CN114007175B - 超声换能器阵列及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种超声换能器阵列及其形成方法，所述超声换能器阵列的组成单元包括：支撑层，所述支撑层内具有背腔；位于所述支撑层表面上与所述背腔位置相对的压电传感单元，以及位于所述压电传感单元顶部的活塞结构，所述活塞结构包括位于所述压电传感单元顶部的支撑柱以及由所述支撑柱支撑于所述压电传感单元上方的活塞板；位于所述支撑层的表面，围设于所述压电传感单元外围的气缸壁。所述超声换能器阵列具有较高的超声波发射效率和带宽，且单元间具有较低的串扰水平。

Description

超声换能器阵列及其形成方法

技术领域

本申请涉及换能器技术领域，具体涉及一种超声换能器阵列及其形成方法。

背景技术

超声压电换能器可以在驱动电压的作用下发生振动，该振动可以通过介质(如水，或人体等)传输。作为逆向应用，作用在超声压电换能器上的声波也可以产生电信号，通过读取和识别该电信号可以对作用在超声换能器上的声波进行复现。基于上述原理，超声压电换能器可以进行电学与声学信号的双向转化，广泛应用于包括麦克风、扬声器、手势识别、超声波成像、指纹识别等领域。

基于微加工技术获得的压电超声换能器常被称为PMUT(压电式微加工超声换能器)。如图1所示，为现有技术中的背腔式PMUT的结构示意图。PMUT在结构上一般包括支撑层11，所述支撑层内具有背腔10，依次堆叠于所述支撑层上的第一电极12、压电层13以及第二电极14，压电层13位于所述第一电极12和第二电极14之间。由于背腔10存在，支撑层11上方的各层工作于弯张模式，在超声作用下，压电层13发生振动产生电信号，通过所述第一电极12、第二电极14输出电信号。第一电极12、压电层13以及第二电极14，压电层13构成的薄板的振动作用在薄板周围的介质并向外传输能量，在薄板将能量向外传输的过程中也有一部分能量以弹性势能的形式保留在弯张状态下的薄板中，该部分能量的消耗速度在一定程度上决定了器件的带宽。

超声换能器一般以阵列的形式工作，该阵列需要具有较高的输出功率、较宽的带宽和较低的串扰水平，因此如何通过优化设计进一步提高器件的上述性能是目前亟待解决的问题。

发明内容

鉴于此，本申请提供一种超声换能器阵列及其形成方法，以解决现有的超声换能器在输出功率、带宽和串扰方面的问题。

本申请提供的一种超声换能器阵列，包括：支撑层，所述支撑层内具有背腔；位于所述支撑层表面上与所述背腔位置相对的压电传感单元，以及位于所述压电传感单元顶部的活塞结构，所述活塞结构包括位于所述压电传感单元顶部的支撑柱以及由所述支撑柱支撑于所述压电传感单元上方的活塞板；位于所述支撑层的表面，围设于所述压电传感单元外围的气缸壁。

可选的，所述气缸壁顶部高于所述活塞结构顶部；和/或，所述气缸壁具有开孔。

可选的，所述支撑层表面具有多个压电传感单元，每个压电传感单元外围均围设有所述气缸壁。

可选的，所述压电传感单元包括：底电极层、位于所述底电极层表面的压电传感层以及位于所述压电传感层表面的顶电极层；各个压电传感单元的压电传感层与顶电极层之间相互独立；各个压电传感单元的底电极层之间相互独立或者至少部分压电传感单元的底电极与其他压电传感单元的底电极之间相互连接。

可选的，所述气缸壁与所述传感单元之间具有一定间距；和/或，所述气缸壁与所述传感单元之间填充具有阻尼属性的介质。

本申请提供一种超声换能器的形成方法，包括：提供支撑层，所述支撑层内形成有背腔；在所述支撑层表面与所述背腔位置相对处形成压电传感单元；在所述压电传感单元顶部形成活塞结构以及在所述支撑层表面形成围设于所述压电传感单元外围的气缸壁，所述活塞结构包括位于所述压电传感单元顶部的支撑柱以及由所述支撑柱支撑于所述压电传感单元上方的活塞板。

