CN219723596U - 一种超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种超声换能器，其中，所述超声换能器包括以层叠的方式依序设置的基底、结构层、以及压电敏感膜层，所述基底具有在其厚度方向上贯通的背腔；在所述基底的厚度方向上，所述压电敏感膜层位于所述结构层远离所述基底的一侧，所述压电敏感膜层包括压电感测结构，所述压电感测结构包括依次层叠设置的第一电极、压电材料层和第二电极，所述压电感测结构的投影位于所述背腔的投影覆盖范围之内；其中，所述背腔的深度被配置为所述超声换能器的工作频率所对应的超声波波长的1/4。本实用新型所提供的超声换能器能够利用声波干涉原理使得反射波得到削减，透射波得到增加的效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)微机电技术领域，更为具体的说涉及一种超声换能器。
背景技术
近几年来，随着MEMS技术的不断发展，MEMS超声换能器的制备性能正在不断改善，应用价值也越来越高。超声换能器的一大主要用途就是用来测距，而在收发一体式超声测距的工作模式下(即单阵元超声换能器发射超声波后，还需要接收回波信号)需要同时考虑超声换能器的发收性能。但由于其发射以及接收的声波未经过调制，故声场强度未得到优化。
因此，需要对现有技术进行改进。
实用新型内容
本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种超声换能器。
本实用新型的目的采用以下技术方案实现：
根据本实用新型的一方面，提供一种超声换能器，所述超声换能器包括以层叠的方式依序设置的基底、结构层、以及压电敏感膜层；
所述基底具有在其厚度方向上贯通的背腔；
在所述基底的厚度方向上，所述压电敏感膜层位于所述结构层远离所述基底的一侧，所述压电敏感膜层包括压电感测结构，所述压电感测结构包括依次层叠设置的第一电极、压电材料层和第二电极，所述压电感测结构的投影位于所述背腔的投影覆盖范围之内；
其中，所述背腔的深度被配置为所述超声换能器的工作频率所对应的超声波波长的1/4。
进一步地，所述超声换能器的工作频率与所述结构层的膜厚成正比、与所述结构层的非固定区域的半径成反比、与所述压电材料层的材料密度成反比。
进一步地，所述结构层是SOI结构的顶层硅。
进一步地，在所述基底靠近所述结构层的一侧上设置有用于支撑所述结构层的第一支撑体，所述第一支撑体位于所述基底的边缘，使得所述结构层悬空于所述背腔的上方。
进一步地，所述第一支撑体是SOI结构的中间绝缘层。
进一步地，所述背腔于开口处的内径大于所述背腔靠近所述结构层位置的内径。
进一步地，所述压电感测结构的面积与所述背腔于开口处的截面面积的比值为0.5～0.8。
进一步地，所述压电敏感膜层还包括第一电极引出结构和第二电极引出结构，所述第一电极引出结构和所述第二电极引出结构均位于所述结构层的边缘；所述第一电极引出结构包括第一焊盘，所述第二电极引出结构包括依次层叠设置的压电材料层和第二焊盘；其中，所述第一焊盘与所述第一电极电连接，所述第二焊盘与所述第二电极电连接。
可选地，所述压电材料层包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅、钙钛矿型压电膜、聚偏氟乙烯膜中的任意一种。
本实用新型所提供的超声传感器，旨在通过设计背腔的深度为对应设计的超声传感器的超声波长的1/4，从而能够利用声波干涉原理使得反射波得到削减，透射波得到增加的效果。有利于提升超声传感器发射和接收超声波的声场强度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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实施方式。
图1是本实用新型实施例提供的一种超声换能器的结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的一个典型的绝缘体上半导体的结构示意图；
图3是本实用新型实施例提供的压电感测敏感膜层的结构示意图；
图4是对应图3的俯视结构示意图。
具体实施方式
上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
图1是本实用新型实施例提供的一种超声换能器的结构示意图，图2是本实用新型实施例提供的一个典型的绝缘体上半导体的结构示意图，图3是本实用新型实施例提供的压电感测敏感膜层的结构示意图。
如图1-图3所示，本实用新型实施例提供了一种超声传感器1000，包括以层叠的方式依序设置的基底101、结构层103、以及压电敏感膜层200；所述基底101具有在其厚度方向上贯通的背腔107；在所述基底101的厚度方向上，所述压电敏感膜层200位于所述结构层103远离所述基底101的一侧，所述压电敏感膜层200包括压电感测结构201，所述压电感测结构201包括依次层叠设置的第一电极204、压电材料层205和第二电极206，所述压电感测结构201的投影位于所述背腔107的投影覆盖范围之内；其中，所述背腔107的深度被配置为所述超声换能器1000的工作频率(共振频率)所对应的超声波波长的1/4。
示例性地，通过对所述压电敏感膜层200进行光刻图案化，得到压电感测结构201，该为压电感测结构201为三明治结构，例如包括依次层叠设置的第一电极204、压电材料层205和第二电极206，以用于驱动结构层103薄膜的振动，或者用于接收结构层103薄膜的振动，通过压电效应和反压电效应产生膜片的振动和将超声波振动收集为电压的输出，以制备出超声传感器。
上述的第一电极204、第二电极206可以为金属或者铟锡氧化物等，金属例如为Al、Mo或者Al或者Mo的合金。
上述的压电材料层205包括氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)、有机压电膜、锆钛酸铅(PZT)、钙钛矿型压电膜、聚偏氟乙烯(PVDF)膜中的任意一种。
具体地，根据下式计算(设计)超声传感器的工作频率(共振频率)：
其中，f为超声传感器的工作频率(共振频率)，t为结构层的厚度，a为结构层的非固定区域的半径，Y为杨氏模量，ρ为压电材料层的材料密度，σ为泊松比。
