CN115156017B - 一种半固定的微机械超声换能器 - Google Patents
一种半固定的微机械超声换能器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115156017B CN115156017B CN202210773141.1A CN202210773141A CN115156017B CN 115156017 B CN115156017 B CN 115156017B CN 202210773141 A CN202210773141 A CN 202210773141A CN 115156017 B CN115156017 B CN 115156017B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- piezoelectric
- neutral
- cavity
- neutral layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims abstract description 77
- 238000003475 lamination Methods 0.000 claims abstract description 29
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 16
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 14
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 9
- 238000002161 passivation Methods 0.000 claims description 8
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 6
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 3
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 7
- 230000004044 response Effects 0.000 description 6
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 6
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 4
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 3
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000002059 diagnostic imaging Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明公开了一种半固定的微机械超声换能器。换能器单元包括压电叠层、中性层、空腔和衬底；压电叠层包含上电极层、压电层与底电极层；中性层为压电叠层提供支撑作用，其具有镂空，即呈长方形的主体支撑结构是半固定的，一对侧边是自由的；空腔是中性层下方的中空结构，为薄膜提供振动的空间；中性层通过空腔外的侧墙与衬底结合。本发明的振动薄膜是半固定的，具有多种半固定的、处于不同频段谐振模态，可以分别实现高品质因数、超窄带的谐振，及低品质因数、宽带的谐振。本发明通过对压电叠层进行交流信号激励或使用模拟前端电路进行电信号感知，可以实现高性能的超声波信号收发。
Description
技术领域
本发明属于微机电技术领域，具体涉及一种微机械超声换能器。
背景技术
超声成像具有无电离副作用、灵敏度高、实时成像、对组织无损伤、成本低等优点，广泛应用于医学成像、工业无损检测、物联网与智能传感等领域。超声换能器是上述应用中的关键模块，它负责将超声波信号与电信号进行转换，其所拥有的灵敏度性能及带宽，直接决定了成像质量与传感精度的好坏。
微机械超声换能器采用MEMS工艺加工，适合高效率制备超声换能器阵列，且有潜力与CMOS芯片实现集成，有利于提升信噪比，降低超声系统的体积和成本。微机械超声换能器的基本原理在于，通过静电力效应或压电效应，将电信号激励转换为力学激励（或相反），从而使中心处的薄膜弯曲振动，向外挤压导声介质，实现超声波的收发。
