CN117654862A - 一种超声换能组件和超声换能阵列 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种超声换能组件和超声换能阵列，可以提高超声换能组件的工作带宽。超声换能组件包括：衬底、至少一个第一PMUT单元和至少一个第二PMUT单元，第一PMUT单元和第二PMUT单元位于衬底上。第一PMUT单元的横截面形状具有长轴和短轴，第二PMUT单元的横截面形状具有长轴和短轴，横截面与衬底平行。第一PMUT单元的尺寸与第二PMUT单元的尺寸不同。第一PMUT单元的灵敏度曲线上波峰位置对应的频率与第二PMUT单元的灵敏度曲线上波谷位置对应的频率之间的差值小于预设值，和/或，第一PMUT单元的灵敏度曲线上波谷位置对应的频率与第二PMUT单元的灵敏度曲线上波峰位置对应的频率之间的差值小于预设值。

Description

一种超声换能组件和超声换能阵列

技术领域

本申请涉及超声波应用领域，尤其涉及一种超声换能组件和超声换能阵列。

背景技术

超声波换能器既可以做驱动器(发射声波)也可以做传感器(接收声波)。当施加电压在超声波换能器上，超声波换能器能够响应时变驱动电压而产生机械振动，向周围介质(如空气、水、玻璃或身体组织中)发射高频压力波，完成声波发射。当外界压力波从周围介质中施加到超声波换能器上，换能器可以将接收的压力波转化为电信号，实现外界压力波检测。在超声成像应用中，超声波换能器带宽和灵敏度决定了成像系统的成像分辨率和检测深度。带宽越大，成像分辨率越高。

压电式微机械超声换能器(piezoelectric micromachined ultrasonictransducer，PMUT)是是基于压电薄膜材料的正逆压电效应实现超声波发射和接收的，无需高直流偏置和极小间隙，电路与加工简单，且具备工作线性度高等优势。因此，PMUT在超声成像应用中获得越来越多的研究。但现有技术的PMUT工作带宽有限，难以在高频(如大于7.5MHz)获得大带宽，限制了其在超声成像上的应用。

发明内容

本申请实施例提供了一种超声换能组件和超声换能阵列，可以提高超声换能组件的工作带宽。

第一方面，本申请实施例提供了一种超声换能组件。该超声换能组件包括：衬底、至少一个第一PMUT单元和至少一个第二PMUT单元，第一PMUT单元和第二PMUT单元位于衬底上。第一PMUT单元的横截面形状具有长轴和短轴，第二PMUT单元的横截面形状具有长轴和短轴，横截面与衬底平行。第一PMUT单元的尺寸与第二PMUT单元的尺寸不同。第一PMUT单元的灵敏度曲线上波峰位置对应的频率与第二PMUT单元的灵敏度曲线上波谷位置对应的频率之间的差值小于预设值，和/或，第一PMUT单元的灵敏度曲线上波谷位置对应的频率与第二PMUT单元的灵敏度曲线上波峰位置对应的频率之间的差值小于预设值。

在该实施方式中，第一PMUT单元和第二PMUT单元的灵敏度曲线可以相互补偿，补偿后的灵敏度曲线上各阶模态之间灵敏度的波峰和波谷之间差值更小，便于在一定的带宽范围内实现模态耦合，从而可以提高超声换能组件的工作带宽。

在一些可能的实施方式中，第一PMUT单元和第二PMUT单元的尺寸不同体现在第一PMUT单元和第二PMUT单元的横截面积不同，保证了本方案的实用效果。

在一些可能的实施方式中，第一PMUT单元和第二PMUT单元的尺寸不同体现在第一PMUT单元和第二PMUT单元的厚度不同，提升了本方案的灵活性。

在一些可能的实施方式中，第一PMUT单元的尺寸大于第二PMUT单元的尺寸，第一PMUT单元的数量比第二PMUT单元的数量少。应理解，单个第一PMUT单元的工作振动面积大于单个第二PMUT单元的工作振动面积，单个第二PMUT单元的灵敏度低于单个第一PMUT单元的灵敏度。因此，第二PMUT单元的数量要多于第一PMUT单元的数量才能达到更好的补偿效果。