可选的，形成所述活塞结构和所述气缸壁的方法包括：形成所述传感单元后，在所述支撑层上形成覆盖所述传感单元侧壁和顶部的保护材料层；对所述保护材料层进行图形化，形成保护层，以及位于所述保护层内暴露所述传感单元顶部的至少一个开口；

在所述开口内填充第一材料，形成位于所述开口内的所述支撑柱；在所述支撑层表面形成第二材料，所述第二材料覆盖所述保护层的侧壁和顶部；对所述第二材料进行图形化，形成覆盖所述保护层侧壁的气缸壁，以及位于所述支撑柱和所述保护层表面的活塞板；去除所述保护层，使得所述活塞板悬空于所述保护层上方。

可选的，还包括：在形成所述气缸壁之后，对所述气缸壁进行加高，使得加高后的气缸壁顶部高于所述活塞板顶部。

可选的，所述活塞结构和气缸壁的形成过程中，保持工艺温度小于300℃。

可选的，所述气缸壁和活塞板的材料为永久性光刻胶；和/或，所述保护层的材料为临时性光刻胶。

可选的，所述压电传感单元的形成方法包括：在所述支撑层表面依次沉积底电极材料层、压电传感材料层和顶电极材料层；依次对所述顶电极材料层、压电传感材料层和所述底电极材料层进行图形化，形成岛状的压电传感单元，每个压电传感单元均包括底电极层、位于所述底电极层表面的压电传感层以及位于所述压电传感层表面的顶电极层。

可选的，在所述支撑层表面形成多个所述压电传感单元，在每个压电传感单元外围均形成所述气缸壁。

可选的，各个压电传感单元的压电传感层与顶电极层之间相互独立；和/或，各个压电传感单元的底电极层之间相互独立，或者至少部分压电传感单元的底电极与其他压电传感单元的底电极之间相互连接。

可选的，还包括：在所述气缸壁与所述传感单元之间的间隙内填充阻尼介质。

本申请的超声换能器在压电传感单元顶部形成活塞结构以及围设于所述压电传感单元外围的气缸壁，所述活塞结构和气缸壁构成气缸结构。气缸壁与所述活塞结构具有一定间距，该间距会在活塞结构振动过程中会提供附加阻尼，该附加阻尼有助于提高器件的带宽。

进一步，气缸壁与活塞结构之间的间距、活塞板与压电传感单元顶部间距等参数的改变，均可以用于调整器件的带宽。

进一步，气缸壁高于所述活塞结构顶部，可以保护所述气缸壁围成空间内的压电传感单元以及活塞结构，避免收到外部机械冲击的影响，从而提高结构强度。

进一步，气缸结构能够形成声波导，从而提高声能的传输效率：其中活塞板可以有效的输出声波压力，且气缸壁形成的声波导结构能降低声波在传输过程中的衰减，且气缸结构有利于实现声阻抗匹配，从而提高器件的声能输出效率。

进一步的，由于所述活塞结构位于压电传感单元顶部，气缸结构整体占用面积小，可以提高阵列单元密度，从而提高其器件单位面积的声功率。

进一步的，在形成有压电传感单元阵列的情况下，每个压电传感单元外围均设置有气缸壁，可以减小压电传感单元之间的耦合，从而达到降低串扰的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术的超声换能器的结构示意图；

图2至图9为本发明实施的超声换能器的形成过程的结构示意图。

具体实施方式

如背景技术中所述，现有的超声换能器阵列的性能有待进一步的提高。为解决上述问题，本申请提出一种新的超声换能器及其形成方法，引入气缸结构，提高超声换能器阵列的超声波发射效率、带宽以及降低串扰水平，从而提高输出功率。

