CN206077678U - 一种微型压电超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种微型压电超声换能器，在硅衬底上设置至少一个震膜结构，该震膜结构为凸出于硅衬底的中空曲面，即震膜结构的外轮廓为圆滑的曲面且曲面内部中空。通过将震膜结构从二维平面结构变更为三维立体的中空结构，使换能器无需设置支撑层，凭借震膜结构即可完成超声换能工作。并且，由于震膜结构具有三维立体的曲面，换能器工作时依靠震膜结构产生的应变方向从横向变为了与横向具有一定角度的倾斜方向，因此，震膜结构产生的应变可以直接贡献为垂直于硅衬底方向的形变和震动，无需经过横向应变到垂直方向应变的转换过程，这样可以提高微型压电超声换能器的机电耦合系数，从而提高换能器能量转换效率，降低工作能耗。
Description
技术领域
本实用新型涉及换能器技术领域，尤其涉及一种微型压电超声换能器。
背景技术
目前，常见的微型压电超声换能器是采用二维平面的震膜结构，即如图1所示，换能器包括：设置在硅衬底1上的支撑层2，以及依次设置在支撑层2上的第一电极层3、压电层4和第二电极层5；其中，第一电极层3、压电层4和第二电极层5构成了二维平面的震膜结构，换能器通过震膜结构的震动将输入的电信号转换成超声能量输出。换能器工作时依靠压电层4产生横向应变，经过支撑层2的协助，横向应变再通过应力不平衡而围绕应力中性面产生垂直于硅衬底1方向的形变。此种换能方式经过了应变的横向-垂直转换过程，因此机电耦合系数低，换能器产生一定超声声压时消耗的电能高，电能转换成机械能(振动)的效率低。
因此，如何提高微型压电超声换能器的机电耦合系数，以提高换能器能量转换效率且降低工作能耗，是本领域技术亟需解决的技术问题。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种微型压电超声换能器，用以解决现有的换能器机电耦合系数较低的问题。
因此，本实用新型提供的一种微型压电超声换能器，包括：硅衬底，设置在所述硅衬底上的至少一个震膜结构，所述震膜结构为凸出于所述硅衬底的中空曲面。
在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述震膜结构在垂直于所述硅衬底方向上的截面为圆拱形。
在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述震膜结构为球拱型、椭球拱型或半圆柱型。
在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，球拱型或椭球拱型的所述震膜结构在所述硅衬底上正投影的最大直径为10微米至1000微米；
半圆柱型的所述震膜结构在所述硅衬底上正投影的最大边长为10微米至1000微米。
在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，球拱型或椭球拱型的所述震膜结构在所述硅衬底上正投影的最大直径为60微米；
半圆柱型的所述震膜结构在所述硅衬底上正投影的最大边长为60微米。
在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述震膜结构凸出于所述硅衬底的最大高度为1微米至100微米。
在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述震膜结构凸出于所述硅衬底的最大高度为2微米。
在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述震膜结构的厚度为0.2微米至10微米。
在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述震膜结构的厚度为2微米。
在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述震膜结构具体包括：层叠设置的第一电极层、压电层和第二电极层。
在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述压电层的材料为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅。
在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述第一电极层和所述第二电极层的材料为钼、钽、铝、钛、金、铂金之一或以上组合材料的层状复合结构或合金。
本实用新型实施例的有益效果包括：