上述微机械超声换能器的传统结构基于边缘全固定的圆盘或方盘的弯曲振动模式，在受电信号激励或导声介质挤压时，呈现出薄膜中间局部凸起的振动形态。这种谐振模态受侧边固定的边界条件影响，有效面积低、谐振损耗大，使得在形成大规模阵列时，有效振动的薄膜总面积有限，最终输出声压和接收灵敏度差。因而，提高薄膜振动的有效面积，降低损耗，有助于突破目前微机械换能器的性能与工艺瓶颈，实现高灵敏度的微机械超声换能器。
发明内容
本发明的目的在于提出一种半固定的微机械超声换能器，以扩大振膜有效面积、提高峰值灵敏度，实现高声压输出，从而实现高性能的超声波信号收发。
本发明提供的半固定的微机械超声换能器，由换能器单元经二维周期延拓组成，为M×N阵列；M、N可为1—256（优选M、N为2—256），以形成各单元可单独控制的二维面阵列；当列方向并联，行方向为可单独控制的配置时，构成一维线阵列换能器；所述换能器单元的结构参见图1、图2所示，包括压电叠层1、中性层2、空腔3和衬底4；压电叠层1自上而下包含一薄的上电极层1-1、压电层1-2和薄的底电极层1-3，各层呈长方形；中性层2具有两个对称设置的长方形镂空空隙，两个空隙中间形成长方形的支撑结构，该支撑结构上方为压电叠层1，长方形支撑结构的一对侧边受镂空所致为自由边，另外一对侧边和中性层2剩余部分接续，受到固定；空腔3是中性层2下方的中空结构，为所述中性层2的支撑结构和压电叠层1提供振动空间；衬底4上表面和中性层2的部分下表面结合，提供固定支撑，并与空腔3互补；
所述中性层2为压电叠层1的各部件提供支撑，使得压电叠层1在受激产生应变时，压电叠层1与中性层2构成的复合薄膜的应变中性面处于中性层2内；所述中性层2与衬底4间为一平整接触面，通过键合工艺使两者结合；
所述空腔3是衬底4从上而下刻蚀形成的凹陷结构，目的是为上方结构提供振动空间，因而空腔3的形状与衬底4是互补的（即为一体的）；
所述压电叠层1的上电极层1-1与底电极层1-3构成电极对，用于压电层1-2上的电场、电荷、电压的施加与采集；其中，可以通过施加直流偏置电压，对压电叠层1进行静态控制；通过施加交流耦合信号，对压电叠层1进行动态激励。
本发明中，压电叠层的上电极层1-1、压电层1-2、底电极层1-3和中性层2的支撑部分都为长方形，且长度、宽度自上而下相同或逐渐增加；当上电极层1-1只覆盖部分的压电层，或压电层只占据部分的中性层2的支撑结构时，所述上电极层1-1与底电极层1-3构成的电极对在施加电场时，压电层的应变响应可以更加集中于振膜所具有的特征谐振模态的弯曲部分，从而提高结构受激振动的效率和灵敏度。
本发明中，引入静电力效应，与压电效应共同工作可以进一步加强所述微机械超声换能器的灵敏度。在空腔3的底部，进一步包含一薄的电极层3-2，与中空腔室3-1共同构成空腔3；
空腔电极层3-2与底电极层1-3构成了一对电极对，其间保留有必要的间隙，以提供振动空间，并防止静电吸附；所述电极对可以施加直流偏置电压，以及交流耦合信号，基于静电力效应，对压电叠层1和中性层2构成的复合薄膜的形态进行控制和激励。
本发明中，当压电叠层1和中性层2构成复合薄膜时，厚度较大将增加下方静电力驱动的难度，因而在具有空腔底电极3-2的基础上，进一步去除压电叠层1上方的上电极层1-1和压电层1-2，可使器件工作在更高性能的静电力驱动机制之下。
本发明中，半固定的振动薄膜可以在自由侧边的法方向，即X方向密集排列多个振动薄膜，即中性层2的长方形支撑和压电叠层1构成的复合薄膜，所述的多个振动薄膜之下是单一连通的空腔3；对于所述的多个长方形振动薄膜，其振动是独立的，其X方向的边长可以相同或不等，从而实现相同或不同频率的高密度多振膜换能器单元。
本发明中，所述中性层2具有的两个或更多的长方形镂空、一个或多个振动薄膜的边界都处于空腔3的边界以内，即空腔3的边界囊括了上述形状。
本发明中，所述中性层的厚度为0.1—5微米，压电层厚度为0.1—5微米，电极层厚度为0.01—1微米，所述中性层的镂空在排布方向即X方向的边长为1—50微米，与振动膜自由侧边平行的方向即Y方向的边长为5—100微米，镂空之间形成的长方形支撑结构的X方向边长为5—500微米，Y方向的边长与镂空相同；空腔的深度为0.1—300微米；最终形成中心频率为0.5—100MHz的微机械超声换能器。
