[发明专利]具有支撑柱的压电式微机械超声换能器

说明书

本发明属于微机械技术领域，具体是一种具有支撑柱的压电式微机械超声换能器。本发明的结构包括自上而下设置的：振动平板、支撑柱、上电极、压电材料层、下电极、结构层、空腔和衬底；振动平板的位移和压电振动膜的形变通过支撑柱相关联。支撑柱可以是线弹性或者刚性的材料。压电式微机械超声换能器的一种变化为支撑柱采用压电材料，其上方引入第三电极，用于激励压电支撑柱。本发明解决了现有技术中压电式微机械超声换能器弯曲模式振动导致的发射和接收灵敏度低，超声发射方向性差的技术问题，从而拓展其高灵敏度探测和高效超声发射的应用前景，例如可应用于三维实时超声成像中。

技术领域

本发明属于微机械技术领域，具体涉及一种微机械超声换能器。

背景技术

市场上已经开发出了各种类型的可发送和接收超声波的超声换能器。超声换能器可以在多种介质中运行，包括液体，固体和气体。这些换能器通常用于医学成像以进行诊断和治疗，材料的无损评估，距离传感器，气体流量测量，声学显微镜，水听器，等等领域。除了单个的超声换能器之外，包含多个换能器的超声换能器阵列也在走向应用。例如，可用于实时三维成像的二维换能器阵列。

基于微机械技术的换能器具有一个共同的特征：包含一个或多个可振动的部件，用于不同种能量之间的转换。微机械超声换能器（MicromachinedUltrasonicTransducer,MUT）是一个典型的案例，它通常具有可振动的薄膜，因此可用于发射和接收超声波。在其发射模式下，通过外部的电信号激励，由于压电或者静电效应，振动薄膜可以产生高频振动，机械能传递到与其相邻的介质中，产生超声波。在其接收模式下，在放置换能器的介质中传播的超声波的声能引起薄膜振动，转换为机械能，进而发生容易被检测到的电磁（特别是电）信号。

与广泛使用的锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）超声换能器相比，MUT在器件制造方法，带宽和工作温度方面具有不可比拟的优势。例如，制作常规PZT换能器的阵列涉及切块并连接单个压电元件。这种工艺不仅难度高而且成本不低。由这种元件与发送/接收电子器件相连还会带来严重的输入阻抗失配问题。相比之下，用于制造MUT的微机械技术更适合制造换能器阵列。在性能方面，MUT的动态性能可与PZT传感器媲美，而且成本可以更低。由于这些原因，MUT成为了PZT超声换能器的潜在替代品。

在几种类型的MUT中，使用压电效应驱动的压电式微机械超声换能器（piezoelectric micromachined ultrasonic transducer,pMUT）和使用静电力驱动的电容式微机械超声换能器（capacitive micromachined ultrasonic transducer,cMUT）被广泛研究。相较于cMUT, 基于AlN、ZnO等压电材料、采用弯曲振动模式的pMUT在低功耗应用领域具有突出优势，但由于AlN、ZnO材料的压电系数远小于PZT材料，导致pMUT机电耦合系数、带宽、发射以及接收灵敏度等性能还远落后于cMUT。而目前，常规的cMUT具有高工作电压和高功耗，并且在工作期间需要维持高直流偏置电压（范围从几十伏到数百伏）。这些原因限制了其在便携式，低功耗和长期在线检测中的应用。因此，pMUT仍然是更具有应用潜力的MUT。

近些年pMUT灵敏度的提升，一方面来源于新型压电材料的制备，另一方面来源于结构的创新。新型压电材料例如掺Sc的AlN，可以直接提高pMUT的机电耦合系数。结构的创新主要通过多层膜和多电极设计来实现。另外，声波发射的方向性也是为一个亟待解决的技术问题。本发明旨在通过在pMUT结构中引入支撑柱，提升pMUT的发射和接收灵敏度，同时改善其声波发射方向性。

发明内容

本发明的目在提供一种具有支撑柱的压电式微机械超声换能器，以提升pMUT的发射和接收灵敏度，同时改善其声波发射方向性。

本发明提供的具有支撑柱的压电式微机械超声换能器，其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，如图1和图2所示。其中，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。