下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。

请参考图2，提供支撑层100，所述支撑层100内形成有背腔101；在所述支撑层100表面与所述背腔101位置相对处形成压电传感单元110。

所述支撑层100材料可以包括硅(Si)，例如晶体Si，多晶硅或非晶Si。在一些实施例中，所述支撑层101可以包括其他半导体材料，例如锗(Ge)，硅锗(SiGe)，碳化硅(SiC)，砷化镓(GaAs)，砷化铟(InAs)或磷化铟(InP)等。所述支撑层100内形成有背腔101，可以根据对是背腔101深度要求，选择特定厚度的支撑层100。在一些实施例中，所述支撑层100的厚度范围为0.1mm～0.5mm，例如可以为0.3mm。所述背腔101可以为开放式腔体，开口位于所述支撑层100的表面。在其他实施例中，所述背腔101还可以为封闭式腔体，形成于所述支撑层100的内部，所述背腔101的顶部和底部均保留有部分厚度的支撑层100材料。

所述压电传感单元110包括底电极层111、位于所述底电极层111表面的压电传感层112以及位于所述压电传感层112表面的顶电极层113。所述压电传感单元110的形成方法包括：在所述支撑层100表面依次沉积底电极材料层、压电传感材料层和顶电极材料层；依次对所述顶电极材料层、压电传感材料层和所述底电极材料层进行图形化，形成岛状的压电传感单元110，所述压电传感单元110外围暴露有支撑层100表面。

所述底电极层111和所述顶电极层113的材料均为导电材料，可以为Cu、Al、W等金属材料还可以为掺杂多晶硅等半导体导电材料。所述压电传感层112可以采用压电陶瓷材料，例如PTZ、氮化铝、氧化锌等具有压电传感特性的材料。

所述压电传感单元110与所述背腔101相对，悬空于所述背腔101上方，所述背腔101提供所述压电传感单元110的振动空间。

图2中，以在支撑层100内形成有1个背腔，以及在支撑层100上形成单个压电传感单元110作为示例；在其他实施例中，所述支撑层内可以形成有多个背腔，以及在所述支撑层上形成多个与背腔对应的压电传感单元，具体的，所述背腔和所述压电传感单元均可以呈阵列分布，形成压电传感阵列。在形成有多个压电传感单元的情况下，各个压电传感单元之间暴露出部分支撑层的表面，具体的，各个压电传感单元的压电传感层与顶电极层之间相互独立；进一步，各个压电传感单元的底电极层之间也可以相互独立。在另一些实施例中，至少部分压电传感单元的底电极与其他压电传感单元的底电极之间相互连接，以形成电连接，便于一起连接至地或电源信号。底电极之间可以仅通过部分宽度的电极材料连接，而暴露出大部分的支撑层的表面。

后续步骤中，在所述压电传感单元顶部形成活塞结构以及在所述支撑层表面形成围设于所述压电传感单元外围的气缸壁，所述活塞结构包括位于所述压电传感单元顶部的支撑柱以及由所述支撑柱支撑悬空于所述压电传感单元上方的活塞板。

所述活塞结构和所述气缸壁的具体实现方法请继续参考后续附图。

请参考图3，形成所述传感单元110后，在所述支撑层100上形成覆盖所述传感单元110侧壁和顶部的保护材料层；对所述保护材料层进行图形化，形成保护层200和位于述保护层200内的有暴露所述传感单元110顶部的至少一个开口201。

所述保护材料层的材料可以采用氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等易于沉积并去除的介质材料。在一个实施例中，所述保护材料层的材料为临时性光刻胶，通过旋涂工艺在所述支撑层100表涂覆所述保护材料层，且所述保护材料层覆盖所述压电传感单元110的顶部；通过光刻工艺，对所述保护材料层进行图形化，形成覆盖所述压电传感单元110的保护层，以及位于所述顶电极层113上的开口201。图2所示的实施例中，顶电极层113上仅形成有一个开口201，在其他实施例中，还可以形成有多个开口。