进一步地，本发明中所述微机械换能器还包含形成在所述压电叠层1和中性层2上方的绝缘层、走线层、钝化层与声匹配层；走线层为金属材料，钝化层、绝缘层与声匹配层为绝缘介质。其中，绝缘层作用为隔绝走线层与电极层；走线层作用为和电极层形成连接，并引出至外界引脚以便施加信号；钝化层作用是保护压电材料与金属材料，使之和外界水汽或其它介质隔绝，实现隔离与钝化的作用；声匹配层的作用是为了改善声发射效率，其介于微机械超声换能器单元的主体结构与负载介质（如水、油、空气等）之间。
本发明提出的半固定的微机械超声换能器，其中的长方形振膜的一对侧边自由，另一对侧边受固定支撑，因而具有多个特定的振动模态。所述模态由振膜的宽度或长度参数单独调制，或由两者共同调制，在振动时具有较大的有效面积，较高的峰值灵敏度。基于这一侧边特征，可以沿自由侧边排布的方向紧凑放置多个薄膜，而不需要额外的侧墙做固定，该填充方式效率高，即在有限面积下放置了更多单元，实现更高声压输出。通过压电层或静电空腔的电极对进行信号激励或检测，可使结构受激振动或感知声压变化，实现高性能的超声波的收发。
附图说明
图1为半固定的微机械超声换能器的三维结构示意图。
图2为半固定的微机械超声换能器的X-Z截面示意图。
图3为半固定的微机械超声换能器压电叠层进一步图案化的示意图。
图4为具有空腔电极层的半固定的微机械超声换能器示意图。
图5为去除了压电部件的半固定的电容式微机械超声换能器示意图。
图6为同一空腔之上具有多个振动薄膜的半固定的微机械超声换能器示意图。
图7为半固定的微机械超声换能器的振幅曲线与振动模态仿真结果。
图8为全固定的微机械超声换能器的振幅曲线与振动模态仿真结果。
图9为实施方法1示意图。
图10为实施方法2示意图。
图11为实施方法3示意图。
图中标号：1为压电叠层，1-1为上电极层，1-2为压电层，1-3为底电极层；2为中性层；3为空腔，3-1为中空腔室，3-2为空腔电极层；4为衬底。
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。
参照截面示意图1及俯视示意图2，本发明所提出的半固定的微机械超声换能器，包含压电叠层、中性层、空腔和衬底。首先，压电叠层自上而下由上电极层、压电层和底电极层构成，其基本形状都为长方形；压电叠层下方由中性层支撑，中性层具有一对对称排布的长方形镂空，镂空之间形成了一长方形支撑结构，与压电叠层结合，其由镂空定义的一对侧边是自由的，另外一对侧边与中性层主体连续，因而是固定的，中性层的作用除了为上方压电叠层提供支撑外，还发挥着平衡应变中性面的作用，当压电叠层在受激产生应变时，压电叠层与中性层构成的复合薄膜的应变中性面处于中心层内；中性层之下具有一空腔，其是一个中空的腔室，主要作用是为上方的振动薄膜提供振动空间，并定义其可活动的外边界，空腔边界的几何参数对结构的谐振频率有较大的影响；因空腔是衬底自上而下刻蚀形成的，空腔和衬底是互补的，对于衬底未被刻蚀的平整的上表面，利用键合工艺，与中性层的下表面结合。
本发明所述的微机械超声换能器，具体的几何设计参数为：中性层的厚度为0.1—5微米，压电层厚度为0.1—5微米，电极层厚度为0.01—1微米，所述中性层的镂空在排布方向即X方向的边长为1—50微米，与振动膜自由侧边平行的方向即Y方向的边长为5—100微米，镂空之间形成的长方形支撑结构的X方向边长为5—500微米，Y方向的边长与镂空相同；空腔的深度为0.1—300微米；最终形成中心频率为0.5—100MHz的微机械超声换能器；此外，所述中性层2具有的两个或更多的长方形镂空、一个或多个振动薄膜的边界都处于空腔3的边界以内，即空腔3的边界囊括了上述形状；
参照图3所示的半固定的微机械超声换能器压电叠层进一步图案化的示意图，本发明所述的压电叠层的上电极层1-1、压电层1-2、底电极层1-3和中性层2的支撑部分都为长方形，且长度、宽度自上而下相同或逐渐增加；当上电极层1-1只覆盖部分的压电层，或压电层只占据部分的中性层2的支撑结构时，所述上电极层1-1与底电极层1-3构成的电极对在施加电场时，压电层的应变响应可以更加集中于振膜所具有的特征谐振模态的弯曲部分，从而提高结构受激振动的效率和灵敏度；
