[发明专利]具有支撑柱的压电式微机械超声换能器

权利要求书

1.一种具有支撑柱的压电式微机械超声换能器，其特征在于，结构包括自上而下设置的：振动平板（1）、支撑柱（2）、上电极（3）、压电材料层（4）、下电极（5）、结构层（6）、空腔（7）和衬底（8）；上电极（3）、压电材料层（4）、下电极（5）和结构层（6）组合成压电振动膜（9）；其中：

所述振动平板（1）位于顶部，可以做类似活塞式上下振动；所述振动平板（1）的位移和压电振动膜（9）的形变通过支撑柱（2）相关联；当振动平板（1）表面接收到外部超声波，整个振动平板（1）将发生竖直方向上的振动，从而带动支撑柱（2）一起振动；或者，振动平板（1）受到支撑柱（2）的推力或者拉力时，也会产生竖直方向上的位移，从而在介质中产生超声波；

所述支撑柱（2）位于上电极（3）中心，面积小于上电极（3）；支撑柱（2）一端固定在振动平板（1）上，另一端固定在压电振动膜（9）的中心；在接收外部超声波时，支撑柱（2）受到振动平板（1）的力，然后作用于压电振动膜（9）；在发射超声波时，支撑柱（2）受到压电振动膜（9）的力，然后作用于振动平板（1）；

所述压电材料层（4）位于上电极（3）和下电极（5）之间；其压电效应通过在上电极（3）和下电极（5）之间加电压来激发；通过压电材料层，实现将机械能与上电极（3）和下电极（5）之间的电能相互转换；

所述结构层（6）位于下电极（5）下方；结构层（6）用于提供机械支撑，并作为压电振动膜（9）的中性层，决定膜振动的弯曲模式；

所述空腔（7）为被结构层（6）和衬底（8）包围的真空区域；空腔（7）为压电振动膜（9）的振动提供空间。

2.根据权利要求1所述的压电式微机械超声换能器，其特征在于，所述振动平板（1）为刚性板；所述支撑柱（2）由绝缘材料或者介电材料制成。

3.根据权利要求1所述的压电式微机械超声换能器，其特征在于，所述压电材料层（3）选自PZT、PVDF、AlN、掺杂AlN、ScAlN中的至少一种；所述结构层（6）的材料是硅。

4.根据权利要求1所述的压电式微机械超声换能器，其特征在于，所述衬底（）8为硅或二氧化硅。

5.根据权利要求1所述的压电式微机械超声换能器，其特征在于，还包括如下变形结构：支撑柱（2）采用压电材料，在支撑柱（2）的上方引入有第三电极（10）；该第三电极（10）和上电极（3）为压电支撑柱（2）提供激励信号，使得支撑柱（2）可以受控伸缩。

6.根据权利要求5所述的压电式微机械超声换能器，其特征在于，所述第三电极（10）的形状同上电极（3），且和上电极（3）对准，它们形成一个平行板电容器；在第三电极（10）和上电极（3）直接外加电压时，它们之间可以产生相互吸引的静电力，压缩支撑柱。

7.根据权利要求5所述的压电式微机械超声换能器，其特征在于，所述第三电极（10）的形状同支撑柱（2），且和支撑柱（2）对准,此时有效减小了第三电极（10）和上电极（3）间外加电压时所产生的压缩支撑柱的静电力，从而使得压电效应产生的作用更明显。

8.由如权利要求1-7之一所述的若干个相同的压电式微机械超声换能器延拓组成的压电式微机械超声换能器阵列。