也即，所述超声换能器1000的工作频率(共振频率)与所述结构层103的膜厚成正比、与所述结构层103的非固定区域的半径成反比、与所述压电材料层205的材料密度成反比。除此之外，压电材料引致的残余应力也是影响超声换能器1000共振频率的主要因素。
可以看出，通过控制所述结构层103的膜厚、压电材料层205的应力以及尺寸形状可以控制超声传感器1000的共振频率和波长。
具体地，对于压电材料层205的应力的控制主要体现在压电材料层的沉积工艺上，需要控制沉积的压强、温度以及厚度等。
在本实施例中，基于已设计的超声传感器的工作频率，进而得到超声传感器所对应的超声波波长，设计出匹配超声波波长1/4的背腔深度，利用声波的干涉原理使得反射波得到削减，透射波得到增强的效果，有利于提升超声传感器发射和接收超声波的声场强度。
具体地，可以根据上述计算超声传感器共振频率的公式获取对应的超声波波长λ的大小，随后设计匹配1/4λ大小的背腔的深度。
在本实施例中，可以基于绝缘体上的半导体而制造超声传感器，示例性地，绝缘体上的半导体可以是例如SOI(Silicon-On-Insulator)。如图2所示，绝缘体上半导体可包括：绝缘层102、形成在绝缘层102上的结构层103以及位于所述绝缘层102下方的基底101，其中基底101又称为背衬底(或背衬底层)，结构层103可以是硅，又称顶层硅，示例性地，所述结构层103是SOI结构的顶层硅。
在其他实施例中，也可以基于硅或其他任何合适的硅基化合物或衍生物，例如SiO2而制造超声传感器，在此不做限制。基底101的厚度被配置为超声换能器1000的工作频率(共振频率)所对应的超声波波长λ的1/4。例如，基底101的厚度经计算为300～400微米(μm)。
示例性地，在所述基底101靠近所述结构层103的一侧上设置有用于支撑所述结构层103的第一支撑体1021，所述第一支撑体1021位于所述基底101的边缘，使得所述结构层103悬空于所述背腔107的上方。
所述第一支撑体1021是SOI结构的中间绝缘层，由于第一支撑体1021的厚度较薄，故相比于基底101的厚度可以忽略不记。
在一些实施方式中，所述背腔107于开口处的内径大于所述背腔107靠近所述结构层103位置的内径。在本实施例中，通过背腔107内径的变化，形成一外延型扩口，当该超声换能器应用于超声测距时，可以对发射出的超声波能量进行集中，提高声束的定向性。
进一步地，所述压电感测结构201的面积与所述背腔107于开口处的截面面积的比值为0.5～0.8。示例性地，以PMUT压电微式传感器器为例，当压电感测结构201的面积与背腔107于开口处的截面面积在比值为0.6附近时，该超声传感器可实现较好的驱动和检测性能。
图4是对应图3的俯视结构示意图。
示例性地，如图4所示，所述压电敏感膜层200还包括第一电极引出结构210和第二电极引出结构220，所述第一电极引出结构210和所述第二电极引出结构220均位于所述结构层的边缘；所述第一电极引出结构210包括第一焊盘211，所述第二电极引出结构220包括依次层叠设置的压电材料层205和第二焊盘221；其中，所述第二焊盘221与所述第一电极204之间经由压电材料层205电隔离；
其中，所述第一焊盘211与所述第一电极204电连接，以施加或者传递电信号，所述第二焊盘221与所述第二电极206电连接，以施加或者传递电信号。
因此，采用本实用新型实施例提供的超声传感器，旨在通过设计背腔的深度为对应设计的超声传感器的超声波长的1/4，从而能够利用声波干涉原理使得反射波得到削减，透射波得到增加的效果。有利于提升超声传感器发射和接收超声波的声场强度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种超声换能器，其特征在于，包括以层叠的方式依序设置的基底、结构层、以及压电敏感膜层；
所述基底具有在其厚度方向上贯通的背腔；
在所述基底的厚度方向上，所述压电敏感膜层位于所述结构层远离所述基底的一侧，所述压电敏感膜层包括压电感测结构，所述压电感测结构包括依次层叠设置的第一电极、压电材料层和第二电极，所述压电感测结构的投影位于所述背腔的投影覆盖范围之内；
其中，所述背腔的深度被配置为所述超声换能器的工作频率所对应的超声波波长的1/4。
2.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，
所述超声换能器的工作频率与所述结构层的膜厚成正比、与所述结构层的非固定区域的半径成反比、与所述压电材料层的材料密度成反比。
3.如权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，
所述结构层是SOI结构的顶层硅。
4.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，在所述基底靠近所述结构层的一侧上设置有用于支撑所述结构层的第一支撑体，所述第一支撑体位于所述基底的边缘，使得所述结构层悬空于所述背腔的上方。
5.如权利要求4所述的超声换能器，其特征在于，
所述第一支撑体是SOI结构的中间绝缘层。
6.如权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，
所述背腔于开口处的内径大于所述背腔靠近所述结构层位置的内径。
7.如权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，
所述压电感测结构的面积与所述背腔于开口处的截面面积的比值为0.5～0.8。
8.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，
所述压电敏感膜层还包括第一电极引出结构和第二电极引出结构，所述第一电极引出结构和所述第二电极引出结构均位于所述结构层的边缘；所述第一电极引出结构包括第一焊盘，所述第二电极引出结构包括依次层叠设置的压电材料层和第二焊盘；
其中，所述第一焊盘与所述第一电极电连接，所述第二焊盘与所述第二电极电连接。
9.如权利要求1至8中任意一项所述的超声换能器，其特征在于，
所述压电材料层包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅、钙钛矿型压电膜、聚偏氟乙烯膜中的任意一种。
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