[发明专利]一种压电微机械超声换能器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种压电微机械超声换能器及其制备方法，所述换能器从下往上依次包括：衬底层、下电极层、压电薄膜层和上电极层；所述上电极层包括第一上电极和第二上电极，所述第一上电极和所述第二上电极呈环状交叉设置，形成一对叉齿电极，在使用时，被测构件放置在所述上电极层的上部，所述第一上电极上和所述下电极层之间施加有第一交流电信号，所述第二上电极和所述下电极层之间施加有第二交流电信号，通过调节所述第一交流电信号和所述第二交流电信号的相位差，即可调节压电薄膜层的振动状态，进而调节被测构件中声波的方向特征和振动模式，实现了换能器发射声波的方向特性和振动模式简易且高效地调节和控制。

技术领域

本发明涉及超声换能器领域，特别涉及一种压电微机械超声换能器及其制备方法。

背景技术

超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声信号转换为电信号的能量转换器件。在众多的超声换能器类型中，压电超声换能器因其高频特性好，结构简单易于激励，以及易于成型和加工等特性，应用最为广泛。

作为常规压电超声换能器的替代品—压电微机械超声换能器(PiezoelectricMicromachined Ultrasonic Transducers，PMUT)已经被广泛研究。与传统超声换能器相比，PMUT具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、频率控制灵活、频带宽、灵敏度高以及易于与电路集成和实现智能化等特点。是压电超声换能器的重要的研究方向之一。

超声换能器不论是用作发射还是接收，声波传输本身都具有一定的方向特性和振动模式。通常来说，压电效应产生的弹性波，根据其传播方向与振动方向之间的关系，可分为纵波和横波两种。当质点的振动方向和弹性波的传播方向一致时，称为纵波；当质点的振动方向和弹性波的传播方向垂直时，则称为横波。不同应用的换能器对声波方向特性和振动模式的要求也不相同。例如，超声波液位计、风速风向仪换能器、水下测距换能器等上下测量的，通常利用纵波来测量；而在地形地貌、地形扫描、铁轨等大范围的测量时，一般会选择横波测量。如何调节和控制换能器发射声波的方向特性和振动模式，满足实际应用的多样化需求(材料结构和不连续可能存在的位置和取向将决定选择波束的方向和振动的模式)具有重要的现实意义。

对于传统的或者尺寸较大的压电超声换能器，通常在换能器与被测构件之间引入斜楔材料，通过改变斜楔角度来调节声波的方向特性和振动模式。超声波在材料中的传播角度(从被检表面的法线量起)和振动模式将根据斜楔角度、斜楔中的超声声速和被检材料中的超声声速来定。采用斜楔对基于微机械加工技术的PMUT压电超声换能器，存在加工工艺复杂，加工难度和加工成本相对较大，且器件容易因为机械振动或热应力等原因造成斜楔结构变形或磨损，导致声波方向和振动模式调节能力的下降甚至失效。

另一个有效调控声波方向和振动模式的方法是基于超声波阵列的相控技术。该技术通常按照一定的规则和时序激发一组换能器晶片，通过调整激发晶片的序列、数量、时序来控制声波波束的形状、轴线偏转角度及焦点位置等。但是超声相控技术通常需要精密复杂的相控器件布局和功能强大的软件系统做支撑，制造工艺复杂，对相控阵仪器激发能力要求高且设备昂贵。

如何简易且高效地调节和控制换能器发射声波的方向特性和振动模式，成为一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电微机械超声换能器及其制备方法，以实现换能器发射声波的方向特性和振动模式的简易且高效地调节和控制。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种压电微机械超声换能器，所述换能器包括：衬底层、下电极层、压电薄膜层和上电极层；

所述下电极层设置在所述衬底层的上部、所述压电薄膜层设置在所述下电极层的上部，所述上电极层设置在所述压电薄膜层的上部；被测构件放置在所述上电极层的上部；