本实用新型实施例提供的一种微型压电超声换能器，在硅衬底上设置至少一个震膜结构，该震膜结构为凸出于硅衬底的中空曲面，即震膜结构的外轮廓为圆滑的曲面且曲面内部中空。通过将震膜结构从二维平面结构变更为三维立体的中空结构，使换能器无需支撑层的协助，凭借震膜结构即可完成超声换能工作，因此，可以省去在硅衬底与震膜结构之间设置的支撑层。并且，由于震膜结构具有三维立体的曲面，换能器工作时依靠震膜结构产生的应变方向从横向变为了与横向具有一定角度的倾斜方向，因此，震膜结构产生的应变可以直接贡献为垂直于硅衬底方向的形变和震动，无需经过横向应变到垂直方向应变的转换过程，这样可以提高微型压电超声换能器的机电耦合系数，从而提高换能器能量转换效率，降低工作能耗。
附图说明
图1为现有技术中微型压电超声换能器的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的微型压电超声换能器的结构示意图之一；
图3a和图3b分别为本实用新型实施例提供的微型压电超声换能器中震膜结构的立体示意图；
图4为本实用新型实施例提供的微型压电超声换能器的结构示意图之二；
图5a为现有技术中的圆形平面震膜结构的谐振频率与振幅的仿真图；
图5b为本实用新型实施例提供的震膜结构的谐振频率与振幅的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型实施例提供的微型压电超声换能器的具体实施方式进行详细地说明。
附图中各层的厚度和区域形状不反映微型压电超声换能器的真实比例，目的只是示意说明本实用新型内容。
本实用新型提供的一种微型压电超声换能器，如图2所示，包括：硅衬底100，设置在硅衬底100上的至少一个震膜结构200，该震膜结构200为凸出于硅衬底100的中空曲面，即震膜结构200的外轮廓为圆滑的曲面且曲面内部中空。
本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器，通过将震膜结构200从二维平面结构变更为三维立体的中空结构，使换能器无需支撑层的协助，凭借震膜结构200即可完成超声换能工作，因此，可以省去在硅衬底100与震膜结构200之间设置的支撑层。并且，由于震膜结构200具有三维立体的曲面，换能器工作时依靠震膜结构200产生的应变方向从横向变为了与横向具有一定角度的倾斜方向，因此，震膜结构200产生的应变可以直接贡献为垂直于硅衬底100方向的形变和震动，无需经过横向应变到垂直方向应变的转换过程，这样可以提高微型压电超声换能器的机电耦合系数，从而提高换能器能量转换效率，降低工作能耗。
在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，震膜结构200如图2所示，可以具体包括：层叠设置的第一电极层201、压电层202和第二电极层203。其中，第一电极层201和第二电极层203分别加载固定电压信号和具有一定频率的电压信号，以使压电层202根据加载的信号频率发生谐振。
在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，压电层202的材料可以为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅等具有压电效应的材料。
在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，第一电极层201和第二电极层203的材料可以为钼、钽、铝、钛、金、铂金之一或以上组合材料的层状复合结构或合金等导电材料。例如，可以是钼和铝的层状复合结构。并且，第一电极层201的材料可以与第二电极层202的材料相同，也可以不同，在此不做限定。
在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，为了便于保证震膜结构可以有效谐振，组成震膜结构200的第一电极层201、压电层202和第二电极层203形状需要保证基本一致。
在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，由于震膜结构200的外轮廓为圆滑的曲面且曲面内部中空，因此，如图2所示，震膜结构200在垂直于硅衬底100方向(竖直方向)上的截面可以为圆拱形。
基于此，具体地，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，震膜结构200的具体形状可以为如图3a所示的球拱型、椭球拱型、或如图3b所示的半圆柱型。
具体地，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，如图3a所示，球拱型或椭球拱型的震膜结构200在硅衬底100上正投影的最大直径d为10微米至1000微米；如图3b所示，半圆柱型的震膜结构200在硅衬底100上正投影的最大边长a为10微米至1000微米。
较佳地，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，球拱型或椭球拱型的震膜结构200在硅衬底100上正投影的最大直径d为60微米为佳；半圆柱型的震膜结构200在硅衬底100上正投影的最大边长a为60微米为佳。
