CN117619709A - 一种超声换能器及超声成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声换能器及超声成像装置，包括驱动背板和多个换能单元。换能单元与驱动背板电连接。换能单元包括压电层，位于压电层的至少一侧的第一电极和第二电极；其中，第二电极在驱动背板上的正投影至少部分环绕于第一电极在驱动背板上的正投影的外围；驱动背板被配置为在超声波发射阶段通过第一电极输出第一电信号，以及在超声波接收阶段通过第二电极接收第二电信号。有利于扩大单个换能单元的超声波信号的接收范围，降低相邻的换能单元之间发生信号串扰的风险。

Description

一种超声换能器及超声成像装置

技术领域

本发明涉及超声技术领域，尤其涉及一种超声换能器及超声成像装置。

背景技术

超声换能器包括超声发射器、超声接收器和超声收发器。其中超声发射器作为超声波的发射装置，应用于超声波的发射场景；超声接收器作为超声波的接收装置，用于超声波的接收场景；超声收发器同时作为超声的发射装置和接收装置，可以用于超声波的发射和接收。超声收发器广泛应用于主动探测领域，例如应用于超声医学成像、超声指纹识别等。目前超声换能器的阵元之间存在超声波串扰的问题，影响超声换能器的成像质量。

发明内容

本发明提供一种超声换能器及超声成像装置，用以降低信号串扰，提高成像质量。

本发明的第一方面，提供一种超声换能器，包括：

驱动背板；

多个换能单元，与驱动背板电连接；换能单元包括压电层，位于压电层的至少一侧的第一电极和第二电极；

其中，第二电极在驱动背板上的正投影至少部分环绕于第一电极在驱动背板上的正投影的外围；驱动背板被配置为在超声波发射阶段通过第一电极输出第一电信号，以及在超声波接收阶段通过第二电极接收第二电信号。

在本发明提供的超声换能器中，第一电极和第二电极位于压电层的同一侧；

换能单元还包括第三电极；第三电极位于压电层背离第一电极和第二电极的一侧；第一电极在驱动背板上的正投影至少部分与第三电极在驱动背板上的正投影交叠，且第二电极在驱动背板上的正投影至少部分与第三电极在驱动背板上的正投影交叠；

驱动背板还被配置为在超声波发射阶段和超声波接收阶段，通过第三电极输出参考信号。

在本发明提供的超声换能器中，第二电极在驱动背板上的正投影环绕第一电极在驱动背板上的正投影，且互不交叠。

在本发明提供的超声换能器中，压电层包括第一子部和第二子部；第二子部环绕第一子部，且与第一子部间隔设置；

第一子部在驱动背板上的正投影与第一电极在驱动背板上的正投影至少部分交叠；第二子部在驱动背板上的正投影与第二电极在驱动背板上的正投影至少部分交叠。

在本发明提供的超声换能器中，第一子部在驱动背板上的正投影与第一电极在驱动背板上的正投影完全重合；第二子部在驱动背板上的正投影与第二电极在驱动背板上的正投影完全重合。

在本发明提供的超声换能器中，第三电极包括第一子极和第二子极；第二子极环绕第一子极，且与第一子极间隔设置；

第一子电极在驱动背板上的正投影与第一电极在驱动背板上的正投影完全重合；第二子极在驱动背板上的正投影与第二电极在驱动背板上的正投影完全重合。

在本发明提供的超声换能器中，换能单元还包括空腔；空腔同时位于第一电极、第二电极、第三电极和压电层与驱动背板之间；

压电层的第一子部在驱动背板上的正投影至少部分与空腔在驱动背板上的正投影交叠；压电层的第二子部在驱动背板上的正投影至少部份与空腔在驱动背板上的正投影交叠。

在本发明提供的超声换能器中，空腔包括第一子腔和第二子腔；第二子腔环绕第一子腔，且与第一子腔间隔设置；

压电层的第一子部在驱动背板上的正投影与空腔的第一子腔在驱动背板上的正投影完全重合；压电层的第二子部在驱动背板上的正投影与空腔的第二子腔在驱动背板上的正投影完全重合。

在本发明提供的超声换能器中，换能单元还包括支撑层；支撑层同时位于第一电极、第二电极、第三电极和压电层与空腔之间；

超声换能器还包括：

空腔定义层，位于支撑层与驱动背板之间；空腔开设在空腔定义层中；空腔定义层还开设刻蚀流道和刻蚀孔；至少部分空腔与刻蚀孔连通；至少部分空腔通过刻蚀流道相互连通。

在本发明提供的超声换能器中，第一电极和第二电极位于压电层与驱动背板之间。

在本发明提供的超声换能器中，换能单元还包括绝缘层；绝缘层位于第一电极所在的膜层与第二电极所在的膜层之间；

其中，第一电极位于绝缘层背离压电层的一侧；或者第二电极位于绝缘层背离压电层的一侧。

在本发明提供的超声换能器中，还包括：多个阵元；阵元包括至少一个换能单元；同一阵元内的换能单元的第二电极并联至同一个信号接收电路，不同阵元连接至不同的信号接收电路。

在本发明提供的超声换能器中，阵元包括多个换能单元；同一阵元内，至少部分换能单元的第一电极的尺寸不同。

在本发明提供的超声换能器中，对任一换能单元，第二电极在驱动背板上的正投影的外轮廓形状与第一电极在驱动背板上的正投影的外轮廓形状相似。

本发明的第二方面，提供一种超声成像装置，包括上述任一项的超声换能器。

本发明有益效果如下：

本发明提供了一种超声换能器及超声成像装置，包括驱动背板和多个换能单元。换能单元与驱动背板电连接。换能单元包括压电层，位于压电层的至少一侧的第一电极和第二电极；其中，第二电极在驱动背板上的正投影至少部分环绕于第一电极在驱动背板上的正投影的外围；驱动背板被配置为在超声波发射阶段通过第一电极输出第一电信号，以及在超声波接收阶段通过第二电极接收第二电信号。有利于扩大单个换能单元的超声波信号的接收范围，降低相邻的换能单元之间发生信号串扰的风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所介绍的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为相关技术中的超声换能器结构示意图；

