CN115921260A - 基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统及调节方法，通过设置具有直流信号源及交流信号源的复合信号源，且使得直流信号源及交流信号源的相对两端分别连接于压电微机械超声换能器的顶电极引出端及底电极引出端，从而可通过直流信号源提供直流偏置信号，使压电微机械超声换能器产生初始应力形变，以及通过交流信号源提供交流激励信号，使压电微机械超声换能器产生超声信号。本发明将直流信号源直接施加于压电微机械超声换能器的顶电极引出端及底电极引出端，可在不改变压电微机械超声换能器基本结构的条件下，实现对压电微机械超声换能器的性能参数的调节，降低压电微机械超声换能器系统的复杂度，且可降低成本。

Description

基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统及调节方法

技术领域

本发明涉及换能器领域，特别是涉及一种基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统及调节方法。

背景技术

超声换能器是既可以用来发射又可以用来接收超声波的换能元件。当工作在发射模式时，电能转换为换能器的振动从而向外辐射声波；工作在接收模式时，声压作用在换能器表面使其振动，换能器再将振动转换为电信号。

目前应用最广的超声波传感器主要基于体压电换能器，体压电换能器主要利用压电陶瓷的厚度振动模式产生超声波，由于厚度模式的谐振频率只与换能器的厚度相关，在同一平面上很难制作不同谐振频率的超声换能器。当其应用于较高频率时，厚度需要控制在亚微米级精度，其加工难度较高。而基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-System，MEMS)制作的微机械超声换能器(Micromachined-Ultrasonic-Transducer，MUT)工作在弯曲模式，具有刚度较低的振动薄膜。并且其谐振频率通过平面内尺寸控制，对加工精度要求较小。随着MEMS超声换能器技术的逐渐成熟，由于其兼具高性能、低成本、容易实现大规模生产的优点，微机械超声换能器将逐步取代传统的体压电换能器。

微机械超声换能器主要分两种：电容式微机械超声换能器(Capacitance MUT，CMUT)和压电式微机械超声换能器(Piezoelectric MUT，PMUT)。CMUT利用上下极板间形成的电容，通过金属电极间的直流偏置电压使振动薄膜向下弯曲，再通过施加一定频率的交流电压，驱动薄膜上下振动，推动介质辐射超声波。反之，振动薄膜在直流偏置电压的作用下保持静态弯曲平衡，当超声波推动薄膜振动时，电极间距的改变引起电容值的改变，从而产生与声波相关的电信号。根据CMUT的工作原理，为了维持较高的输出压力和灵敏度，其需要数百伏的偏置电压和亚微米的极板间间隙。其中，较小的间隙导致了复杂的制造流程，以及极板间的粘连问题；数百伏的偏置电压进一步增加了系统的复杂性，也带来了安全隐患。PMUT基于压电薄膜的压电效应/逆压电效应实现电能和声能的相互转换，相较于CMUT，PMUT结构简单，容易制造，并且不需要数百伏的偏置电压。但是，PMUT由于其较低的机电耦合系数，存在带宽低，品质因数(Quality factor，Q)高的问题，限制了其在实际生活中的应用。

因此，提供一种基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统及调节方法，实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统及调节方法，用于解决现有技术中难以调节PMUT性能参数的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统，所述压电微机械超声换能器系统包括：

压电微机械超声换能器；

复合信号源，所述复合信号源包括直流信号源及交流信号源，且所述直流信号源及交流信号源的相对两端分别连接于所述压电微机械超声换能器的顶电极引出端及底电极引出端，所述直流信号源提供直流偏置信号，使所述压电微机械超声换能器产生初始应力形变，所述交流信号源提供交流激励信号，使所述压电微机械超声换能器产生超声信号。