在单个压电传感单元110的顶部仅形成有一个开口201的情况下，优选的，所述开口201位于所述顶电极层113的中心位置处；在单个压电传感单元110的顶部形成有多个开口201的情况下，所述多个开口201可以围绕所述顶电极层113的中心均匀分布。所述开口201的横截面可以为圆形、矩形或多边形等。

请参考图4，在所述开口201内填充第一材料，形成位于所述开口内201的所述支撑柱301。

所述第一材料可以为硅、氧化硅、金属或树脂等具有一定刚度的材料，以便形成的支撑柱301具有足够的支撑强度。所述第一材料与所述保护层200的材料不同，两者之间具有较高的刻蚀选择比，避免在后续步骤中去除保护层200的过程中，对所述支撑层301造成损伤。

在一个实施例中，所述第一材料可以为金属等导电材料，在满足支撑强度的前提下，还可以作为所述压电传感单元110的顶电极层113的电连接结构。

所述支撑层301的形成方法包括：在所述开口201内以及所述保护层201表面沉积第一材料后，通过平坦化工艺，去除所述开口201以外部分的第一材料，形成位于所述开口201内的支撑层301。根据所述第一材料的不同，可以对应选择化学气相沉积、物理气相沉积、溅射、旋涂等合适的方式沉积所述第一材料。较佳的，所述沉积过程中保持低温，例如维持在300℃以下，避免对所述压电传感单元110内的压电传感层112的性能造成影响。

在一些实施例中，可以根据实际需求，在顶电极层113上形成一个或多个支撑柱301。

请参考图5，在所述支撑层100表面形成第二材料，所述第二材料覆盖所述保护层200的侧壁和顶部；对所述第二材料进行图形化，形成覆盖所述保护层200侧壁的气缸壁401，以及位于所述支撑柱301和所述保护层200表面的活塞板402。

所述第二材料为具有一定刚性的材料，可以为硅、氧化硅、金属或树脂等。在支撑层100表面沉积所述第二材料，覆盖所述保护层200的侧壁以及顶部表面，形成平坦表面；然后刻蚀所述第二材料，形成覆盖所述保护层200侧壁表面的气缸壁401，以及位于所述保护层200顶部的活塞板402，所述活塞板402与所述气缸壁401之间相互独立，所述活塞板402边缘各处与所述气缸壁401之间具有一定间距。

所述第二材料可以为永久性光刻胶，通常为负胶，固化后耐酸碱和有机溶剂，且具有一定的刚度。可以通过永久性光刻工艺，刻蚀所述第二材料，形成所述气缸壁401和活塞板402。

所述气缸壁401、活塞板402的材料与所述保护层200的材料不同，避免在后续去除所述保护层200的过程中，对所述气缸壁401以及所述活塞板402造成损伤。

所述活塞板402的尺寸可以大于所述压电传感单元110的尺寸，使得所述压电传感单元110位于所述活塞板402的投影面内。

该实施例中，所述气缸壁401围设成桶状图形，除顶部为开放结构外，侧壁均封闭。

在其他实施例中，所述气缸壁401上可以开具有一个或多个开孔，使得围成的桶状空间，通过开孔连通至外部。所述开孔可以通过形成具有侧壁凸起的保护层而形成，通过保护层的侧壁凸起部位占据气缸壁内的开孔位置，后续去除所述保护层后，在所述气缸壁401内形成开孔。在其他实施例中，还可以通过其他方式形成所述开孔。所述开孔可以在所述气缸壁401的高度方向上贯穿整个气缸壁401，使得所述气缸壁401围成的图形为开放图形，所述开孔还可以是位于所述气缸壁401上的窗口结构。通过形成所述开孔并对开孔的数量、大小、尺寸进行调整，可以调整所述活塞板在所述气缸壁401围设空间内进行振动的阻尼大小，进而调整所述超声换能器的带宽。