具体地，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，如图2所示，震膜结构200凸出于硅衬底100的最大高度h为1微米至100微米。
较佳地，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，震膜结构200凸出于硅衬底100的最大高度h为2微米为佳。
具体地，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，如图2所示，震膜结构200的厚度b为0.2微米至10微米。
较佳地，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，震膜结构200的厚度b为2微米为佳。
并且，为了便于制作出震膜结构200的曲面内部中空的结构，在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器中，如图4所示，震膜结构200可以具有至少一个贯穿厚度方向的开孔，开孔的位置具体不做限定，可以在顶部，可以在与硅衬底100接触的底部。并且，在形成中空结构之后，还可以在开孔位置填充物质，来去除该开孔，也可以保留开孔，在此不做限定。
在具体实施时，采用最大直径为60微米且厚度为2微米的球拱型震膜结构为例，与直径为60微米且厚度为2微米的圆形平面震膜结构进行比较，两种震膜结构均采用同样的氮化铝材料作为压电层。仿真结果显示，如图5a所示，传统的平面震膜结构在13.01MHz频率处发生谐振，在1V电压作用下振幅为0.17nm。如图5b所示，而本实用新型实施例提供的球拱型震膜结构在7.46MHz频率处发生谐振，在1V电压作用下振幅达到了77nm。通过比较可以看出，本实用新型实施例提供的震膜结构的工作效率高出传统的平面震膜结构两个数量级，机电转换效率大大提高。
本实用新型实施例提供的上述微型压电超声换能器，在硅衬底上设置至少一个震膜结构，该震膜结构为凸出于硅衬底的中空曲面，即震膜结构的外轮廓为圆滑的曲面且曲面内部中空。通过将震膜结构从二维平面结构变更为三维立体的中空结构，使换能器无需支撑层的协助，凭借震膜结构即可完成超声换能工作，因此，可以省去在硅衬底与震膜结构之间设置的支撑层。并且，由于震膜结构具有三维立体的曲面，换能器工作时依靠震膜结构产生的应变方向从横向变为了与横向具有一定角度的倾斜方向，因此，震膜结构产生的应变可以直接贡献为垂直于硅衬底方向的形变和震动，无需经过横向应变到垂直方向应变的转换过程，这样可以提高微型压电超声换能器的机电耦合系数，从而提高换能器能量转换效率，降低工作能耗。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (12)
1.一种微型压电超声换能器，其特征在于，包括：硅衬底，设置在所述硅衬底上的至少一个震膜结构，所述震膜结构为凸出于所述硅衬底的中空曲面。
2.如权利要求1所述的微型压电超声换能器，其特征在于，所述震膜结构在垂直于所述硅衬底方向上的截面为圆拱形。
3.如权利要求2所述的微型压电超声换能器，其特征在于，所述震膜结构为球拱型、椭球拱型或半圆柱型。
4.如权利要求3所述的微型压电超声换能器，其特征在于，球拱型或椭球拱型的所述震膜结构在所述硅衬底上正投影的最大直径为10微米至1000微米；
半圆柱型的所述震膜结构在所述硅衬底上正投影的最大边长为10微米至1000微米。
5.如权利要求4所述的微型压电超声换能器，其特征在于，球拱型或椭球拱型的所述震膜结构在所述硅衬底上正投影的最大直径为60微米；
半圆柱型的所述震膜结构在所述硅衬底上正投影的最大边长为60微米。
6.如权利要求1所述的微型压电超声换能器，其特征在于，所述震膜结构凸出于所述硅衬底的最大高度为1微米至100微米。
7.如权利要求6所述的微型压电超声换能器，其特征在于，所述震膜结构凸出于所述硅衬底的最大高度为2微米。
8.如权利要求1所述的微型压电超声换能器，其特征在于，所述震膜结构的厚度为0.2微米至10微米。
9.如权利要求8所述的微型压电超声换能器，其特征在于，所述震膜结构的厚度为2微米。
10.如权利要求1-9任一项所述的微型压电超声换能器，其特征在于，所述震膜结构具体包括：层叠设置的第一电极层、压电层和第二电极层。
11.如权利要求10所述的微型压电超声换能器，其特征在于，所述压电层的材料为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅。
12.如权利要求10所述的微型压电超声换能器，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层的材料为钼、钽、铝、钛、金、铂金之一或以上组合材料的层状复合结构或合金。
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