图2a为本发明实施例提供的超声换能器的截面结构示意图之一；

图2b为本发明实施例提供的超声换能器的截面结构示意图之二；

图2c为本发明实施例提供的超声换能器的截面结构示意图之三；

图3a为本发明实施例提供的超声换能器的俯视结构示意图之一；

图3b为本发明实施例提供的超声换能器的俯视结构示意图之二；

图3c为本发明实施例提供的超声换能器的俯视结构示意图之三；

图4为本发明实施例提供的超声换能器的截面结构示意图之四；

图5a为本发明实施例提供的超声换能器的俯视结构示意图之四；

图5b为本发明实施例提供的超声换能器的俯视结构示意图之五；

图5c为本发明实施例提供的超声换能器的俯视结构示意图之六；

图6为本发明实施例提供的超声换能器的截面结构示意图之五；

图7为本发明实施例提供的超声换能器的截面结构示意图之六；

图8为本发明实施例提供的超声换能器的截面结构示意图之七；

图9a为本发明实施例提供的超声换能器的部分制作过程示意图之一；

图9b为本发明实施例提供的超声换能器的部分制作过程示意图之二；

图9c为本发明实施例提供的超声换能器的部分制作过程示意图之三；

图10a为本发明实施例提供的空腔定义层的俯视结构示意图之一；

图10b为本发明实施例提供的空腔定义层的俯视结构示意图之二；

图11a为本发明实施例提供的超声换能器的截面结构示意图之八；

图11b为本发明实施例提供的超声换能器的界面结构示意图之九；

图12a为本发明实施例提供的阵元结构示意图之一；

图12b为本发明实施例提供的阵元排列结构示意图之一；

图13a为本发明实施例提供的阵元结构示意图之二；

图13b为本发明实施例提供的阵元排列结构示意图之二。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步说明。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。本发明中所描述的表达位置与方向的词，均是以附图为例进行的说明，但根据需要也可以做出改变，所做改变均包含在本发明保护范围内。本发明的附图仅用于示意相对位置关系不代表真实比例。

超声换能器包括超声发射器、超声接收器和超声收发器。其中超声发射器作为超声波的发射装置，应用于超声波的发射场景；超声接收器作为超声波的接收装置，用于超声波的接收场景；超声收发器作为超声的发射装置和接收装置，可以用于超声波的发射和接收。超声收发器广泛应用于主动探测领域，例如应用于超声医学成像、超声指纹识别等。

图1为相关技术中的超声换能器结构示意图。

根据工作原理以及制作方式的不同，超声换能器可以分为压电陶瓷超声换能器(Piezoelectric-ceramic Ultrasonic Transducers，简称PUT)、电容式微机械超声换能器(Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducers，简称CMUT)和压电式微机械超声换能器(Piezoelectric Micro-machined Ultrasonic Transducers，简称PMUT)。其中压电陶瓷超声换能器和压电式微机械超声换能器均利用了压电材料的压电效应实现超声波信号的发射和/或接收。如图1所示，传统的压电陶瓷超声换能器和压电式微机械超声换能器中可以包括多个换能单元P，换能单元P之间可以在空间上相互间隔设置并且在电学上相互绝缘，从而每个换能单元P可以独立地进行超声波信号的发射和/或接收。如图1所示。每个换能单元均包括压电层2和相对设置在压电层2两侧的下电极110和上电极120。如图1所示的超声换能器可以为超声收发器，具有超声波的发射和接收的功能。例如在超声波发射阶段，可以将下电极110作为参考电极输入参考信号(例如接地)，将上电极120作为发射电极输入第一电信号(例如接入高频电源)，从而驱动压电层2高频振动发射超声波。在超声波接收阶段，可以将上电极120作为参考电极输入参考信号(例如接地)，将上电极120作为接收电极连接至信号接收电路，压电层2在超声波的振动作用下产生电荷，从而将接收的超声波信号转化为第二电信号，由第二电极将第二电信号输入信号接收电路中，从而实现超声成像等功能。

在传统的压电陶瓷超声换能器和压电式微机械超声换能器中，由于相邻两个换能单元P之间的距离较近，极易发生信号串扰。举例来说，如图1所示，由第一换能单元P1的边缘区域发射的部分超声波，在经过反射物体和/或被测物体的反射后，会传播至相邻的第二换能单元P2被第二换能单元P2接收，从而导致超声波信号接收位置不准确，造成成像质量较差。

有鉴于此，本发明提供一种超声换能器，用于解决上述问题。

图2a为本发明实施例提供的超声换能器的截面结构示意图之一；图2b为本发明实施例提供的超声换能器的截面结构示意图之二；图2c为本发明实施例提供的超声换能器的截面结构示意图之三；图3a为本发明实施例提供的超声换能器的俯视结构示意图之一；图3b为本发明实施例提供的超声换能器的俯视结构示意图之二；图3c为本发明实施例提供的超声换能器的俯视结构示意图之三。

本发明实施例中，如图2a～图3c所示，超声换能器包括驱动背板3和多个换能单元P。

驱动背板3位于超声换能器的底部，用于支撑和承载设置于其上的换能单元P。驱动背板3的尺寸适应于超声华能器的尺寸，驱动背板3的形状可以为方向、矩形、圆形等形状，在此不做限定。