参照图4所示的具有空腔电极层的半固定的微机械超声换能器示意图，本发明在图3所示微机械超声换能器的基础上，在空腔3的底部，进一步覆盖了一薄的电极层3-2，与中空腔室3-1共同构成空腔3，从而引入静电力效应，与压电效应共同工作可以进一步加强所述微机械超声换能器的灵敏度。所述空腔电极层3-2与底电极层1-3构成了一对电极对，其间保留有必要的间隙，以提供振动空间，并防止静电吸附；所述电极对可以施加直流偏置电压，以及交流耦合信号，基于静电力效应，对压电叠层1和中性层2构成的复合薄膜的形态进行控制和激励。
参照图5所示的去除了压电部件的半固定的电容式微机械超声换能器示意图，本发明在图4所示微机械超声换能器的基础上，将压电叠层1上部的上电极层1-1和压电层1-2去除，减小了压电叠层与中性层构成的复合薄膜的总厚度，降低了薄膜的刚度，使其工作在静电力驱动模式时，相同的直流偏置电压可以更容易地拉伸振动薄膜，从而更高效地激励薄膜振动。
参照图6所示的同一空腔之上具有多个振动薄膜的半固定的微机械超声换能器示意图，本发明在图1、图2、图3、图4、或图5所示的微机械超声换能器的基础上，将主要的振动薄膜在自由侧边的法向即X方向进行了密集排布，即同一个空腔之上，具有多个半固定的振动薄膜，因为不需要额外的侧墙提供支撑、发挥固定边界作用，所述的多个振动薄膜的间距较小，形成了高密度、多振膜的换能器单元；所述换能器单元可能较长，包含两个或更多的振动薄膜，振动薄膜的长度可能相同或不同，从而实现不同的应用需求：当长度都相同时，振动薄膜的制定模态的谐振频率相同，从而形成了高灵敏度阵列；当长度不等时，可以拼接不同谐振频率的响应频谱，使得换能器在指定负载（空气、水、油等）之下，具有宽带特性。
参照图7所示半固定的微机械超声换能器的振幅曲线与振动模态仿真结果，并与图8所示传统的、全固定的微机械超声换能器的振幅曲线与振动模态仿真结果进行对比，具体结果如下：仿真模型中，所设计的半固定或全固定的微机械超声换能器的中性层的长方形支撑结构宽度为60微米，长度为80微米，厚度为3微米，底电极层、压电层和上电极层的长度和宽度与中性层所述长方形支撑结构相同，厚度依次为0.15微米、1微米及0.15微米；半固定的微机械超声换能器中，长方形支撑结构的80微米长度侧边是自由边界，另外一对侧边是固定边界；全固定的微机械超声换能器中，长方形支撑结构的两对侧边都是固定边界。
仿真中，通过对压电层施加单位幅度的交流信号，对模型在0—40MHz进行了频域分析，其振动薄膜的中心点的位移频响曲线在图7、图8分别示出，其中半固定的微机械超声换能器在0—40MHz具有3个谐振峰，全固定的微机械超声换能器在0—40MHz具有2个谐振锋；
其中，本发明所述的半固定的微机械超声换能器的第一个谐振锋由宽度，即自由侧边的边长决定，其弯曲振动的模态是两边钳紧的薄板，中间的一个长条整体向下凹陷或向上凸起，在单位幅度电压激励下，其中心振幅为0.14微米；本发明所述的换能器的第二个谐振锋由长度，即固定侧边的边长决定，其弯曲振动的模态是自由侧边向下挤压，中心向上凸起的形态，其中心振幅为1.77微米；本发明所述的换能器的第三个谐振锋由宽度、长度协同决定，其弯曲振动的模态是更高阶的，中心振幅为5.76微米；
传统的全固定的微机械超声换能器的第一个谐振锋由宽度和长度共同决定，其弯曲振动的模态是全部钳紧的薄板，只有中间向上凸起或向下凹陷，侧边因为固定的原因，无法进行大幅的移动，在单位幅度电压激励下，其中心振幅为0.10微米；传统的全固定的微机械超声换能器的第二个谐振锋是更高阶的，中心振幅为0.013微米；
总体而言，本发明所述的半固定的微机械超声换能器，因为有一对侧边得以释放，振动的有效面积更大，且灵敏度更高，尤其是与自由侧边相关联的后两个模式，振幅高出一个至两个数量级，说明该设计有助于实现高品质因数的换能器，用于距离探测或高灵敏度传感等应用。传统的全固定的微机械超声换能器的主谐振模式因为两对侧边都是固定的，其有效的振动面积较少，且振幅低，更高阶的模式振幅更低，不利于实现高灵敏度的换能器。
参照图9所示实施方法1，本发明所述微机械超声换能器的实施方式具体描述如下：一交流信号源被加载在压电叠层1的上电极层1-1与底电极层1-3构成的电极对之上，随着电场的变化，压电层具有应变响应，通过压电层的拉伸或收缩，带动中性层受挤压或扩张，从而结构呈现半固定薄板的受驱振动。当外界加载有导声介质如水、油时，薄膜振动挤压导声介质，从而实现超声波的发射，反之亦然。