在一些可能的实施方式中，第一PMUT单元的横截面形状的长轴大于第二PMUT单元的横截面形状的长轴，第一PMUT单元的横截面形状的短轴大于第二PMUT单元的横截面形状的短轴。该实施方式提供了一种第一PMUT单元和第二PMUT单元的横截面积不同的具体实现方式，提升了本方案的实用性。

在一些可能的实施方式中，第一PMUT单元位于两个第二PMUT单元之间，这样可以减小由于两个第一PMUT单元相邻而引起的声耦合串扰。

在一些可能的实施方式中，第一PMUT单元的横截面形状的长轴与短轴的比值记为k，第二PMUT单元的横截面形状的长轴与短轴的比值也记为k。当k足够大时，单个第一PMUT单元或单个第二PMUT单元可实现多阶模态的融合，从而获得大带宽的效果。当k过小时，单个第一PMUT单元或单个第二PMUT单元的各阶模态频率相差较大，导致灵敏度曲线上波峰与波谷之间差值较大，难以在一定方位内实现模态耦合。而当k过大时，虽然可以实现多阶模态耦合，但由于高阶模态的谐振频率下降的太多，反而导致整体带宽减小。综上，k的取值范围优选是4-7。

在一些可能的实施方式中，第一PMUT单元和第二PMUT单元在相同方向上排列，第一PMUT单元的横截面形状的长轴与第二PMUT单元的横截面形状的长轴平行或重合。该实施方式提供了一种第一PMUT单元和第二PMUT单元的具体排列方式，排列更为规整，实用效果更佳。

在一些可能的实施方式中，第一PMUT单元的横截面形状和第二PMUT单元的横截面形状均为椭圆形。或者，第一PMUT单元的横截面形状和第二PMUT单元的横截面形状均为多边形，多边形上边的数量大于4。应理解，第一PMUT单元和第二PMUT单元的横截面形状越接近椭圆形，实现效果越好。

在一些可能的实施方式中，衬底包括多个空腔，第一PMUT单元和第二PMUT单元分别悬挂在各自对应的空腔上，以保证第一PMUT单元和第二PMUT单元都有足够的振动空间。

第二方面，本申请实施例提供了一种超声换能阵列。该超声换能阵列包括多个如第一方面任一实施方式介绍的超声换能组件。多个超声换能组件分布在至少一列，每一列包括至少一个超声换能组件，每个超声换能组件中的第一PMUT单元和第二PMUT单元在列方向上依次排列。

在一些可能的实施方式中，每个超声换能组件中第一PMUT单元的数量相同，每个超声换能组件中第二PMUT单元的数量相同，每个超声换能组件中第一PMUT单元和第二PMUT单元按相同的顺序排列。

在一些可能的实施方式中，超声换能阵列中每相邻两列的超声换能组件呈交错排列。应理解，相较于并排排列，超声换能组件交错排布可以增大PMUT单元之间的间距，从而减小了相邻两列相同尺寸的PMUT单元间的声耦合串扰，可以获得高灵敏度的同时获得大带宽。

在一些可能的实施方式中，第一超声换能组件和第二超声换能组件分布位于相邻的两列，第一超声换能组件和第二超声换能组件在各自所在列的排列顺序相同，第一超声换能组件和第二超声换能组件中排列顺序相同的两个第一PMUT单元在列方向上具有位置偏移，第一超声换能组件和第二超声换能组件中排列顺序相同的两个第二PMUT单元在列方向上具有位置偏移。

在一些可能的实施方式中，每个超声换能组件中第一PMUT单元的横截面形状的长轴大于第二PMUT单元的横截面形状的长轴，第一超声换能组件和第二超声换能组件中排列顺序相同的两个第一PMUT单元在列方向上的位置偏移量小于第一PMUT单元的横截面形状的长轴长度，第一超声换能组件和第二超声换能组件中排列顺序相同的两个第二PMUT单元在列方向上的位置偏移量小于第一PMUT单元的横截面形状的长轴长度。