换能单元P设置在驱动背板3之上，且与驱动背板3电连接。驱动背板3被配置为在超声波发射阶段向换能单元P输出电信号，以驱动换能单元P发射超声波，以及在超声波接收阶段接收由换能单元P将超声波信号转换成的电信号，以用于生成图像。

超声换能单元P包括压电层2和位于压电层2的至少一侧的第一电极11和第二电极12。其中，第二电极12在驱动背板3上的正投影至少部分环绕于第一电极11在驱动背板3上的正投影的外围。驱动背板3具体被配置为在超声波发射阶段通过第一电极11输出第一电信号，以及在超声波接收阶段通过第二电极12接收第二电信号。具体实施时，超声换能单元P的第一电极11连接至高频电源，第一电信号为高频电源输出的高频电信号，用于在超声波发射阶段驱动压电层2振动以发射超声波。超声换能单元P的第二电极12连接至信号接收电路，第二电信号为由换能单元P将超声波信号转换成的电信号，信号接收电路在超声波接收阶段通过第二电极12接收第二电信号以用于图像的生成。

对每个超声换能单元P，用于接收第二电信号的第二电极12至少部分环绕设置在用于输出第一电信号的第一电极11的外围。在超声波发射阶段，由第一电极11产生的发射电场主要集中在第一电极11的正投影覆盖的区域，因而超声波的发射区域主要集中在第一电极11在压电层2上的正投影覆盖的区域。在超声波接收阶段，压电层2在接收到超声波的区域均发生振动而产生电荷形成电场，在第二电极12在压电层2上的正投影覆盖的区域，第二电极12均可以用于接收第二电信号，因而超声波的接收区域主要集中在第二电极12在压电层2上的正投影所覆盖的区域。从而，对每个超声换能单元P，超声波的接收区域至少部分环绕设置在超声波的发射区域的外围，有利于扩大超声波信号的接收范围。如图2a～3b所示，对每个超声换能单元P，超声波的接收区域至少部分环绕在超声波的发射区域的外围设置，相当于增加了相邻设置的第一换能单元P1的超声波的发射区域与第二换能单元P2的超声波的接收区域之间的距离，可以显著地降低相邻的换能单元P之间发生信号串扰的风险。并且相较于相关技术中的超声换能器，对于相同尺寸超声换能单元，本发明提供的换能单元的发射区域的面积更小，相当于缩小了发射单元的尺寸，可以发射更高频率的超声波，从而有利于提高超声波成像器件的分辨率，提高成像质量。

在一些实施例中，图2a和3a所示，第一电极11和第二电极12别设置在压电层2相对的两侧。具体实施时，第一电极11可以设置在压电层2背离驱动背板3的一侧，第二电极12设置在压电层2与驱动背板3之间；或者第一电极11可以设置在压电层2与驱动背板3之间，第二电极12设置在压电层背离驱动背板3的一侧，在此不做限定。图2a以第一电极11设置在压电层2背离驱动背板3的一侧，第二电极12设置在压电层2与驱动背板3之间为例，对本发明提供的超声换能器的工作过程进行说明。如图2a和3c所示，第一电极11和第二电极12可以均为实心的块状结构，第一电极11在压电层2上的正投影的尺寸小于第二电极12在压电层12上的正投影的尺寸，且第二电极12在压电层12上的正投影位于第二电极12在压电层12上的正投影之内，与第二电极12在压电层12上的正投影交叠。超声换能器在工作时，超声波的发射与接收按时序进行，例如先进行超声波的发射，在超声波结束后，进行超声波的接收。例如在超声波发射阶段，向第一电极11输入第一电信号，第二电极12还作为参考电极连接至参考电路(如接地)以提供参考信号，从而在第一电极11与第二电极12之间形成电场以驱动压电层振动发射超声波；在超声波接收阶段，第一电极11还作为参考电极连接至参考电路(如接地)以提供参考信号，压电层2在超声波的振动作用下产生电荷，在第一电极11与第二电极12之间形成交变电场，从而通过第二电极12向信号接收电路输入第二电信号。

在一些实施例中，如图2b和图2c所示，第一电极11和第二电极12位于压电层2的同一侧。换能单元P还包括第三电极13。第三电极13位于压电层2背离第一电极11和第二电极12的一侧。第一电极11在驱动背板3上的正投影至少部分与第三电极13在驱动背板上的正投影交叠，且第二电极12在驱动背板上的正投影至少部分与第三电极在驱动背板3上的正投影交叠。第三电极13连接至参考电路(如接地)，驱动背板3还被配置为在超声波发射阶段和超声波接收阶段，通过第三电极13输出参考信号。通过设置第三电极13作为参考电极，并将第一电极11和第二电极12设置在压电层2的同一侧，从而通过第三电极13独立的输出参考信号，可以避免将第一电极11和第二电极12复用为参考电极，降低电路走线的设计难度，并且有利于降低控制程序的开发难度。

在一些实施例中，如图2b和图3b、图3c所示，第一电极11和第二电极12可以设置在同一膜层中，第二电极在驱动背板上的正投影环绕第一电极在驱动背板上的正投影，且互不交叠。其中，第一电极11和第二电极12设置在同一膜层中，具体指第一电极11和第二电极12的膜层可以在一次成膜工艺中形成，并且可以在同一次或者多次图案化工艺中形成第一电极11和第二电极12的图案。具体实施时，如图2b和图3b、图3c，第一电极11全部环绕设置在第二电极12的外围，且第一电极11与第二电极12相互间隔。其中，第一电极11与第二电极12相互间隔，具体指第一电极11与第二电极12在空间上相距一定距离，且在电学上相互绝缘。