参照图10所示实施方法2，一直流偏置电压施加在空腔的电极层3-2与底电极层1-3间构成的电极对间，底电极层1-3被定义为地，直流偏置电压一般为几十伏特至数百伏特，用于在上述电极对间形成电荷积累，作为交流信号激励的基础，并利用电极板间形成的静电力，将复合薄膜拉近至电容腔体底部，从而提升薄膜弹性，调控谐振频率；
其次，一交流信号源被施加在了以上电极层1-1与底电极层1-3构成的电极对之间，通过瞬时的电压变化，在电极间产生电场变化，压电材料基于其逆压电效应产生应变响应，并带动复合薄膜弯曲，并且，底电极层1-3上产生的电荷变化，影响了静电力的波动，并带动复合薄膜弯曲，上述两个效应共同驱动薄膜，当逆压电效应所致的瞬时结构弯曲变化与静电力所致的瞬时结构弯曲变化方向一致时，结构的振幅得以大幅提升，形成了高灵敏度微机械超声换能器。当使用本超声换能器进行超声波信号接收时，电极层1-1与1-3构成的电极对与交流信号源通过开关电路断开，进一步向外与接受前端电路连接，接受前端电路最首一般为低噪声放大器所构成的电压放大器或跨导放大器。
参照图11所示实施方法3，一直流偏置电压串联一电感或电阻被施加在空腔的电极层3-2与底电极层1-3间构成的电极对间，底电极层1-3被定义为地，直流偏置电压一般为几十伏特至数百伏特，用于在上述电极对间形成电荷积累，作为交流信号激励的基础，并利用电极板间形成的静电力，将复合薄膜拉近至电容腔体底部，从而提升薄膜弹性，调控谐振频率；其次，一交流信号源以BiasTee的结构，即与直流电源施加位置间隔一大的隔直电容，接入了电极层3-2与底电极层1-3间构成的电极对，在上述电极对间产生电荷变化，造成静电力的波动，并带动复合薄膜弯曲；当使用本超声换能器进行超声波信号接收时，电极层3-2与1-3构成的电极对与交流信号源通过开关电路断开，进一步向外与接受前端电路连接，接受前端电路最首一般为低噪声放大器所构成的电压放大器或跨导放大器。
Claims (6)
1.一种半固定的微机械超声换能器，其特征在于，由换能器单元经二维周期延拓组成，为M×N阵列；M、N为1—256，以形成各单元可单独控制的二维面阵列换能器；所述换能器单元的结构包括压电叠层（1）、中性层（2）、空腔（3）和衬底（4）；压电叠层自上而下包含一薄的上电极层（1-1）、压电层（1-2）与底电极层（1-3）；中性层（2）在底电极层（1-3）下方，其具有两个对称设置的长方形镂空空隙，两个空隙中间形成长方形的支撑结构，该支撑结构上方为压电叠层（1），长方形支撑结构的一对侧边受镂空所致为自由边，另外一对侧边和中性层（2）剩余部分接续，受到固定；空腔（3）是中性层（2）下方的中空结构，为所述支撑结构和压电叠层（1）提供振动空间；衬底（4）是中性层（2）下方的实体结构，与中性层（2）结合，提供固定支撑；
所述中性层（2）为压电叠层（1）的各部件提供支撑，使得压电叠层（1）在受激产生应变时，压电叠层（1）与中性层（2）构成的复合薄膜的应变中性面处于中性层（2）内；所述中性层（2）与衬底（4）之间为一平整接触面，通过键合工艺使两者结合；
所述空腔（3）是衬底（4）从上而下刻蚀形成的凹陷结构，为上方结构提供振动空间，因而空腔（3）的形状与衬底（4）是互补的；
所述压电叠层（1）的上电极层（1-1）与底电极层（1-3）构成电极对，用于压电层（1-2）上的电场、电荷、电压的施加与采集；其中，通过施加直流偏置电压，对压电叠层（1）进行静态控制；通过施加交流耦合信号，对压电叠层（1）进行动态激励；
所述中性层（2）进一步包含多个长方形镂空空隙，长方形镂空在X方向排布且居中对齐，其排布方向的法向方向，即Y方向的边长相同，下方为连通的单一空腔（3）；
中性层（2）的长方形镂空之间形成两个或更多的长方形支撑结构，其上方分别形成所述的压电叠层（1），从而在同一个空腔（3）上方形成了多个独立的振动薄膜；
中性层的厚度为0.1—5微米，压电层厚度为0.1—5微米，电极层厚度为0.01—1微米，所述中性层的镂空在排布方向即X方向的边长为1—50微米，Y方向的边长为5—100微米，镂空之间形成的长方形支撑结构的X方向边长为5—500微米，Y方向的边长与镂空相同；空腔的深度为0.1—300微米；最终形成中心频率为0.5—100MHz的微机械超声换能器。
2.根据权利要求1所述的微机械超声换能器，其特征在于，压电叠层（1）的各部件，上电极层（1-1）、压电层（1-2）与底电极层（1-3）及中性层（2）中心形成的支撑结构是长方形的，且长、宽自上而下相同或逐渐增加，从而优化振动薄膜的振动形态和灵敏度。
