[发明专利]基于多振膜耦合的压电微机械超声换能器

说明书

本发明公开了一种基于多振膜耦合的压电微机械超声换能器。该MEMS压电微机械超声换能器包括沉积于衬底上面的膜片以及活塞振膜。所述活塞振膜可替代MEMS压电微机械超声换能器的压电振膜，将振动模式从传统的高斯模态转换为活塞模式。工作在活塞模式下，换能器可以推动更多的空气，提高输出功率。活塞振膜可以改变换能器的刚度和质量，从而实现频率的调节。此外，通过引入活塞振膜，换能器可以同时工作在多种模态下，并且通过活塞振膜与MEMS压电微机械超声换能器压电膜片之间的互辐射作用，极大地提升了换能器的带宽。

技术领域

本发明属于计传感器的技术领域，具体涉及一种基于多振膜耦合的压电微机械超声换能器。

背景技术

压电声换能器是既可以用来发射又可以用来接收声波的换能元件。当工作在发射模式时，电能通过静电力或逆压电效应转换为换能器的振动从而向外辐射声波；工作在接收模式时，声压作用在换能器表面使其振动，换能器再将振动转换为电信号。目前应用最广的声波传感器主要基于体压电换能器，体压电换能器主要利用压电陶瓷的厚度振动模式产生声波，由于厚度模式的谐振频率只与换能器的厚度相关，在同一平面上很难制作不同谐振频率的声换能器。当其应用于高频时，厚度需要控制在亚微米级精度，其加工难度较高。而微加工技术制作的声换能器(MEMS声换能器)振动在弯曲模式，具有刚度较低的振动薄膜，其声阻抗较小，能够更好地与气体与液体进行耦合。并且其谐振频率通过平面内尺寸控制，对加工精度要求较小。随着MEMS声换能器技术的逐渐成熟，由于其兼具高性能、低成本、容易实现大规模生产的优点，声传感器的技术有转向MEMS声换能器的趋势。MEMS声换能器主要有超声换能器、麦克风、水听器等类型。其中超声换能器主要分两种电容式(cMUT)和压电式(pMUT)，pMUT 较cMUT灵敏度稍低，但cMUT需要提供偏置电压并且电容极板间有细微的气隙，容易形成粘连，pMUT具有结构简单、换能材料换能效率高的优点，但其制作较复杂。

目前对声换能器的改进主要针对其电极形状、材料厚度等，但对提高声换能器能量转换效率作用有限，导致声换能器的灵敏度不高，传输声压较小，在很大程度上限制了其应用。普通声换能器薄膜的材料是连续、均匀的，在振动其振动形状为抛物线型，这就导致了位移最大的中心部分推动的空气较少。此时，若能将声换能器振动的中心区域的抛物线变为水平线，将导致声换能器位移最大的中心部分推动的空气大大增加，从而增加了声换能器产生的声波，这中振动方式被称为类活塞振动模式。在接收声波时，类活塞振动模式的声换能器相比普通的声换能器将产生更大的位移，从而产生更大的接收信号，从而提升声换能器接收时的灵敏度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于多振膜耦合的压电微机械超声换能器。

为实现上述目的，本发明提供的基于多振膜耦合的压电微机械超声换能器，是一种二维高性能超高频谐振器，包括MEMS压电微机械超声换能器和活塞振膜；活塞振膜设置于MEMS 压电微机械超声换能器上并与MEMS压电微机械超声换能器表面接触连接；活塞振膜设置于 MEMS压电微机械超声换能器上表面；MEMS压电声换能器为压电微机械超声换能器，采用三明治结构或者双压电晶片结构；三明治结构的压电声换能器包括第一衬底、依次沉积在第一衬底上的第一底电极、第一压电层、第一顶电极、第一绝缘层以及从第一顶电极上引出的第一电极和第二电极，活塞振膜设置在第一绝缘层的上表面；双压电晶片结构的压电声换能器包括第二衬底、依次沉积在第二衬底上的第二底电极、第二压电层、中间电极、第三压电层、第二顶电极、第二绝缘层以及从第二顶电极上引出的第三电极和第四电极，活塞振膜设置在第二绝缘层的上表面。

作为优选方案，在上述的二维高性能超高频谐振器中，活塞振膜的材料、大小、数量、形状以及设置的位置根据MEMS压电微机械超声换能器的谐振频率确定。

进一步地，在上述的二维高性能超高频谐振器中，压电微机械超声换能器的形状为圆形，或正方形，或矩形，或六边形，或多边形。

本发明方案的设计思路如下：