如图2b所示的实施例中，超声换能器P的第一电极11和第二电极12分别用于超声波的发射和接收，且第一电极11和第二电极12在压电层2上的正投影互不交叠，实际应用时，第一电极11和在驱动背板3上的正投影与第一电极11在驱动背板3上的正投影交叠部分的压电层2以及第三电极13构成超声波发射单元，第二电极12和在驱动背板3上的正投影与第二电极12在驱动背板3上的正投影交叠部分的压电层2以及第三电极13构成超声波接收单元，超声波接收单元设置在超声波发射单元的外围，从而可以扩大超声波接收范围，并且增大超声换能器的超声波发射单元与相邻的超声换能器的超声波接收单元之间的距离，降低相邻换能单元之间的串扰，提高信号质量。

在一些实施例中，图2b所示的超声换能器在工作时，超声波的发射与接收可以按时序进行，例如先进行超声波的发射，在超声波结束后，进行超声波的接收。具体来说，在超声波发射阶段，通过第一电极11输出第一电信号，第三电极13输出参考信号，从而在第一电极11与第三电极13之间形成电场以驱动压电层2振动发射超声波；在超声波接收阶段，第三电极13输出参考信号，压电层2在超声波的振动作用下产生电荷，在第二电极12与第三电极13之间形成交变电场，从而通过第二电极12向信号接收电路输入第二电信号。在一些实施例中，图2b所示的超声换能器在工作时，超声波的发射与接收可以同时进行，具体来说，超声换能器可以通过第一电极11输出第一电信号，第三电极13输出参考信号，从而在第一电极11与第三电极13之间形成电场以驱动压电层2与第一电极11交叠的区域振动发射超声波；同时超声换能器可以通过压电层2与第二电极12交叠的区域接收超声波，从而振动产生电荷形成电场，并通过第二电极12向信号接收电路输入第二电信号。超声波的发射与接收同时进行，有利于提高利用超声波进行超声波检测的效率，并且在超声波发射过程中，由待检测物反射回来的超声波可以被实时接收，提高超声波的利用率。

在一些实施例中，如图3b所示，第一电极11和第二电极12位于同一膜层时，第二电极12可以为封闭的环状结构，并且将第一电极11设置在环状结构所环绕的区域中。将第一电极11环绕设置在第二电极12形成的环状结构所环绕的区域中，在进行信号线与第一电极11的连接时，信号线可以在与第二电极12所在的膜层叠层设置的另一个导电膜层中进行走线，以跨过第二电极12，避免信号线与第二电极12短路。在一些实施例中，如图3c所示，第一电极11和第二电极12位于同一膜层时，第二电极12可以为未完全封闭的环状结构，第二电极12开设有开口K，与第一电极11连接的信号线可以通过开口K延伸至第二电极12形成的环状结构的外侧进行走线。具体实施时，还可以通过其他方式进行第一电极11与信号线的连接，在此不做限定。

在一些实施例中，如图2c所示，第一电极11和第二电极12可以设置在不同的膜层中。换能单元P还包括绝缘层14，绝缘层14设置在第一电极11所在的膜层与第二电极12所在的膜层之间，以将第一电极11与第二电极12绝缘。具体实施时，第一电极11可以设置在绝缘层14背离压电层2的一侧；或者第二电极12设置在绝缘层14背离压电层2的一侧，在此不做限定。将第一电极11和第二电极12设置在不同的膜层中，从而与第一电极11连接的信号线可以在第一电极11所在的膜层中进行走线，与第二电极12连接的信号线可以在第二电极所在的膜层中进行走线，与第一电极11连接的信号线和与第二电极12连接的信号线互不干涉，有利于提高信号线走线的自由度，降低走线设计的难度。

在一些实施例中如图2c和图3a所示，第一电极11和第二电极12可以均为实心的块状结构，第一电极11在压电层2上的正投影的尺寸小于第二电极12在压电层12上的正投影的尺寸，且第二电极12在压电层12上的正投影位于第二电极12在压电层12上的正投影之内，与第二电极12在压电层12上的正投影交叠。超声换能器在工作时，超声波的发射与接收按时序进行，例如先进行超声波的发射，在超声波结束后，进行超声波的接收。具体来说，在超声波发射阶段，通过第一电极11输出第一电信号，第三电极13输出参考信号，从而在第一电极11与第三电极13之间形成电场以驱动压电层2振动发射超声波；在超声波接收阶段，第三电极13输出参考信号，压电层2在超声波的振动作用下产生电荷，在第二电极12与第三电极13之间形成交变电场，从而通过第二电极12向信号接收电路输入第二电信号。

图4为本发明实施例提供的超声换能器的截面结构示意图之四；图5a为本发明实施例提供的超声换能器的俯视结构示意图之四；图5b为本发明实施例提供的超声换能器的俯视结构示意图之五；图5c为本发明实施例提供的超声换能器的俯视结构示意图之六。

在一些实施例中，第二电极在驱动背板上的正投影环绕第一电极在驱动背板上的正投影，且互不交叠。举例来说，如图4和图3b所示，第二电极12可以为封闭的环状结构，并且将第一电极11设置在环状结构所环绕的区域中。例如，如图3b所示，第二电极12形成的环状结构可以为圆环结构。在一些实施例中，如图5a～5c所示，第二电极12形成的环状结构还可以为方形结构、菱形结构、三角形结构或者图中未示出的其他形状的结构，在此不做限定。

在一些实施例中，对任一换能单元，第二电极12在驱动背板3上的正投影的外轮廓形状与第一电极11在驱动背板上的正投影的外轮廓形状相似。举例来说，如图3b所示第二电极12形成的环状结构可以为圆环结构，即第二电极12在驱动背板3上的正投影的外轮廓形状为圆形，则可以设置第一电极11在驱动背板上的正投影的外轮廓形状为圆形，从而有利于提高第二电极12围绕的区域内的面积利用率。同理，如图5a～5c所示，第二电极12形成的环状结构为方形结构、菱形结构或三角形结构时，第一电极11在驱动背板上的正投影的外轮廓形状相应的可以设置为方形结构、菱形结构或三角形结构。第二电极12形成的环状结构为其他形状时与此类似，在此不做赘述。