3.根据权利要求1所述的微机械超声换能器，其特征在于，进一步包含形成在空腔底部的空腔电极层（3-2）；
上电极层（1-1）、空腔电极层（3-2）分别与底电极层（1-3）构成两对电极对，空腔电极层（3-2）与底电极层（1-3）之间除中性层（2）外，保留有间隙；两对电极对施加直流偏置电压，以及交流耦合信号，对压电叠层（1）和中性层（2）构成的复合薄膜的形态进行控制和激励，振动薄膜受压电效应和静电力效应协同驱动。
4.根据权利要求3所述的微机械超声换能器，其特征在于，去除压电叠层（1）上方的上电极层（1-1）和压电层（1-2），使得振动薄膜厚度降低，受单一静电力效应驱动。
5.根据权利要求1-4之一所述的微机械超声换能器，其特征在于，所述中性层（2）的两个或更多的长方形镂空、一个或多个振动薄膜的边界都处于空腔（3）的边界以内，即空腔（3）的边界囊括了上述形状。
6.根据权利要求1-4之一所述的微机械超声换能器，其特征在于，进一步包含形成在所述压电叠层（1）和中性层（2）上方的绝缘层、走线层、钝化层与声匹配层；走线层为金属材料，钝化层、绝缘层与声匹配层为绝缘介质；其中，绝缘层用于隔绝走线层与电极层；走线层用于与电极层形成连接，并引出至外界引脚以便施加信号；钝化层用于保护压电材料与金属材料，使之和外界水汽或其它介质隔绝，实现隔离与钝化；声匹配层介于换能器单元的主体结构与负载介质之间，用于改善声发射效率。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210773141.1A CN115156017B (zh) | 2022-07-01 | 2022-07-01 | 一种半固定的微机械超声换能器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210773141.1A CN115156017B (zh) | 2022-07-01 | 2022-07-01 | 一种半固定的微机械超声换能器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115156017A CN115156017A (zh) | 2022-10-11 |
| CN115156017B true CN115156017B (zh) | 2023-09-08 |
Family
ID=83490004
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210773141.1A Active CN115156017B (zh) | 2022-07-01 | 2022-07-01 | 一种半固定的微机械超声换能器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115156017B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115532572B (zh) * | 2022-10-14 | 2024-05-07 | 浙江大学 | 一种多频压电微机械超声换能器及制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110560350A (zh) * | 2019-08-16 | 2019-12-13 | 武汉大学 | 基于Helmholtz共振腔的接收超声换能器 |
| CN112871612A (zh) * | 2020-12-19 | 2021-06-01 | 复旦大学 | 具有多压电层的压电微机械超声换能器 |
| CN114124025A (zh) * | 2021-11-04 | 2022-03-01 | 武汉大学 | 一种微机械谐振器及其制备方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102155695B1 (ko) * | 2014-02-12 | 2020-09-21 | 삼성전자주식회사 | 전기 음향 변환기 |
-
2022