在一些可能的实施方式中，每个超声换能组件中第一PMUT单元的横截面形状的短轴大于第二PMUT单元的横截面形状的短轴，超声换能阵列中每相邻两列的超声换能组件在垂直于列的方向上的间距小于或等于第一PMUT单元的横截面形状的短轴长度。

本申请实施例中，超声换能组件的衬底上设置有尺寸不同的第一PMUT单元和第二PMUT单元。其中，第一PMUT单元的灵敏度曲线上波峰位置对应的频率与第二PMUT单元的灵敏度曲线上波谷位置对应的频率之间的差值小于预设值，和/或，第一PMUT单元的灵敏度曲线上波谷位置对应的频率与第二PMUT单元的灵敏度曲线上波峰位置对应的频率之间的差值小于预设值。也就是说，第一PMUT单元和第二PMUT单元的灵敏度曲线可以相互补偿，补偿后的灵敏度曲线上各阶模态之间灵敏度的波峰和波谷之间差值更小，便于在一定的带宽范围内实现模态耦合，从而可以提高超声换能组件的工作带宽。

附图说明

图1为超声探头成像系统的一种结构示意图；

图2为本申请实施例中一种超声换能组件的立体结构示意图；

图3(a)为本申请实施例中超声换能组件的一种平面结构俯视图；

图3(b)为本申请实施例中超声换能组件的另一种平面结构俯视图；

图4(a)为第一PMUT单元和第二PMUT单元各自的灵敏度曲线示意图；

图4(b)为第一PMUT单元和第二PMUT单元的灵敏度曲线相互补偿后的灵敏度曲线示意图；

图5为单一尺寸的PMUT单元与多个尺寸的PMUT单元的灵敏度曲线对比示意图；

图6为本申请实施例中超声换能组件的另一种平面结构俯视图；

图7为PMUT单元在不同k值场景下的灵敏度曲线示意图；

图8(a)为本申请实施例中一种超声换能组件的立体结构爆炸图；

图8(b)为本申请实施例中超声换能组件的一种平面结构侧视图；

图9为本申请实施例中超声换能阵列的一种平面结构俯视图；

图10为本申请实施例中超声换能阵列的几种立体结构示意图；

图11为几种不同分布方式的超声换能阵列的灵敏度曲线示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种超声换能组件和超声换能阵列，可以提高超声换能组件的工作带宽。需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，这仅仅是描述本申请的实施例中对相同属性的对象在描述时所采用的区分方式。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便包含一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它单元。

需要说明的是，超声波换能器具备高工作频率、强穿透性、不受外界环境光影响等特点，被广泛应用于医学超声成像、医学诊断、工业电子(无损检测、流速/量检测等)、汽车电子(超声波测距、手势交互等)、消费电子(超声波指纹识别、触控反馈与交互等)、智能家居(距离感知、扫地机器人等)等领域。在超声成像应用中，超声波换能器带宽和灵敏度决定了成像系统的成像分辨率和检测深度。带宽越大，成像分辨率越高。带宽(bandwidth,BW)是根据激励电压产生实际声压的函数，大带宽可以获得小的振铃时间，缩小声压脉冲长度，从而获得高轴向分辨率(轴向分辨率：平行于超声声束方向的分辨率)和短盲区(盲区：换能器表面与最近能明显成像的区域)。

本申请提供的超声换能组件包括多个尺寸不同的PMUT单元，超声换能组件可以应用于超声成像(医学、指纹等)、超声流速/量检测、超声测距等需要测量超声波脉冲的传输时间的场景，使用宽频带的超声换能组件可以提高传输时间测量的准确性，提高分辨率。本申请提供的超声换能组件的其中一种产品形态是集成到医学超声探头中，此外，本申请提供的超声换能组件也可以用于指纹识别、流量检测和距离感知等模块，又或者也可以与柔性基板集成，做成可穿戴设备用于人体健康监测。

