[发明专利]超声换能器阵列及其形成方法

说明书

本申请公开一种超声换能器阵列及其形成方法，所述超声换能器阵列的组成单元包括：支撑层，所述支撑层内具有背腔；位于所述支撑层表面上与所述背腔位置相对的压电传感单元，以及位于所述压电传感单元顶部的活塞结构，所述活塞结构包括位于所述压电传感单元顶部的支撑柱以及由所述支撑柱支撑于所述压电传感单元上方的活塞板；位于所述支撑层的表面，围设于所述压电传感单元外围的气缸壁。所述超声换能器阵列具有较高的超声波发射效率和带宽，且单元间具有较低的串扰水平。

技术领域

本申请涉及换能器技术领域，具体涉及一种超声换能器阵列及其形成方法。

背景技术

超声压电换能器可以在驱动电压的作用下发生振动，该振动可以通过介质(如水，或人体等)传输。作为逆向应用，作用在超声压电换能器上的声波也可以产生电信号，通过读取和识别该电信号可以对作用在超声换能器上的声波进行复现。基于上述原理，超声压电换能器可以进行电学与声学信号的双向转化，广泛应用于包括麦克风、扬声器、手势识别、超声波成像、指纹识别等领域。

基于微加工技术获得的压电超声换能器常被称为PMUT(压电式微加工超声换能器)。如图1所示，为现有技术中的背腔式PMUT的结构示意图。PMUT在结构上一般包括支撑层11，所述支撑层内具有背腔10，依次堆叠于所述支撑层上的第一电极12、压电层13以及第二电极14，压电层13位于所述第一电极12和第二电极14之间。由于背腔10存在，支撑层11上方的各层工作于弯张模式，在超声作用下，压电层13发生振动产生电信号，通过所述第一电极12、第二电极14输出电信号。第一电极12、压电层13以及第二电极14，压电层13构成的薄板的振动作用在薄板周围的介质并向外传输能量，在薄板将能量向外传输的过程中也有一部分能量以弹性势能的形式保留在弯张状态下的薄板中，该部分能量的消耗速度在一定程度上决定了器件的带宽。

超声换能器一般以阵列的形式工作，该阵列需要具有较高的输出功率、较宽的带宽和较低的串扰水平，因此如何通过优化设计进一步提高器件的上述性能是目前亟待解决的问题。

发明内容

鉴于此，本申请提供一种超声换能器阵列及其形成方法，以解决现有的超声换能器在输出功率、带宽和串扰方面的问题。

本申请提供的一种超声换能器阵列，包括：支撑层，所述支撑层内具有背腔；位于所述支撑层表面上与所述背腔位置相对的压电传感单元，以及位于所述压电传感单元顶部的活塞结构，所述活塞结构包括位于所述压电传感单元顶部的支撑柱以及由所述支撑柱支撑于所述压电传感单元上方的活塞板；位于所述支撑层的表面，围设于所述压电传感单元外围的气缸壁。

可选的，所述气缸壁顶部高于所述活塞结构顶部；和/或，所述气缸壁具有开孔。

可选的，所述支撑层表面具有多个压电传感单元，每个压电传感单元外围均围设有所述气缸壁。

可选的，所述压电传感单元包括：底电极层、位于所述底电极层表面的压电传感层以及位于所述压电传感层表面的顶电极层；各个压电传感单元的压电传感层与顶电极层之间相互独立；各个压电传感单元的底电极层之间相互独立或者至少部分压电传感单元的底电极与其他压电传感单元的底电极之间相互连接。

可选的，所述气缸壁与所述传感单元之间具有一定间距；和/或，所述气缸壁与所述传感单元之间填充具有阻尼属性的介质。

本申请提供一种超声换能器的形成方法，包括：提供支撑层，所述支撑层内形成有背腔；在所述支撑层表面与所述背腔位置相对处形成压电传感单元；在所述压电传感单元顶部形成活塞结构以及在所述支撑层表面形成围设于所述压电传感单元外围的气缸壁，所述活塞结构包括位于所述压电传感单元顶部的支撑柱以及由所述支撑柱支撑于所述压电传感单元上方的活塞板。

可选的，形成所述活塞结构和所述气缸壁的方法包括：形成所述传感单元后，在所述支撑层上形成覆盖所述传感单元侧壁和顶部的保护材料层；对所述保护材料层进行图形化，形成保护层，以及位于所述保护层内暴露所述传感单元顶部的至少一个开口；