- 2022-07-01 CN CN202210773141.1A patent/CN115156017B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110560350A (zh) * | 2019-08-16 | 2019-12-13 | 武汉大学 | 基于Helmholtz共振腔的接收超声换能器 |
| CN112871612A (zh) * | 2020-12-19 | 2021-06-01 | 复旦大学 | 具有多压电层的压电微机械超声换能器 |
| CN114124025A (zh) * | 2021-11-04 | 2022-03-01 | 武汉大学 | 一种微机械谐振器及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115156017A (zh) | 2022-10-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6775388B1 (en) | Ultrasonic transducers | |
| JP4294798B2 (ja) | 超音波トランスデューサ | |
| CN110560350B (zh) | 基于Helmholtz共振腔的接收超声换能器 | |
| US5619476A (en) | Electrostatic ultrasonic transducer | |
| EP1042822B1 (en) | Piezoelectric transducer and method of use | |
| US4885781A (en) | Frequency-selective sound transducer | |
| CN110508474B (zh) | 一种混合驱动mut单元结构及其参数化激励方法 | |
| CN115156017B (zh) | 一种半固定的微机械超声换能器 | |
| CN112871613A (zh) | 具有支撑柱的压电式微机械超声换能器 | |
| CN110560352B (zh) | 基于Helmholtz共振腔的可调频超声传感器阵列 | |
| CN112718437B (zh) | 基于多振膜耦合的压电微机械超声换能器 | |
| IT201800002952A1 (it) | Trasduttore ultrasonico microlavorato (mut) perfezionato, metodo di fabbricazione del mut, e metodo di progettazione del mut | |
| WO2002019388A2 (en) | Class v flextensional transducer with directional beam patterns | |
| CN100430599C (zh) | 用于产生介质流的设备 | |
| Huang et al. | Capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUTs) with isolation posts | |
| CN217479067U (zh) | 微机械装置及微机械系统 | |
| CN110560349B (zh) | 基于Helmholtz共振腔并减小空气阻尼的接收超声换能器 | |
| CN116764922A (zh) | 一种平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器 | |
| CN114827856A (zh) | 一种静电式微型发声装置 | |
| CN115055356B (zh) | 一种具有环状压电层的微机械超声换能器 | |
| CN103262575A (zh) | 振荡器设备和电子仪器 | |
| CN115106275A (zh) | 一种基于支撑柱的微机械超声换能器 | |
| JP4131179B2 (ja) | 超磁歪型広帯域超音波発生装置 | |
| Khan et al. | Beam steering in a half-frequency driven airborne CMUT transmitter array | |
| CN115193673B (zh) | 一种侧边界自由的微机械超声换能器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |