同上电极（3），且和上电极（3）对准，它们形成一个平行板电容器；在第三电极（10）和上电极（3）直接外加电压时，它们之间可以产生相互吸引的静电力，压缩支撑柱。
7.根据权利要求5所述的压电式微机械超声换能器，其特征在于，所述第三电极（10）的形状同支撑柱（2），且和支撑柱（2）对准,此时有效减小了第三电极（10）和上电极（3）间外加电压时所产生的压缩支撑柱的静电力，从而使得压电效应产生的作用更明显。
8.由如权利要求1-7之一所述的若干个相同的压电式微机械超声换能器延拓组成的压电式微机械超声换能器阵列。
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115025959A (zh) * | 2022-06-26 | 2022-09-09 | 复旦大学 | 一种中心支撑的压电式微机械超声换能器 |
| CN115106275A (zh) * | 2022-07-10 | 2022-09-27 | 复旦大学 | 一种基于支撑柱的微机械超声换能器 |
| CN115154902A (zh) * | 2022-07-25 | 2022-10-11 | 武汉衷华脑机融合科技发展有限公司 | 一种人工视网膜及其制造方法 |
| CN115193673A (zh) * | 2022-06-10 | 2022-10-18 | 复旦大学 | 一种侧边界自由的微机械超声换能器 |
| CN115340060A (zh) * | 2022-08-26 | 2022-11-15 | 南京高华科技股份有限公司 | 一种雨滴能量收集器及其制备方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070228878A1 (en) * | 2006-04-04 | 2007-10-04 | Kolo Technologies, Inc. | Acoustic Decoupling in cMUTs |
| CN101573861A (zh) * | 2005-05-18 | 2009-11-04 | 科隆科技公司 | 微机电换能器 |
| CN101746707A (zh) * | 2008-12-03 | 2010-06-23 | 黄勇力 | 电容式微加工超声传感器 |
| US20150165479A1 (en) * | 2013-12-12 | 2015-06-18 | Qualcomm Incorporated | Piezoelectric ultrasonic transducer and process |
| CN108140115A (zh) * | 2015-10-14 | 2018-06-08 | 高通股份有限公司 | 集成的压电微机械超声换能器像素和阵列 |
| CN109092649A (zh) * | 2018-09-05 | 2018-12-28 | 西安交通大学 | 静电-压电混合驱动收发一体化cmut及其使用方法和制备方法 |
| CN110523607A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-12-03 | 西安交通大学 | 一种压电发射电容感知高性能mut单元及其制备方法 |
| CN112718437A (zh) * | 2020-12-16 | 2021-04-30 | 武汉大学 | 基于多振膜耦合的压电微机械超声换能器 |
-
2020
- 2020-12-19 CN CN202011512511.3A patent/CN112871613A/zh active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101573861A (zh) * | 2005-05-18 | 2009-11-04 | 科隆科技公司 | 微机电换能器 |
| CN101578686A (zh) * | 2005-05-18 | 2009-11-11 | 科隆科技公司 | 微机电装置的制造方法 |
| US20070228878A1 (en) * | 2006-04-04 | 2007-10-04 | Kolo Technologies, Inc. | Acoustic Decoupling in cMUTs |
| CN101746707A (zh) * | 2008-12-03 | 2010-06-23 | 黄勇力 | 电容式微加工超声传感器 |
| US20150165479A1 (en) * | 2013-12-12 | 2015-06-18 | Qualcomm Incorporated | Piezoelectric ultrasonic transducer and process |
| CN108140115A (zh) * | 2015-10-14 | 2018-06-08 | 高通股份有限公司 | 集成的压电微机械超声换能器像素和阵列 |
| CN109092649A (zh) * | 2018-09-05 | 2018-12-28 | 西安交通大学 | 静电-压电混合驱动收发一体化cmut及其使用方法和制备方法 |
| CN110523607A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-12-03 | 西安交通大学 | 一种压电发射电容感知高性能mut单元及其制备方法 |
| CN112718437A (zh) * | 2020-12-16 | 2021-04-30 | 武汉大学 | 基于多振膜耦合的压电微机械超声换能器 |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115193673A (zh) * | 2022-06-10 | 2022-10-18 | 复旦大学 | 一种侧边界自由的微机械超声换能器 |
| CN115193673B (zh) * | 2022-06-10 | 2024-05-10 | 复旦大学 | 一种侧边界自由的微机械超声换能器 |
| CN115025959A (zh) * | 2022-06-26 | 2022-09-09 | 复旦大学 | 一种中心支撑的压电式微机械超声换能器 |
| CN115106275A (zh) * | 2022-07-10 | 2022-09-27 | 复旦大学 | 一种基于支撑柱的微机械超声换能器 |
| CN115154902A (zh) * | 2022-07-25 | 2022-10-11 | 武汉衷华脑机融合科技发展有限公司 | 一种人工视网膜及其制造方法 |
| CN115340060A (zh) * | 2022-08-26 | 2022-11-15 | 南京高华科技股份有限公司 | 一种雨滴能量收集器及其制备方法 |
| CN115340060B (zh) * | 2022-08-26 | 2024-03-08 | 南京高华科技股份有限公司 | 一种雨滴能量收集器及其制备方法 |
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