下面以医学超声成像为例介绍超声换能组件一种可能的应用场景，其中，超声换能组件向人体内部发射超声波，利用超声波在人体器官、组织的传播过程中由于反射、折射、衍射而产生各种信息，返回到超声换能组件将其接收、放大和信息处理形成波型、曲线、图像或频谱，最终通过线缆或无线传输到显示器上显示。

图1为超声探头成像系统的一种结构示意图。如图1所示，超声换能组件表面覆盖声透镜，声透镜可以起到保护和声束聚焦作用，超声换能组件受到外部脉冲激励向人体发射超声波，超声波在人体组织内发生发射返回到超声换能组件，超声换能组件接收后将声波信号转换为电信号输出到后端处理成像。超声换能组件后端与模拟前端电路连接，具体地，模拟前端电路通过切换开关分为发射激励通道和回波接收通道。发射激励通道主要为脉冲发射器，负责产生一定频率和幅值的脉冲激励波形。回波接收通道主要包括时间增益补偿电路、低噪声放大电路、滤波电路以及模数转换电路。模拟前端电路的后端接有现场可编程逻辑门电路(Field Programmable Gate Array，FPGA)，其负责信号控制、处理和算法部分，FPGA通过I/O传输到平台进行IQ数据处理。

下面对本申请实施例提供的超声换能组件进行详细介绍。

图2为本申请实施例中一种超声换能组件的立体结构示意图。如图2所示，超声换能组件包括衬底10、第一PMUT单元20和第二PMUT单元30。第一PMUT单元20和第二PMUT单元30位于衬底10上。应理解，第一PMUT单元20和第二PMUT单元30的尺寸不同，并且，本申请不限定第一PMUT单元20和第二PMUT单元30的具体数量。通常情况下，以图2为例，第一PMUT单元20的尺寸大于第二PMUT单元30的尺寸，则第一PMUT单元20的数量少于第二PMUT单元30的数量。

在一种可能的实施方式中，第一PMUT单元20和第二PMUT单元30的尺寸不同体现在第一PMUT单元20和第二PMUT单元30的横截面积不同，其中，横截面指的是与衬底上表面平行的截面。在另一种可能的实施方式中，第一PMUT单元20和第二PMUT单元30的尺寸不同体现在第一PMUT单元20和第二PMUT单元30的厚度不同。在又一种可能的实施方式中，第一PMUT单元20和第二PMUT单元30的横截面积不同，并且，第一PMUT单元20和第二PMUT单元30的厚度不同。

为了便于介绍，后面的实施例和附图都以第一PMUT单元20和第二PMUT单元30的横截面积不同为例进行说明的展示。

图3(a)为本申请实施例中超声换能组件的一种平面结构俯视图。如图3(a)所示，第一PMUT单元20和第二PMUT单元30的横截面形状都具有长轴和短轴，长轴的长度大于短轴的长度。以图3(a)为例，第一PMUT单元20和第二PMUT单元30的横截面形状都为椭圆形。需要说明的是，第一PMUT单元20和第二PMUT单元30的横截面形状并不限于椭圆形，只要是具有长轴和短轴的形状均在本申请的保护范围内。具体地，长轴是横截面形状的轮廓上距离最远的两点之间的连线，短轴也是横截面形状的轮廓上某两个点之间的连线，且短轴与长轴的垂直平分线重合。

图3(b)为本申请实施例中超声换能组件的另一种平面结构俯视图。如图3(b)所示，第一PMUT单元20和第二PMUT单元30的横截面形状都是多边形，第一PMUT单元20和第二PMUT单元30的横截面形状同样具有长轴和短轴。应理解，如果上述多边形的边数等于4，即该多边形为矩形，由于高频工作情况下单个矩形PMUT单元的波峰波谷灵敏度差大于单个椭圆形PMUT单元的波峰波谷灵敏度差，难以在一定范围内实现模态耦合，不利于实现大带宽。因此，优选地，上述多边形的边数通常大于4，并且边数越多越接近于椭圆，实现效果也越好。

在一种可能的实施方式中，第一PMUT单元20的横截面形状的长轴大于第二PMUT单元30的横截面形状的长轴，第一PMUT单元20的横截面形状的短轴大于第二PMUT单元30的横截面形状的短轴。优选地，第二PMUT单元30的横截面形状的长轴是第一PMUT单元20的横截面形状的长轴的n倍，第二PMUT单元30的横截面形状的短轴是第一PMUT单元20的横截面形状的短轴的n倍，0.6＜n＜1。

在一种可能的实施方式中，第一PMUT单元20和第二PMUT单元30在相同方向上排列，并且，第一PMUT单元20的横截面形状的长轴和第二PMUT单元30的横截面形状的长轴平行或重合。第一PMUT单元20和第二PMUT单元30按照这种方式排列更为规整，实际应用效果更佳。

需要说明的是，超声换能组件中第一PMUT单元20的灵敏度曲线和第二PMUT单元30的灵敏度曲线可以相互补偿，从而可以提高超声换能组件的工作带宽。具体地，第一PMUT单元20的灵敏度曲线上波峰位置对应的频率与第二PMUT单元30的灵敏度曲线上波谷位置对应的频率之间的差值小于预设值，和/或，第一PMUT单元20的灵敏度曲线上波谷位置对应的频率与第二PMUT单元30的灵敏度曲线上波峰位置对应的频率之间的差值小于预设值。下面结合仿真示意图进行进一步介绍。

图4(a)为第一PMUT单元和第二PMUT单元各自的灵敏度曲线示意图。图4(b)为第一PMUT单元和第二PMUT单元的灵敏度曲线相互补偿后的灵敏度曲线示意图。如图4(a)所示，虚线表示第一PMUT单元20的灵敏度曲线，实线表示第二PMUT单元30的灵敏度曲线。存在第一PMUT单元20的灵敏度曲线上波峰位置与第二PMUT单元30的灵敏度曲线上波谷位置重合，同时也存在第一PMUT单元20的灵敏度曲线上波谷位置与第二PMUT单元30的灵敏度曲线上波峰位置重合。第一PMUT单元和第二PMUT单元的灵敏度曲线形成相互补偿，补偿后超声换能组件的整体灵敏度曲线如图4(b)所示，其中，图4(b)中的虚线表示-6dB带宽截止位置，可以看出补偿后的灵敏度曲线在虚线之上的部分更多。因此，由第一PMUT单元20和第二PMUT单元30组合形成的超声换能组件相较于独立的PMUT单元具有更大的工作带宽。

应理解，若第一PMUT单元的尺寸大于第二PMUT单元的尺寸，单个第一PMUT单元的工作振动面积大于单个第二PMUT单元的工作振动面积，单个第二PMUT单元的灵敏度低于单个第一PMUT单元的灵敏度。因此，第二PMUT单元的数量要多于第一PMUT单元的数量才能达到更好的补偿效果。并且，第一PMUT单元通常位于两个第二PMUT单元之间，这样可以减小由于两个第一PMUT单元相邻而引起的声耦合串扰。以上述图2、图3(a)和图3(b)为例，超声换能组件包括1个第一PMUT单元20和2个第二PMUT单元30。

图5为单一尺寸的PMUT单元与多个尺寸的PMUT单元的灵敏度曲线对比示意图。如图5所示，实线表示本申请提供的超声换能组件对应的灵敏度曲线，虚线表示多个单一尺寸的PMUT单元进行组合对应的灵敏度曲线。通过对比可以看出，本申请提供的超声换能组件可以获得明显的拓宽带宽的效果。

作为另一个示例，图6为本申请实施例中超声换能组件的另一种平面结构俯视图。如图6所示，超声换能组件包括2个第一PMUT单元20和3个第二PMUT单元30。在实际应用中，超声换能组件也可以包括3种及以上尺寸不同的PMUT单元，以实现灵敏度曲线的相互补偿，从而获得更大的工作带宽，此处不再提供附图展示。

在一种可能的实施方式中，以第一PMUT单元20和第二PMUT单元30的横截面形状是椭圆为例。第一PMUT单元20的横截面形状的长轴与短轴的比值记为k，第二PMUT单元30的横截面形状的长轴与短轴的比值也记为k。在超声换能组件工作在大阻尼环境中(如水、油等)，当k足够大时，单个第一PMUT单元20或单个第二PMUT单元30可实现多阶模态的融合，从而获得大带宽的效果。当k过小时，单个第一PMUT单元20或单个第二PMUT单元30的各阶模态频率相差较大，导致灵敏度曲线上波峰与波谷之间差值较大，难以在一定方位内实现模态耦合。而当k过大时，虽然可以实现多阶模态耦合，但由于高阶模态的谐振频率下降的太多，反而导致整体带宽减小。综上，k的取值范围优选是4-7。

图7为PMUT单元在不同k值场景下的灵敏度曲线示意图。如图7所示，(a)示例、(b)示例、(c)示例和(d)示例中的虚线表示-6dB带宽截止位置。通过对比图7中的各示例可知，随着k值增大，灵敏度曲线在虚线之上的部分增多，有助于实现多阶模态的融合，从而获得大带宽的效果。但是，若k值大于7，1阶模态的谐振频率基本不变，而高阶模态的谐振频率下降较多，整体带宽反而减小。因此，k取值在4-7的范围时更有利于获得大带宽的效果。

图8(a)为本申请实施例中一种超声换能组件的立体结构爆炸图。图8(b)为本申请实施例中超声换能组件的一种平面结构侧视图。如图8(a)和图8(b)所示，超声换能组件在厚度方向共由三层结构组成，三层结构分别是锚定层、机械支撑层和压电堆叠层，其中，机械支撑层也可以称之为弹性层。具体地，锚定层包括衬底10和绝缘层40，绝缘层40位于衬底上，衬底10上还镂空有多个空腔50。机械支撑层包括锚点60和多个支撑结构70，其中，多个支撑结构70与多个空腔50一一对应，每个支撑结构70位于对应空腔50的上方，锚点60为机械支撑层上除了多个支撑结构70之外的区域。压电堆叠层包括上电极层80、压电层90和下电极层100，压电层90位于上电极层80与下电极层100之间，压电层90可以包括一层或多层压电材料。可选地，上述三层结构自下而上的放置顺序可以是锚定层、机械支撑层和压电堆叠层，也可以是锚定层、压电堆叠层和机械支撑层。可选地，锚定层也可以只包括衬底10。可选地，下电极层100也可以直接作为机械支撑层。

应理解，位于每个空腔50上方的结构可以视为一个独立的PMUT单元，空腔50是用来允许PMUT隔膜受到外部激励时产生的挠曲、弯曲或振动，定义了PMUT隔膜的有效振动区域，振膜结构特征由空腔50决定，空腔50是允许机械支撑层及压电堆叠层的至少一部分是悬浮状态，可以产生机械振动。需要说明的是，给上下电极之间施加电信号，压电层受电信号激励根据逆压电效应产生形变，向外发生声音信号。当外界声压施加到压电层，根据正压电效应压电层上下表面产生电荷，通过上下电极读出电信号。

综合以上对超声换能组件的描述可知，超声换能组件的衬底上设置有尺寸不同的第一PMUT单元和第二PMUT单元。其中，第一PMUT单元的灵敏度曲线上波峰位置对应的频率与第二PMUT单元的灵敏度曲线上波谷位置对应的频率之间的差值小于预设值，和/或，第一PMUT单元的灵敏度曲线上波谷位置对应的频率与第二PMUT单元的灵敏度曲线上波峰位置对应的频率之间的差值小于预设值。也就是说，第一PMUT单元和第二PMUT单元的灵敏度曲线可以相互补偿，补偿后的灵敏度曲线上各阶模态之间灵敏度的波峰和波谷之间差值更小，便于在一定的带宽范围内实现模态耦合，从而可以提高超声换能组件的工作带宽。

在上述超声换能组件的基础上，本申请还提供了一种超声换能阵列。超声换能阵列包括多个如上述各实施例介绍的超声换能组件，下面对超声换能阵列进行详细介绍。

图9为本申请实施例中超声换能阵列的一种平面结构俯视图。如图9所示，在超声换能阵列中，超声换能组件分布在至少一列，每一列包括至少一个超声换能组件。每个超声换能组件中的第一PMUT单元和第二PMUT单元在列方向上依次排列。应理解，超声换能阵列中所有超声换能组件可以共用同一个衬底，也就是说，所有超声换能组件中的第一PMUT单元和第二PMUT单元都位于同一个衬底上。在一种可能的实施方式中，超声换能阵列中所有超声换能组件的结构都是相同的。具体地，每个超声换能组件中第一PMUT单元的数量相同，每个超声换能组件中第二PMUT单元的数量相同，每个超声换能组件中第一PMUT单元和第二PMUT单元按相同的顺序排列。

需要说明的是，图9展示了超声换能组件分布在多列且每相邻两列呈交错排列。在实际应用中，超声换能组件也可以分布在一列，或者，超声换能组件也可以分布在并排排列的多列。

图10为本申请实施例中超声换能阵列的几种立体结构示意图。图10中的a示例展示了超声换能阵列中超声换能组件分布在一列的实施例。图10中的b示例展示了超声换能阵列中超声换能组件并排分布在多列的实施例。图10中的c示例展示了超声换能阵列中超声换能组件交错分布在多列的实施例。需要说明的是，相较于并排排列，超声换能组件交错排布可以增大PMUT单元之间的间距，从而减小了相邻两列相同尺寸的PMUT单元间的声耦合串扰，可以获得高灵敏度的同时获得大带宽。

图11为几种不同分布方式的超声换能阵列的灵敏度曲线示意图。如图11所示，1×6阵列对应上述图10中的a示例，2×6并列排布对应上述图10中的b示例，2×6交错排布对应上述图10中的c示例。通过对比可以看出，交错排布的超声换能阵列相比并列排布的超声换能阵列可以获得更大的带宽。多列分布的超声换能阵列相比单列分布的超声换能阵列，由于增大了工作面积，所以获得高灵敏度。

如图9所示，在超声换能阵列呈交错排布的实施例中，每相邻两列都呈交错排列。例如，第一列和第二列在列方向上具有位置偏移，第二列和第三列在列方向上具有位置偏移，第三列和第四列在列方向上具有位置偏移，并且，第一列和第三列在列方向上没有位置偏移，第二列和第四列在列方向上没有位置偏移，以此类推。应理解，在实际应用中，除了图9所示超声换能组件在竖直方向排列的方式外，超声换能组件也可以在倾斜的方向上排列，此处不再提供具体附图展示。

在一种可能的实施方式中，以图9为例，第一PMUT单元的横截面形状的长轴大于第二PMUT单元的横截面形状的长轴，每相邻两列在列方向上的位置偏移量Y小于第一PMUT单元的横截面形状的长轴长度a。优选地，位置偏移量Y为长轴长度a的0.25-0.75倍。

在一种可能的实施方式中，以图9为例，第一PMUT单元的横截面形状的短轴大于第二PMUT单元的横截面形状的短轴，每相邻两列在垂直于列方向上的间距X小于或等于第一PMUT单元的横截面形状的短轴长度b。优选地，间距X越小，面积利用率越高，灵敏度越高。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (16)

1.一种超声换能组件，其特征在于，包括：衬底、至少一个第一压电式微机械超声换能器PMUT单元和至少一个第二PMUT单元，所述第一PMUT单元和所述第二PMUT单元位于所述衬底上，所述第一PMUT单元的横截面形状具有长轴和短轴，所述第二PMUT单元的横截面形状具有长轴和短轴，所述横截面与所述衬底平行，所述第一PMUT单元的尺寸与所述第二PMUT单元的尺寸不同；

所述第一PMUT单元的灵敏度曲线上波峰位置对应的频率与所述第二PMUT单元的灵敏度曲线上波谷位置对应的频率之间的差值小于预设值，和/或，所述第一PMUT单元的灵敏度曲线上波谷位置对应的频率与所述第二PMUT单元的灵敏度曲线上波峰位置对应的频率之间的差值小于所述预设值。

2.根据权利要求1所述的超声换能组件，其特征在于，所述第一PMUT单元的横截面面积与所述第二PMUT单元的横截面面积不同。

3.根据权利要求1或2所述的超声换能组件，其特征在于，所述第一PMUT单元的厚度与所述第二PMUT单元的厚度不同。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的超声换能组件，其特征在于，所述第一PMUT单元的尺寸大于所述第二PMUT单元的尺寸，所述第一PMUT单元的数量比所述第二PMUT单元的数量少。

5.根据权利要求4所述的超声换能组件，其特征在于，所述第一PMUT单元的横截面形状的长轴大于所述第二PMUT单元的横截面形状的长轴，所述第一PMUT单元的横截面形状的短轴大于所述第二PMUT单元的横截面形状的短轴。

6.根据权利要求4或5所述的超声换能组件，其特征在于，所述第一PMUT单元位于两个所述第二PMUT单元之间。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的超声换能组件，其特征在于，所述第一PMUT单元的横截面形状的长轴与短轴的比值大于或等于4且小于或等于7，所述第二PMUT单元的横截面形状的长轴与短轴的比值大于或等于4且小于或等于7。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的超声换能组件，其特征在于，所述第一PMUT单元和所述第二PMUT单元在相同方向上排列，所述第一PMUT单元的横截面形状的长轴与所述第二PMUT单元的横截面形状的长轴平行或重合。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的超声换能组件，其特征在于，所述第一PMUT单元的横截面形状和所述第二PMUT单元的横截面形状均为椭圆形，或者，所述第一PMUT单元的横截面形状和所述第二PMUT单元的横截面形状均为多边形，所述多边形上边的数量大于4。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的超声换能组件，其特征在于，所述衬底包括多个空腔，所述第一PMUT单元和所述第二PMUT单元分别悬挂在各自对应的空腔上。

11.一种超声换能阵列，其特征在于，包括多个如权利要求1至10中任一项所述的超声换能组件，所述多个超声换能组件分布在至少一列，每一列包括至少一个所述超声换能组件，每个所述超声换能组件中的第一PMUT单元和第二PMUT单元在列方向上依次排列。

12.根据权利要求11所述的超声换能阵列，其特征在于，每个所述超声换能组件中第一PMUT单元的数量相同，每个所述超声换能组件中第二PMUT单元的数量相同，每个所述超声换能组件中第一PMUT单元和第二PMUT单元按相同的顺序排列。

13.根据权利要求12所述的超声换能阵列，其特征在于，所述超声换能阵列中每相邻两列的超声换能组件呈交错排列。

14.根据权利要求13所述的超声换能阵列，其特征在于，第一超声换能组件和第二超声换能组件分布位于相邻的两列，所述第一超声换能组件和所述第二超声换能组件在各自所在列的排列顺序相同，所述第一超声换能组件和所述第二超声换能组件中排列顺序相同的两个第一PMUT单元在列方向上具有位置偏移，所述第一超声换能组件和所述第二超声换能组件中排列顺序相同的两个第二PMUT单元在列方向上具有位置偏移。

15.根据权利要求14所述的超声换能阵列，其特征在于，每个所述超声换能组件中第一PMUT单元的横截面形状的长轴大于第二PMUT单元的横截面形状的长轴，所述第一超声换能组件和所述第二超声换能组件中排列顺序相同的两个第一PMUT单元在列方向上的位置偏移量小于第一PMUT单元的横截面形状的长轴长度，所述第一超声换能组件和所述第二超声换能组件中排列顺序相同的两个第二PMUT单元在列方向上的位置偏移量小于第一PMUT单元的横截面形状的长轴长度。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的超声换能阵列，其特征在于，每个所述超声换能组件中第一PMUT单元的横截面形状的短轴大于第二PMUT单元的横截面形状的短轴，所述超声换能阵列中每相邻两列的超声换能组件在垂直于列的方向上的间距小于或等于第一PMUT单元的横截面形状的短轴长度。