如图4所示的实施例中，超声换能器P的第一电极11和第二电极12分别用于超声波的发射和接收，且第一电极11和第二电极12在压电层2上的正投影互不交叠，实际应用中，第一电极11和在驱动背板3上的正投影与第一电极11在驱动背板3上的正投影交叠部分的压电层2以及第三电极13构成超声波发射单元，第二电极12和在驱动背板3上的正投影与第二电极12在驱动背板3上的正投影交叠部分的压电层2以及第三电极13构成超声波接收单元，超声波接收单元设置在超声波发射单元的外围，从而可以扩大超声波接收范围，并且增大超声换能器的超声波发射单元与相邻的超声换能器的超声波接收单元之间的距离，降低相邻换能单元之间的串扰，提高信号质量。

在一些实施例中，如图4所示的实施例提供的超声换能器在工作时，超声波的发射与接收可以按时序进行，例如先进行超声波的发射，在超声波结束后，进行超声波的接收。具体来说，在超声波发射阶段，通过第一电极11输出第一电信号，第三电极13输出参考信号，从而在第一电极11与第三电极13之间形成电场以驱动压电层2振动发射超声波；在超声波接收阶段，第三电极13输出参考信号，压电层2在超声波的振动作用下产生电荷，在第二电极12与第三电极13之间形成交变电场，从而通过第二电极12向信号接收电路输入第二电信号。在一些实施例中，图4所示的超声换能器在工作时，超声波的发射与接收可以同时进行，具体来说，超声换能器可以通过第一电极11输出第一电信号，第三电极13输出参考信号，从而在第一电极11与第三电极13之间形成电场以驱动压电层2与第一电极11交叠的区域振动发射超声波；同时超声换能器可以通过压电层2与第二电极12交叠的区域接收超声波，从而振动产生电荷形成电场，并通过第二电极12向信号接收电路输入第二电信号。在次不做限定。

图6为本发明实施例提供的超声换能器的截面结构示意图之五。

在一些实施例中，如图6所示，压电层2包括第一子部21和第二子部22。第二子部22环绕第一子部21，且与第一子部21间隔设置。第二子部22与第一子部21间隔设置，具体指第二子部22与第一子部21在空间上相隔一定距离而不连接在一起。其中，第一子部在21驱动背板3上的正投影与第一电极11在驱动背板3上的正投影至少部分交叠；第二子部22在驱动背板3上的正投影与第二电极12在驱动背板3上的正投影至少部分交叠。实际应用中，第一电极11、压电层2的第一子部21和在驱动背板3上的正投影与第一电极11在驱动背板3上的正投影交叠部分的第三电极13构成超声波发射单元，第二电极12、压电层2的第二子部22和在驱动背板3上的正投影与第二电极12在驱动背板3上的正投影交叠部分的第三电极13构成超声波接收单元。由于同一个超声换能器中，压电层2的第一子部21与第二子部22之间相互间隔，互不连接，因而在同时进行超声波的发射和接收时，压电层2的第一子部21的振动与第二子部22的振动相互独立，互补干扰，从而可以降低超声波发射单元与超声波接收单元之间的干扰，提高超声波发射和接收的精度。

在一些实施例中，如图6所示，可以设置第一子部21在驱动背板3上的正投影与第一电极11在驱动背板3上的正投影完全重合。还可以设置第二子部22在驱动背板3上的正投影与第二电极12在驱动背板3上的正投影完全重合，从而提高第一电极11、第二电极12、第一子部21和第二子部22的面积利用率，并且进一步提高超声波发射和接收的精度。

在一些实施例中，如图7所示，第三电极13包括第一子极131和第二子极132。第二子极132环绕第一子极131，且与第一子极131间隔设置。第二子极132与第一子极131间隔设置，具体指第二子极132与第一子极131空间上相隔一定距离而不连接在一起，并且在电学上相互绝缘。其中，第一子电极131在驱动背板3上的正投影与第一电极11在驱动背板3上的正投影完全重合；第二子极132在驱动背板3上的正投影与第二电极12在驱动背板3上的正投影完全重合。实际应用中，第一电极11、第三电极的第一子极131和在驱动背板3上的正投影与第一电极11在驱动背板3上的正投影交叠部分的压电层2构成超声波发射单元，第二电极12、第三电极的第二子极132和在驱动背板3上的正投影与第二电极12在驱动背板3上的正投影交叠部分的压电层2构成超声波接收单元。由于同一个超声换能器中，第三电极的第一子极131和第二子极132之间相互间隔，互不连接，因而在同时进行超声波的发射和接收时，第三电极的第一子极131和第二子极132的振动相互独立，互补干扰，从而可以降低超声波发射单元与超声波接收单元之间的干扰，提高超声波发射和接收的精度。在一些实施例中，第三电极的第一子极131和第二子极132还可以连接至不同的参考信号线，从而根据超声波发射和接收的实际情况针对性输出不同的参考信号，以进一步提高超声波发射和接收的精度，在此不做限定。

在一些实施例中，如图6所示，第一电极11在驱动背板3上的正投影、压电层2的第一子部21以及第三电极13的第一子极131在驱动背板3上的正投影完全重合。还可以设置第二电极12在驱动背板3上的正投影、压电层2的第二子部22以及第三电极13的第二子极132在驱动背板3上的正投影完全重合。从而提高第一电极11、第二电极12、第一子部21和第二子部22的面积利用率，并且进一步提高超声波发射和接收的精度。实际应用中，第一电极11、压电层2的第一子部21以及第三电极13的第一子极131构成超声波的发射单元，第二电极12、压电层2的第二子部22以及第三电极13的第二子极132构成超声波的接收单元。

