[发明专利]薄膜超声换能器

说明书

技术领域

本发明涉及换能器的领域，并且更具体地，涉及包括薄膜超声换能器的超声换能器以及换能器阵列。本发明涉及超声换能器，其还可以用于例如在建筑物中的存在性检测以用于照明控制、用于空气调节控制、用于安全和保安、用于活动感测。换能器阵列还可以用于接近性检测，覆盖例如移动电话的例如定位、或者用于例如机器人的导航、或者用于在诸如停车辅助、避碰之类的许多应用中的距离测量，或者用于用户界面中的姿势控制或者用于流量感测、或者用于CO2感测、或者用于基于超声的跟踪或还用于包括医疗成像的超声成像。在本发明的实施例中，公开了超声换能器和换能器阵列的工艺和设计，使得能够实现展示出小尺寸、平坦、紧凑、低成本阵列上的增强的输出压力的超声薄膜换能器阵列。

背景技术

正在发现超声换能器广泛的应用，例如用于运动和存在性检测的传感器。超声换能器是将电能转换为机械能的器件。最通常地，术语“超声换能器”用于指代经由压电现象将电能转换为超声的压电换能器。压电晶体和压电陶瓷具有以下属性：当施加电信号时，改变尺寸，从而施加交流电信号使这些压电晶体和压电陶瓷振荡。器件的共振频率取决于器件的尺寸和构造。由于当对压电晶体或陶瓷施加机械力时，压电晶体或陶瓷生成电信号，因此相同的晶体或陶瓷可以用作超声发射机和超声接收机。

WO 2009/004558描述了一种换能器，其中，在正面衬底之上形成隔膜，并且在活性部分(active portion)以及位置上与活性部分相邻的外围部分处，在隔膜之上形成压电层。在压电层之上形成包括第一和第二电极的图案化的导电层。此外，提供了背面衬底结构，具有位于与活性部分相邻的外围部分处的支座。支座的高度大于图案化的压电层和图案化的导电层的组合高度。可以将许多换能器相连接以形成阵列。

发明内容

本发明的实施例的目的是提供在大批量生产、低成本中实现的具有高输出压力、小尺寸且平坦紧凑的超声换能器以及换能器阵列。

以上目的由根据本发明的方法和器件实现。

在本发明中，已经发明超声换能器阵列的工艺和设计，使得能够实现展示出来自小尺寸、平坦、紧凑低成本阵列的增强的输出压力的超声薄膜换能器阵列。

根据本发明的实施例的超声换能器或超声换能器阵列的特殊特征在于：器件在与衬底相连接的隔膜的那一侧上比在相反侧上展示出更高输出。所测量出的输出压力是因子1.5至2.0，并在与衬底相连接的隔膜的那一侧上甚至比在相反侧上更高。

在所附的独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。在适当时并且不仅如权利要求中所明确阐述的，可以将来自从属权利要求的特征与独立权利要求的特征和其他从属权利要求的特征进行组合。

本发明的这些和其他方面将从以下描述的实施例中显而易见并参照以下描述的实施例而阐明。

附图说明

图1示意了根据本发明的实施例的超声换能器阵列。作为选项，在电极层19那侧上的隔膜上方，可以施加无机材料（比如，氮化硅或氧化硅或者氧化硅和氮化硅的组合）的保护层或有机保护层或者有机和无机保护层的组合。

图2a和2b示出了与处理器和存储器相耦合的根据本发明的实施例的超声换能器阵列的示意框图。

图3a、3b和3c示意了根据本发明的实施例的处理超声换能器的方法。

图3d是示意了作为超声换能器阵列的支座侧40上的角度的函数而测量的超声换能器阵列的归一化输出压力（相对于最大输出压力归一化）的曲线图。

图3e是示意了作为与支座侧40相反那侧上的角度的函数而测量的超声换能器阵列的归一化输出压力（相对于在图3d中所示的支座侧40处测量的最大输出压力归一化）的曲线图。

图4是根据本发明的实施例的经过一个换能器元件的横截面，示出了可根据本发明的实施例使用的尺寸的几何结构。

图5是示意了针对换能器元件的衬底支座的高度（衬底以下的沟槽的深度）的多个值、输出压力作为频率的函数的仿真的曲线图。在具体说明衬底支座的声学效果的这些仿真中，该元件被简单地建模为无限固体隔板中的支座之间的活塞。所仿真的元件在与图4所示的横截面垂直的尺寸上是无限的。

图6是示意了针对换能器元件的宽度的多个值、输出压力作为频率的函数的仿真的曲线图。仿真模型细节如图5中所示。

图7是示意了在0.8 mm宽度的根据本发明的实施例的换能器元件的各个频率处、输出压力增强因子（隔膜的支座侧处的输出压力与另一侧处的输出压力之比）作为衬底（例如，硅）支座高度（沟槽深度）的函数的曲线图。仿真模型细节如图5中所示。