可选地，所述压电微机械超声换能器为由N≥2个压电微机械超声换能器阵元所构成的压电微机械超声换能器阵列。

可选地，所述压电微机械超声换能器阵元的压电层包括AlN压电层、ZnO压电层、PZT压电层及压电陶瓷层中的一种或组合。

可选地，所述压电微机械超声换能器具有2个以上的所述顶电极引出端及2个以上的底电极引出端。

本发明还提供一种基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统的调节方法，包括以下步骤：

提供基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统，所述基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统包括压电微机械超声换能器及复合信号源，所述复合信号源包括直流信号源及交流信号源，且所述直流信号源及交流信号源的相对两端分别连接于所述压电微机械超声换能器的顶电极引出端及底电极引出端；

通过所述直流信号源向所述压电微机械超声换能器提供直流偏置信号，使所述压电微机械超声换能器产生初始应力形变；

通过所述交流信号源向所述压电微机械超声换能器提供交流激励信号，使所述压电微机械超声换能器产生超声信号。

可选地，调整所述直流信号源所输出的直流偏置电压的大小以及所述直流信号源的相对两端的极性中的一种或组合，实现对所述压电微机械超声换能器的性能参数的调整。

可选地，所述压电微机械超声换能器为由N≥2个压电微机械超声换能器阵元所构成的压电微机械超声换能器阵列；所述压电微机械超声换能器阵元的压电层包括AlN压电层、ZnO压电层、PZT压电层及压电陶瓷层中的一种或组合。

可选地，所述压电微机械超声换能器具有2个以上的所述顶电极引出端及2个以上的底电极引出端。

如上所述，本发明的基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统及调节方法，通过设置具有直流信号源及交流信号源的复合信号源，且使得直流信号源及交流信号源的相对两端分别连接于压电微机械超声换能器的顶电极引出端及底电极引出端，从而可通过直流信号源提供直流偏置信号，使压电微机械超声换能器产生初始应力形变，以及通过交流信号源提供交流激励信号，使压电微机械超声换能器产生超声信号。本发明将直流信号源直接施加于压电微机械超声换能器的顶电极引出端及底电极引出端，可在不改变压电微机械超声换能器基本结构的条件下，实现对压电微机械超声换能器的性能参数的调节，降低压电微机械超声换能器系统的复杂度，且可降低成本。

附图说明

图1显示为实施例中基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统的结构示意图。

图2显示为实施例中压电微机械超声换能器阵元的剖面结构示意图。

图3a及图3b显示为实施例中采用阻抗分析仪对基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统的测试结果图。

图4a显示为实施例中采用多普勒激光测振仪对基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统的测试结果图。

图4b显示为图4a中A区域对应的局部放大图。

元件标号说明

100                     压电微机械超声换能器

101                     PMUT阵元

102                     顶电极引出端

103                     底电极引出端

200                     复合信号源

201                     直流信号源

202                     交流信号源

1011                    Si衬底

1012                    空腔

1013                    Si结构层

1014                    底电极

1015                    压电层

1016                    顶电极

1017                    SiO₂绝缘层

1018                    第一铝电极

1019                    第二铝电极

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施例提供一种基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统，所述压电微机械超声换能器系统包括：压电微机械超声换能器100及复合信号源200。所述复合信号源200包括直流信号源201及交流信号源202，且所述直流信号源201及交流信号源202的相对两端分别连接于所述压电微机械超声换能器100的顶电极引出端102及底电极引出端103，所述直流信号源201提供直流偏置信号，使所述压电微机械超声换能器100产生初始应力形变，所述交流信号源202提供交流激励信号，使所述压电微机械超声换能器100产生超声信号。

本实施例中的所述压电微机械超声换能器100将所述直流信号源201直接施加于所述压电微机械超声换能器100的所述顶电极引出端102及底电极引出端103，可在不改变所述压电微机械超声换能器100的基本结构以及基本电路的条件下，实现对所述压电微机械超声换能器100的性能参数的调节，如谐振频率、带宽、品质因数Q等，从而可降低所述压电微机械超声换能器系统的复杂度，且可降低成本。

具体的，如图1及图2，本实施例中的所述压电微机械超声换能器系统是基于在传统的所述交流信号源202的基础上，再引入所述直流信号源201，以组合成所述复合信号源200，用以激励所述压电微机械超声换能器100。其中，所述压电微机械超声换能器100可为PMUT阵列，即可为由N≥2个PMUT阵元101所构成的PMUT阵列，本实施例中，N的取值为9，但所述N的取值并非局限于此，如N还可取2、3、5、6等，具体可根据需要进行设置。其中，所述PMUT阵列中所有所述PMUT阵元101共顶电极和底电极，并由顶电极引出端102及底电极引出端103分别引出，但并非局限于此，只需使得所述直流信号源201及交流信号源202的相对两端连接于顶电极和底电极的所述PMUT阵列的电极引出端即可，以实现对共同作用的所述PMUT阵列的调节。

进一步的，所述压电微机械超声换能器100可具有2个以上的所述顶电极引出端102及底电极引出端103。本实施例中，所述压电微机械超声换能器100设置有2个所述顶电极引出端102及2个所述底电极引出端103，以便于器件分布及提高所述压电微机械超声换能器100的使用寿命，但所述顶电极引出端102及底电极引出端103的个数并非局限于此，具体可根据需要进行设置。

如图2显示为本实施例中的所述PMUT阵元101的剖面结构图，但所述PMUT阵元101的结构、材质等并非局限于此，具体可根据需要进行设置。其中，所述PMUT阵列中的所述PMUT阵元101为通过MEMS技术加工而成，自上而下看可包括SiO₂绝缘层1017、顶电极1016、压电层1015、底电极1014、Si结构层1013、Si衬底1011。其中，所述Si衬底1011刻蚀有空腔1012用以保证PMUT的弯曲振动。第一铝电极1018和第二铝电极1019分别用于引出所述底电极1014和顶电极1016。

当在所述底电极1014和顶电极1016之间施加直流电场时，所述压电层1015中产生的横向应力将带动所述PMUT阵元101弯曲，产生变形；当在所述底电极1014和顶电极1016之间施加交流电场时，所述压电层1015中产生的横向应力将带动所述PMUT阵元101弯曲振动，从而产生超声波。即所述直流信号源201产生的偏置电压作用于所述PMUT阵列的所述顶电极引出端102和所述底电极引出端103时，将在所述PMUT阵元101的所述顶电极1016和所述底电极1014之间形成直流偏置电场，由于所述压电层1015的逆压电效应，所述压电层1015中将产生可控横向应力，使所述PMUT阵元101产生初始形变。当所述交流信号源202产生的激励信号再作用于所述PMUT阵列时，由于所述PMUT阵元101产生的初始形变，所述PMUT阵列的各项性能参数，如谐振频率、带宽、品质因数Q等，将发生改变。从而，本实施例的所述压电微机械超声换能器系统可在不改变所述压电微机械超声换能器100的基本结构以及基本电路的条件下，实现对所述压电微机械超声换能器100的调节，可降低所述压电微机械超声换能器系统的复杂度，且可降低成本。

作为示例，所述压电微机械超声换能器100中的所述PMUT阵元101可采用相同结构或不同结构。本实施例中，优选所述PMUT阵元101具有相同结构，但并非局限于此，根据需要，所述PMUT阵元101也可设置成不同结构。

作为示例，所述压电层105可为AlN压电层、ZnO压电层、PZT压电层或压电陶瓷层中的一种或组合。本实施例中，优选所述压电层105为AlN压电层，但并非局限于此。

本实施例还提供一种基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统的调节方法，包括以下步骤：

提供基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统，所述基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统包括压电微机械超声换能器及复合信号源，所述复合信号源包括直流信号源及交流信号源，且所述直流信号源及交流信号源的相对两端分别连接于所述压电微机械超声换能器的顶电极引出端及底电极引出端；

通过所述直流信号源向所述压电微机械超声换能器提供直流偏置信号，使所述压电微机械超声换能器产生初始应力形变；

通过所述交流信号源向所述压电微机械超声换能器提供交流激励信号，使所述压电微机械超声换能器产生超声信号。

具体的，本实施例的所述基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统采用上述压电微机械超声换能器系统，从而有关所述压电微机械超声换能器系统的结构、材质等此处不作赘述，当然根据需要，所述基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统也可进行适应性的变换，并非仅局限于上述压电微机械超声换能器系统。

本实施例的所述基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统的调节方法，无需改变PMUT的结构，仅需要在原始交流激励信号的基础上附加直流偏置即可实现对PMUT性能参数的调整。其中，可通过调整直流偏置的大小或极性中的一种或组合，实现对PMUT性能参数在一定范围内的线性调整，满足不同应用的需求。

具体的，参阅图3a、图3b和图4a、图4b，分别显示为基于AlN材料制备的基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统的测试结果。其中，所述基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统中PMUT阵列包括9个(3×3)相同的PMUT阵元101，每个所述PMUT阵元101的谐振频率为115kHz。分别对所述PMUT阵列在-30V～30V的条件下，用阻抗分析仪和多普勒激光测振仪(LDV)进行测试，通过测试结果可以出，所述基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统可以明显改变PMUT的频率响应，从而实现对PMUT各项性能参数的调节，如谐振频率、带宽、Q等。

综上所述，本发明的基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统及调节方法，通过设置具有直流信号源及交流信号源的复合信号源，且使得直流信号源及交流信号源的相对两端分别连接于压电微机械超声换能器的顶电极引出端及底电极引出端，从而可通过直流信号源提供直流偏置信号，使压电微机械超声换能器产生初始应力形变，以及通过交流信号源提供交流激励信号，使压电微机械超声换能器产生超声信号。本发明将直流信号源直接施加于压电微机械超声换能器的顶电极引出端及底电极引出端，可在不改变压电微机械超声换能器基本结构的条件下，实现对压电微机械超声换能器的性能参数的调节，降低压电微机械超声换能器系统的复杂度，且可降低成本。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统，其特征在于，所述压电微机械超声换能器系统包括：

压电微机械超声换能器；

复合信号源，所述复合信号源包括直流信号源及交流信号源，且所述直流信号源及交流信号源的相对两端分别连接于所述压电微机械超声换能器的顶电极引出端及底电极引出端，所述直流信号源提供直流偏置信号，使所述压电微机械超声换能器产生初始应力形变，所述交流信号源提供交流激励信号，使所述压电微机械超声换能器产生超声信号。

2.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器系统，其特征在于：所述压电微机械超声换能器为由N≥2个压电微机械超声换能器阵元所构成的压电微机械超声换能器阵列。

3.根据权利要求2所述的压电微机械超声换能器系统，其特征在于：所述压电微机械超声换能器阵元的压电层包括AlN压电层、ZnO压电层、PZT压电层及压电陶瓷层中的一种或组合。

4.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器系统，其特征在于：所述压电微机械超声换能器具有2个以上的所述顶电极引出端及2个以上的底电极引出端。

5.一种基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统，所述基于直流偏置的压电微机械超声换能器系统包括压电微机械超声换能器及复合信号源，所述复合信号源包括直流信号源及交流信号源，且所述直流信号源及交流信号源的相对两端分别连接于所述压电微机械超声换能器的顶电极引出端及底电极引出端；

通过所述直流信号源向所述压电微机械超声换能器提供直流偏置信号，使所述压电微机械超声换能器产生初始应力形变；

通过所述交流信号源向所述压电微机械超声换能器提供交流激励信号，使所述压电微机械超声换能器产生超声信号。

6.根据权利要求5所述的压电微机械超声换能器系统的调节方法，其特征在于：调整所述直流信号源所输出的直流偏置电压的大小以及所述直流信号源的相对两端的极性中的一种或组合，实现对所述压电微机械超声换能器的性能参数的调整。

7.根据权利要求5所述的压电微机械超声换能器系统的调节方法，其特征在于：所述压电微机械超声换能器为由N≥2个压电微机械超声换能器阵元所构成的压电微机械超声换能器阵列；所述压电微机械超声换能器阵元的压电层包括AlN压电层、ZnO压电层、PZT压电层及压电陶瓷层中的一种或组合。

8.根据权利要求5所述的压电微机械超声换能器系统的调节方法，其特征在于：所述压电微机械超声换能器具有2个以上的所述顶电极引出端及2个以上的底电极引出端。

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