图7为本发明实施例提供的超声换能器的截面结构示意图之六。

在一些实施例中，如图7所示，换能单元P还包括空腔C。空腔C同时位于第一电极11、第二电极12、第三电极13和压电层2与驱动背板3之间。压电层2在驱动背板3上的正投影至少部分与空腔C在驱动背板上的正投影交叠。设置空腔C有利于提高压电层2的振动幅度，有利于提高发射的超声波信号的强度以及接收的超声波信号的大小，最终提高成像的质量。

在一些实施例中，如图7所示，压电层2的第一子部21在驱动背板3上的正投影至少部分与空腔C在驱动背板3上的正投影交叠。压电层2的第二子部2在驱动背板3上的正投影至少部份与空腔C在驱动背板上的正投影交叠。从而在同时进行超声波信号的发射和接收过程中，发射的超声波信号和接收的超声波信号的大小均得到提升。

图8为本发明实施例提供的超声换能器的截面结构示意图之七。

在一些实施例中，如图8所示，空腔C包括第一子腔C1和第二子腔C2。第二子腔C2环绕第一子腔C1，且与第一子腔C1间隔设置。第二子腔C2与第一子腔C1间隔设置，具体指第二子腔C2与第二子腔C1在空间上相互隔离，互不连通。其中压电层2的第一子部21在驱动背板3上的正投影与空腔C的第一子腔层在驱动背板3上的正投影完全重合。压电层2的第二子部C2在驱动背板3上的正投影与空腔C的第二子腔C2在驱动背板3上的正投影完全重合。空腔C划分为第一子腔C1和第二子腔C2，并且分别与压电层2的第一子部21和第二子部22对应设置，有利于提高空腔的面积利用率。并且空腔C的第一子腔C1和第二子腔C2相互间隔，举例来说，如图8所示，第一子腔C1和第二子腔C2可以通过空腔定义层15形成在第一子腔C1和第二子腔C2之间的挡墙相互间隔，挡墙可以对形成在空腔C背离驱动背板3一侧的膜层结构提供支撑，以提高超声换能器的结构稳定性。

在一些实施例中，如图8所示，换能单元还包括支撑层16。支撑层16同时位于第一电极11、第二电极12、第三电极13和压电层2与空腔C之间，用于支撑和承载第一电极11、第二电极12、第三电极13和压电层2等膜层，避免膜层在空腔对应的位置发生塌陷。

图9a为本发明实施例提供的超声换能器的部分制作过程示意图之一；图9b为本发明实施例提供的超声换能器的部分制作过程示意图之二；图9c为本发明实施例提供的超声换能器的部分制作过程示意图之三；图10a为本发明实施例提供的空腔定义层的俯视结构示意图之一；图10b为本发明实施例提供的空腔定义层的俯视结构示意图之二。

如图8所示，本发明提供的超声换能器还包括空腔定义层15。空腔定义层15用于形成空腔C。具体实施时，空腔C可以采用牺牲层刻蚀法进行制作。图9a～图9c示出一种采用牺牲层刻蚀法制作空腔C的方法，其具体制作可以包括如下过程：

1、如图9a所示，通过溅射沉积等方式在驱动背板3的一侧沉积金属层M；

2、对金属层M采用图案化工艺形成多个牺牲层M1的图案，一个牺牲层M1的图案与一个空腔C对应；具体实施时，在图案化工艺时还可以保在金属层M中形成用于驱动背板3与第一电极11等结构电连接的连接部M2；

3、通过涂覆等工艺在牺牲层M1背离驱动背板3的一侧覆盖树脂等有机材料，使有机材料至少填充在图案化工艺中刻蚀掉的金属深层M后形成的凹槽中，形成空腔定义层15；如图9a所示空腔定义层15的高度可以大于牺牲层M1的高度，以将牺牲层M1完全覆盖，在此不做限定；

4、在空腔定义层15背离驱动背板3的一侧的沉积第一支撑层161。第一支撑层161的材料可以采用氧化硅、氮化硅等无机绝缘材料，氧化硅、氮化硅等无机绝缘材料具有较高的强度，可以承受较大的压力以避免空腔塌陷；在一些实施例中，第一支撑层161可以整面盖空腔定义层16；在一些实施例中，如图9a所示，第一支撑层161可以包括与每个牺牲层M1一一对应的多个部分，每个牺牲层M1在驱动背板3上的正投影均位于第一支撑层161与之对应的部分在驱动背板3上的正投影之内，以在空腔形成之后起到支撑作用；

5、如图9b所示，在第一支撑层162背离驱动背板3的一侧形成第二支撑层162。第二支撑层162可以采用树脂等有机材料。第二支撑层162具有平坦化的作用，以有利于后续制作第一电极11等膜层；

6、对第二支撑层162至空腔定义层15的所有膜层进行开孔，以开设暴露出牺牲层M1的刻蚀孔K1，以及暴露连接部M2的过孔K2；

7、在第二支撑层162背离驱动背板3的一形成第一电极11，第一电极11通过过孔K2与连接部M2电连接；

8、如图9c所示，使刻蚀液流入刻蚀孔K1，对刻蚀孔K1暴露出的牺牲层进行刻蚀，直到完全刻蚀掉牺牲层M1，在牺牲层M1对应的空间形成空腔C。

图9a～图9c所示的实施例中，支撑层16包括第一支撑层161和162。在一些实施例中，支撑层16可以包括更少或更多数量的膜层，只要可以起到支撑和承载的作用即可，在此不做限定。在图9a～图9c所示的实施例中，在制作第二支撑层162之后进行刻蚀孔K1的开孔和牺牲层M1的刻蚀。在一些实施例中，也可以在其他步骤中进行刻蚀孔的开孔和牺牲层M1的刻蚀，在此不做限定。