请参考图6，对所述气缸壁401顶部进行加高，使得加高后的气缸壁4011顶部高于所述活塞板402顶部。

可以通过进一步沉积第二材料，以及图形化刻蚀工艺，对图5中形成的气缸壁401顶部加高，形成加高后的气缸壁4011。

将所述气缸壁4011的顶部高于所述活塞板402的顶部，可以对所述活塞板402起到较好的保护，阻挡来自于所述活塞板402上方的机械冲击。

请参考图7，去除所述保护层200(请参考图6)，使得所述活塞板402悬空于所述顶电极层113上方。

可以采用湿法刻蚀工艺去除所述保护层200，所述保护层200与所述支撑柱301、活塞板402以及气缸壁4011的材料均不同，通过选择合适的刻蚀溶液，进行高刻蚀选择比的湿法刻蚀，可以避免在去除所述保护层200的过程中，对所述支撑柱301、活塞板402以及气缸壁4011造成损伤。

去除所述保护层200之后，所述活塞板402通过所述支撑柱301，支撑并悬空于所述顶电极层113上方。活塞板402与所述支撑柱301构成活塞结构，其中，所述支撑柱301用于传递位移，所述活塞板402用于所述压电传感单元110的位移转化为声波压力，向外输出声能。所述支撑柱301的高度要尽可能小，例如可以小于1μm，以尽量减少位移传递过程的损耗；所述活塞板402的面积要尽量大，以尽可能提高位移能量的转换效率，所述活塞板402的尺寸可以大于所述压电传感单元110的尺寸，使得所述压电传感单元110位于所述活塞板402的投影面内。

去除所述保护层200之后，在所述气缸壁4011与所述压电传感单元110以及活塞结构之间形成有间距。后续还可以根据需要，在所述间隙内填充具有阻尼属性的介质，例如具有一定粘度的流体、气体或者具有粘弹性的固体(例如：橡胶)等，并相应的在气缸壁4011顶部形成密闭结构，例如密封盖或密封塞等。在一些实施例中，如果所述超声换能器阵列工作在空气环境中，则无需进行特殊的填充和封闭处理。

在所述压电传感单元110与所述活塞板402在振动过程中，由于所述活塞板402与所述压电传感单元110之间以及气缸壁与压电传感单元110之间具有一定的介质，例如气体、流体或固体等分隔，运动过程中介质的运动会引起振动能量的损耗，从而产生附加的阻尼，所述阻尼通常包括压膜阻尼和滑膜阻尼。通过调整活塞板402与所述压电传感单元110之间的距离，以及压电传感单元110与所述气缸壁4011之间的间距、活塞板402与所述气缸壁4011之间的间距、支撑柱301与所述气缸壁4011之间的距离，能够对所述阻尼大小进行调整，从而对器件的带宽进行调整，通常阻尼越大，带宽越大。

进一步的，本申请实施例的活塞结构中，由于活塞板402的面积较大，且边缘为自由状态，振动过程的位移在活塞板402平面内均匀分布；而常规的超声换能器中，仅通过压电传感单元110振动产生声波的情况下，压电传感单元110的位移自中心向边缘衰减；由此可见，通过本申请的活塞结构输出声波，所述活塞板402的整个平面均能产生位移，从而推动更多介质，更有效的输出声压，进而提高超声波发射效率，提高输出功率。

更进一步的，气缸壁4011围设于压电传感单元110外围，形成声波导结构，可以降低声波在传输过程中的衰减，提高声能的输出效率。通过引入活塞结构和气缸壁能够更容易实现声阻抗匹配，从而提高器件的声能输出效率。

请参考图8a，为本发明一实施例的活塞板和气缸壁的俯视示意图。

该实施例中，所述活塞板402a为圆形，所述气缸壁4011a包围的图形也为圆形。

请参考图8b，为本发明一实施例的活塞板和气缸壁的俯视示意图。

该实施例中，所述活塞板402b为正方形，所述气缸壁4011b包围的图形为六边形。

在其他实施例中，所述气缸壁4011围成的图形可以为矩形、圆形、椭圆形、多边形等各种形状，可以为封闭图形，还可以为非封闭图形；所述活塞板402的图形可以为矩形、圆形、椭圆形、多边形等各种形状，可以与所述气缸壁4011围成的图形形状相同或不同。本领域技术人员可以根据实际需要，对所述气缸壁4011包围图形以及所述活塞板402的形状进行合理设定。

请参考图9，为另一实施例的超声换能器的结构示意图。

该实施例中，在所述支撑层100上形成多个所述压电传感单元110，构成传感阵列。在每个压电传感单元110外围均形成所述气缸壁4011，且在每个压电传感单元110顶部均形成活塞结构800。每个压电传感单元110所在的支撑层100内均形成有背腔101，与所述压电传感单元110的位置相对。

该实施例中，相邻的压电传感单元110之间可以共用部分气缸壁4011，在其他实施例中，相邻压电传感单元110外围的气缸壁相互独立。

上述活塞结构和气缸壁构成的气缸结构占用面积较小，可以提高阵列单元密度，进而提高器件单位面积的升功率。且由于各个压电传感单元110外围分别围设有气缸壁4011，可以减少单元间的耦合，从而减少各个压电传感单元之间的串扰。

上述实施例中的超声波换能器阵列的加工工艺简单，可以通过沉积、光刻以及牺牲层技术(去除保护层)，均为现有技术中的成熟工艺，易于实现。

本发明的实施例还提供一种超声换能器阵列。

请参考图7，为本发明的超声换能器阵列的结构示意图。

所述超声换能器阵列包括支撑层100所述支撑层100内形成有背腔101；位于所述支撑层100表面与所述背腔101位置相对的压电传感单元110；位于所述压电传感单元110顶部的活塞结构，所述活塞结构包括位于所述压电传感单元110顶部的支撑柱301以及由所述支撑柱301支撑于所述压电传感单元110上方的活塞板402；位于所述支撑层110的表面，围设于所述压电传感单元110外围的气缸壁4011。

所述支撑层100材料可以包括硅(Si)，例如晶体Si，多晶硅或非晶Si。在一些实施例中，所述支撑层100的厚度范围为0.1mm～0.5mm，例如可以为0.3mm。所述背腔101可以为开放式腔体，开口位于所述支撑层100的表面。在其他实施例中，所述背腔101还可以为封闭式腔体，形成于所述支撑层100的内部，所述背腔101的顶部和底部均保留有部分厚度的支撑层100材料。

所述压电传感单元110包括底电极层111、位于所述底电极层111表面的压电传感层112以及位于所述压电传感层112表面的顶电极层113。所述压电传感单元110与所述背腔101相对，悬空于所述背腔101上方，所述背腔101提供所述压电传感单元110的振动空间。

所述底电极层111和所述顶电极层113的材料均为导电材料，可以为Cu、Al、W等金属材料还可以为掺杂多晶硅等半导体导电材料。所述压电传感层112可以采用压电陶瓷材料，例如PTZ、氮化铝、氧化锌等具有压电传感特性的材料。

所述支撑柱301可以为硅、氧化硅、金属或树脂等具有一定刚度的材料，以便所述支撑柱301具有足够的支撑强度。在一些实施例中，可以根据实际需求，在顶电极层113上设置一个或多个支撑柱301。在单个压电传感单元110的顶部形成有一个支撑柱301的情况下，所述支撑柱301位于所述顶电极层113的中心位置处；在单个压电传感单元110的顶部形成有多个支撑柱301的情况下，所述多个支撑柱301可以围绕所述顶电极层113的中心均匀分布。

所述活塞板402的材料可以为具有一定刚性的材料，可以为硅、氧化硅、金属或树脂等。在一些实施例中，所述活塞板402的材料为永久性光刻胶，通常为负胶，固化后耐酸碱和有机溶剂，且具有一定的刚度。

所述活塞板402由所述支撑柱301支撑于所述压电传感单元110上方，所述活塞板402的尺寸可以大于所述压电传感单元110的尺寸，使得所述压电传感单元110位于所述活塞板402的投影面内。所述活塞板402的形状可以为矩形、圆形、椭圆形、多边形等各种形状。所述支撑柱301可以支撑于所述活塞板402的中心位置处，以保持所述活塞板402振动过程中的稳定性。在具有多个支撑柱301的情况下，所述支撑外绕所述活塞板402的中心位置处均匀分布。

所述气缸壁4011的材料可以为具有一定刚性的材料，可以为硅、氧化硅、金属或树脂等。在一些实施例中，所述气缸壁4011的材料为永久性光刻胶，通常为负胶，固化后耐酸碱和有机溶剂，且具有一定的刚度。所述气缸壁4011围成的图形可以为矩形、圆形、椭圆形、多边形等各种形状，可以为封闭图形，还可以为非封闭图形，例如所述气缸壁4011上可以开设有开孔。通过形成所述开孔，可以调整所述活塞板在所述气缸壁4011围设空间内进行振动的阻尼。

所述活塞板402可以与所述气缸壁4011围成的图形形状相同或不同。本领域技术人员可以根据实际需要，对所述气缸壁包围图形以及所述活塞板图形进行合理设定。

进一步的，所述气缸壁4011的顶部高于所述活塞板402的顶部，可以对所述活塞板402起到较好的保护，保护其围设空间内部的活塞结构以及压电传感单元110避免受到外部的机械冲击，提高器件的结构强度。

在一些实施例中，所述气缸壁4011与所述压电传感单元110以及活塞结构之间的间隙内还可以填充有具有阻尼属性的介质，例如特定粘度的流体或气体、或者具有粘弹性的固体等，并相应的在气缸壁4011顶部设置有密闭结构，例如密封盖或密封塞等。在一些实施例中，如果所述超声换能器工作在空气环境中，则无需进行特殊的填充和封闭处理。

上述实施例中的超声换能器的活塞结构以及气缸壁构成气缸结构，可以在振动周期内引入阻尼，从而提高器件的带宽。通过调整气缸壁与活塞板之间的间距、活塞板与压电传感单元顶部之间的距离、气缸壁上开孔的大小数量等参数中的任一项或多项，均可以对所述阻尼进行调整，进而调整器件带宽。

气缸壁围设形成的声波导结构能够提高声能传输效率；且气缸结构有助于提高器件与介质声阻抗的匹配，进一步提高声波发射效率。

请参考图9，为本申请另一实施例的超声换能器的结构示意图。

该实施例中，所述超声换能器的支撑层100上具有多个所述压电传感单元110，构成传感阵列。在每个压电传感单元110外围均形成有所述气缸壁4011，且在每个压电传感单元110顶部均形成活塞结构800。每个压电传感单元110所在的支撑层100内均形成有背腔101，与所述压电传感单元110的位置相对。

相邻的压电传感单元110之间可以共用部分气缸壁4011，在其他实施例中，相邻压电传感单元110外围的气缸壁相互独立。

由于上述活塞结构和气缸壁构成的气缸结构占用面积较小，可以提高阵列单元密度，进而提高器件单位面积的升功率。且由于各个压电传感单元110外围分别围设有气缸壁4011，可以减少单元间的耦合，从而减少各个压电传感单元之间的串扰。

各个压电传感单元100的压电传感层与顶电极层之间相互独立；各个压电传感单元的底电极层之间相互独立或者至少部分压电传感单元的底电极与其他压电传感单元的底电极之间相互连接。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种超声换能器阵列，其特征在于，包括：

支撑层，所述支撑层内具有背腔；

位于所述支撑层表面上与所述背腔位置相对的多个压电传感单元，以及位于所述压电传感单元顶部的活塞结构，所述活塞结构包括位于所述压电传感单元顶部的支撑柱以及由所述支撑柱支撑于所述压电传感单元上方的活塞板；

位于所述支撑层的表面，围设于所述压电传感单元外围的气缸壁，所述气缸壁顶部高于所述活塞结构顶部，所述气缸壁形成波导结构，且所述气缸壁与所述传感单元、之间具有间距，所述间距在所述活塞结构振动过程中提供附加阻尼；