图9a～图9c所示的实施例仅对空腔C的形成过程进行示例性说明，实际实施过程中也可以采用其他方式制作空腔，在此不做限定。

如图10a和10b所示，从空腔的俯视图来看，至少部分空腔C与刻蚀孔K1连通，以便于刻蚀液通过流入刻蚀孔对牺牲层金属进行刻蚀。具体实施时，如图10a和10b所示，空腔定义层15还包括刻蚀流道H。至少部分空腔C通过刻蚀流道H相互连通。在对金属层M进行图案化时，还可以保留用于连接相邻两个牺牲层M1的连接部分，以提高后续刻蚀过程的刻蚀效率。刻蚀流道H通过刻蚀连接相邻两个牺牲层M1的连接部分后形成。

在一些实施例中，如图4～图10b所示，第一电极11和第二电极12位于压电层2与驱动背板3之间。第三电极13设置在压电层2背离驱动背板3的一侧。第一电极11和第二电极12与驱动背板3之间的连接，需要通过开设贯穿位于第一电极11和第二电极12与驱动背板3之间的膜层的过孔，过孔贯穿的膜层越少，那么制作工艺相对更为简单。将第一电极11和第二电极12设置在压电层2与驱动背板3之间，第一电极11和第二电极12位于压电层2相对于第三电极13更靠近驱动背板3设置，在分别进行第一电极11和第二电极12驱动背板连接时，可以减少开孔贯穿的膜层的数量，降低开孔的难度。在一些实施例中，第一电极11和第二电极12也可以设置在压电层2背离驱动背板3的一侧，第三电极13设置在压电层2与驱动背板3之间，在此不做限定。

图11a为本发明实施例提供的超声换能器的截面结构示意图之八；图11b为本发明实施例提供的超声换能器的界面结构示意图之九；图12a为本发明实施例提供的阵元结构示意图之一；图12b为本发明实施例提供的阵元排列结构示意图之一；图13a为本发明实施例提供的阵元结构示意图之二；图13b为本发明实施例提供的阵元排列结构示意图之二。

在一些实施例中，如图11a和图11b所示，换能单元还包括钝化层17。钝化层17位于第一电极11和第二电极12与压电层2之间，用于保护第一电极11和第二电极12。

在一些实施例中，如图11a所示，第二电极12位于第一电极11背离压电层2的一侧，钝化层17位于第一电极11与压电层2之间，且位于第一电极11背离第二电极12的一侧。

在一些实施例中，如图11b所示，第一电极11位于第二电极12背离压电层2的一侧，钝化层17位于第二电极12与压电层2之间，且位于第二电极12背离第一电极11的一侧。

在一些实施例中，超声换能器包括多个阵元。一个阵元包括至少一个换能单元。同一阵元内的换能单元的第二电极并联至同一个信号接收电路，不同阵元连接至不同的信号接收电路。举例来说，如图11a和图11b所示，图中省略了完整的信号接收电路结构，仅以信号接收电路中的一个晶体管T进行示意，具体实施时，一个信号接收电路可以包括多个晶体管以提高信号的质量，在此不做限定。如图11a和图11b所示，一个阵元P10包括三个换能单元P，三个换能单元P的第二电极12并联至同一个晶体管T。在接收超声波以进行超声波成像时，一个阵元P10与显示图像的一个像素单元对应，一个阵元P10中的三个换能单元P并联至同一个信号接收电路，以为同一个像素单元提供第二电信号进行成像。通过增加一个阵元P10包括的换能单元P的数量，有利于提高第二电信号的信号量，从而提高成像质量。

具体实施时，同一个阵元P10中可以包括的换能单元P的数量可以根据被探测物体的分辨率要求以及换能单元的尺寸进行设置，例如在应用于指纹识别时，单个阵元的平面尺寸小于100μm可以实现指纹谷脊信号的区分，那么一个阵元可以包括3～4个直径在20μm左右的圆形换能单元。

举例来说，如图12a和12b所示，一个阵元P10中包括三个换能单元，三个换能单元的第二电极12并联至同一个信号接收电路。具体实施时，如图12a所示，一个阵元P10中的三个换能单元可以排列为三角形，如图12b所示，位于同一行的多个阵元可以相互倒置进行排列，以使结构紧凑，在此不做限定。

如图13a和13b所示，一个阵元P10中包括四个换能单元，四个换能单元的第二电极12并联至同一个信号接收电路。具体实施时，如图13a所示，一个阵元P10中的四个换能单元可以排列为两行两列形成方形，如图13b所示，位于同一行的多个阵元相互并排排列，以使结构紧凑。

在一些实施例中，如图12a和图13a所示，同一阵元P10中，各换能单元的第一电极11相互并联，并连接至高频电源以输入第一电信号。在一些实施例中，也可以将超声换能器的每个阵元中换能单元的第一电极均进行并联，在此不做限定。

在一些实施例中，如图12a和12b以及图13a和13b所示，同一阵元P10内，至少部分换能单元的第一电极11的尺寸不同。第一电极11的尺寸具体指第一电极11在驱动背板3上的正投影的尺寸，举例来说，第一电极11在驱动背板3上的正投影为圆形时，第一电极11的尺寸可以指第一电极11在驱动背板3上的正投影的直径或者面积；第一电极11在驱动背板3上的正投影为方形时，第一电极11的尺寸可以指第一电极11在驱动背板3上的正投影的边长或者面积。第一电极11在驱动背板3上的正投影还可以为其他形状，在此不做限定。换能单元的超声波发射频率与第一电极11的尺寸相关，通常情况下，第一电极11的尺寸较小，意味着发射单元的尺寸较小，可以发射更高频率的超声波。通过设置同一阵元中至少部分换能单元的第一电极11的尺寸不同，有利于提高扩大超声换能器的工作频率，提高带宽，从而能够发射和接收更多的频率分量，具有更好的频谱响应和信号分辨率。