所述压电传感单元包括：底电极层、位于所述底电极层表面的压电传感层以及位于所述压电传感层表面的顶电极层；各个压电传感单元的压电传感层与顶电极层之间相互独立；各个压电传感单元的底电极层之间相互独立或者至少部分压电传感单元的底电极与其他压电传感单元的底电极之间相互连接。

2.根据权利要求1所述的超声换能器阵列，其特征在于，所述气缸壁具有开孔。

3.根据权利要求1所述的超声换能器阵列，其特征在于，每个压电传感单元外围均围设有所述气缸壁。

4.根据权利要求1所述的超声换能器阵列，其特征在于，所述气缸壁与所述传感单元之间填充具有阻尼属性的介质。

5.一种超声换能器阵列的形成方法，其特征在于，包括：

提供支撑层，所述支撑层内形成有背腔；

在所述支撑层表面与所述背腔位置相对处形成多个压电传感单元，所述压电传感单元包括：底电极层、位于所述底电极层表面的压电传感层以及位于所述压电传感层表面的顶电极层；各个压电传感单元的压电传感层与顶电极层之间相互独立；各个压电传感单元的底电极层之间相互独立或者至少部分压电传感单元的底电极与其他压电传感单元的底电极之间相互连接；

在所述压电传感单元顶部形成活塞结构以及在所述支撑层表面形成围设于所述压电传感单元外围的气缸壁，所述活塞结构包括位于所述压电传感单元顶部的支撑柱以及由所述支撑柱支撑于所述压电传感单元上方的活塞板；所述气缸壁顶部高于所述活塞结构顶部，所述气缸壁形成波导结构，且所述气缸壁与所述传感单元之间具有间距，所述间距在所述活塞结构振动过程中提供附加阻尼。

6.根据权利要求5所述的超声换能器阵列的形成方法，其特征在于，形成所述活塞结构和所述气缸壁的方法包括：

形成所述传感单元后，在所述支撑层上形成覆盖所述传感单元侧壁和顶部的保护材料层；

对所述保护材料层进行图形化，形成保护层，以及位于所述保护层内暴露所述传感单元顶部的至少一个开口；

在所述开口内填充第一材料，形成位于所述开口内的所述支撑柱；

在所述支撑层表面形成第二材料，所述第二材料覆盖所述保护层的侧壁和顶部；

对所述第二材料进行图形化，形成覆盖所述保护层侧壁的气缸壁，以及位于所述支撑柱和所述保护层表面的活塞板；

去除所述保护层，使得所述活塞板悬空于所述保护层上方。

7.根据权利要求5所述的超声换能器阵列的形成方法，其特征在于，使得所述气缸壁顶部高于所述活塞结构顶部的方法包括：在形成所述气缸壁之后，对所述气缸壁进行加高，使得加高后的气缸壁顶部高于所述活塞板顶部。

8.根据权利要求5所述的超声换能器阵列的形成方法，其特征在于，所述活塞结构和气缸壁的形成过程中，保持工艺温度小于300℃。

9.根据权利要求6所述的超声换能器阵列的形成方法，其特征在于，所述气缸壁和活塞板的材料为永久性光刻胶；和/或，所述保护层的材料为临时性光刻胶。

10.根据权利要求5所述的超声换能器阵列的形成方法，其特征在于，所述压电传感单元的形成方法包括：

在所述支撑层表面依次沉积底电极材料层、压电传感材料层和顶电极材料层；

依次对所述顶电极材料层、压电传感材料层和所述底电极材料层进行图形化，形成岛状的压电传感单元。

11.根据权利要求5所述的超声换能器阵列的形成方法，其特征在于，在每个压电传感单元外围均形成所述气缸壁。

12.根据权利要求5所述的超声换能器阵列的形成方法，其特征在于，还包括：在所述气缸壁与所述传感单元之间的间隙内填充具有阻尼属性的介质。

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