图11a～图13b所示的实施例中，以第一电极在驱动背板上的正投影形状为圆形进行举例说明。具体实施时，第一电极在驱动背板上的正投影为其他形状时可以参照图11a～图13b所示的实施例进行设置，在此不做赘述。

本发明实施例的第二方面，提供一种超声成像装置。本发明实施例提供的超声成像装置，包括前述任一实施例提供的超声换能器。具体实施时，本发明实施例提供的超声成像装置具有与前述任一实施例提供的超声换能器相近的技术效果，在此不做赘述。

具体来说，本发明实施例提供的超声成像装置可以为超声医学成像设备、具有指纹识别功能的显示设备、工业探伤设备等，在此不做限定。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (15)

1.一种超声换能器，其特征在于，包括：

驱动背板；

多个换能单元，与所述驱动背板电连接；所述换能单元包括压电层，位于所述压电层的至少一侧的第一电极和第二电极；

其中，所述第二电极在所述驱动背板上的正投影至少部分环绕于所述第一电极在所述驱动背板上的正投影的外围；所述驱动背板被配置为在超声波发射阶段通过所述第一电极输出第一电信号，以及在超声波接收阶段通过所述第二电极接收第二电信号。

2.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极位于所述压电层的同一侧；

所述换能单元还包括第三电极；所述第三电极位于所述压电层背离所述第一电极和所述第二电极的一侧；所述第一电极在所述驱动背板上的正投影至少部分与所述第三电极在所述驱动背板上的正投影交叠，且所述第二电极在所述驱动背板上的正投影至少部分与所述第三电极在所述驱动背板上的正投影交叠；

所述驱动背板还被配置为在所述超声波发射阶段和所述超声波接收阶段，通过所述第三电极输出参考信号。

3.如权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，所述第二电极在所述驱动背板上的正投影环绕所述第一电极在所述驱动背板上的正投影，且互不交叠。

4.如权利要求3所述的超声换能器，其特征在于，所述压电层包括第一子部和第二子部；所述第二子部环绕所述第一子部，且与所述第一子部间隔设置；

所述第一子部在所述驱动背板上的正投影与所述第一电极在所述驱动背板上的正投影至少部分交叠；所述第二子部在所述驱动背板上的正投影与所述第二电极在所述驱动背板上的正投影至少部分交叠。

5.如权利要求4所述的超声换能器，其特征在于，所述第一子部在所述驱动背板上的正投影与所述第一电极在所述驱动背板上的正投影完全重合；所述第二子部在所述驱动背板上的正投影与所述第二电极在所述驱动背板上的正投影完全重合。

6.如权利要求5所述的超声换能器，其特征在于，所述第三电极包括第一子极和第二子极；所述第二子极环绕所述第一子极，且与所述第一子极间隔设置；

所述第一子电极在所述驱动背板上的正投影与所述第一电极在所述驱动背板上的正投影完全重合；所述第二子极在所述驱动背板上的正投影与所述第二电极在所述驱动背板上的正投影完全重合。

7.如权利要求4所述的超声换能器，其特征在于，所述换能单元还包括空腔；所述空腔同时位于所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述压电层与所述驱动背板之间；

所述压电层的所述第一子部在所述驱动背板上的正投影至少部分与所述空腔在所述驱动背板上的正投影交叠；所述压电层的所述第二子部在所述驱动背板上的正投影至少部份与所述空腔在所述驱动背板上的正投影交叠。

8.如权利要求7所述的超声换能器，其特征在于，所述空腔包括第一子腔和第二子腔；所述第二子腔环绕所述第一子腔，且与所述第一子腔间隔设置；

所述压电层的所述第一子部在所述驱动背板上的正投影与所述空腔的所述第一子腔在所述驱动背板上的正投影完全重合；所述压电层的所述第二子部在所述驱动背板上的正投影与所述空腔的所述第二子腔在所述驱动背板上的正投影完全重合。

9.如权利要求7所述的超声换能器，其特征在于，所述换能单元还包括支撑层；所述支撑层同时位于所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述压电层与所述空腔之间；

所述超声换能器还包括：

空腔定义层，位于所述支撑层与所述驱动背板之间；所述空腔开设在所述空腔定义层中；所述空腔定义层还开设刻蚀流道和刻蚀孔；至少部分所述空腔与所述刻蚀孔连通；至少部分所述空腔通过所述刻蚀流道相互连通。

10.如权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极位于所述压电层与所述驱动背板之间。

11.如权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，所述换能单元还包括绝缘层；所述绝缘层位于所述第一电极所在的膜层与所述第二电极所在的膜层之间；

其中，所述第一电极位于所述绝缘层背离所述压电层的一侧；或者所述第二电极位于所述绝缘层背离所述压电层的一侧。

12.如权利要求1～11任一项所述的超声换能器，其特征在于，还包括：多个阵元；所述阵元包括至少一个所述换能单元；同一所述阵元内的所述换能单元的所述第二电极并联至同一个信号接收电路，不同所述阵元连接至不同的所述信号接收电路。

13.如权利要求12所述的超声换能器，其特征在于，所述阵元包括多个所述换能单元；同一所述阵元内，至少部分所述换能单元的所述第一电极的尺寸不同。

14.如权利要求1～11任一项所述的超声换能器，其特征在于，对任一所述换能单元，所述第二电极在所述驱动背板上的正投影的外轮廓形状与所述第一电极在所述驱动背板上的正投影的外轮廓形状相似。

15.一种超声成像装置，其特征在于，包括如权利要求1～14任一项所述的超声换能器。