[发明专利]一种具有弧形或斜面声腔的MEMS压电超声波换能器阵列

说明书

本发明公开了一种具有弧形或斜面声腔的MEMS压电超声波换能器阵列，包括一个或数个换能器单元，每个所述换能器单元包括若干个设置于同一平面、且具有相同弧形或斜面声腔的MEMS压电超声波换能器，其结构为低阻硅片层、二氧化硅或氮化硅层、上电极金属层、压电薄膜层、下电极金属层、多晶硅层及具有弧形或斜面声腔的下衬底层，所述下衬底层的横截面为半圆形、拱形、三角形或多边形空腔面。所述弧形或斜面声腔使得MEMS压电超声波换能器产生的声波叠加传输，实现增强超声波换能器产生的声压强度。该换能器阵列能够增强MEMS超声波换能器产生的声压强度，提升MEMS压电超声波换能器能量转换效率。

技术领域

本发明属于MEMS超声换能器技术领域，涉及一种具有弧形或斜面声腔的MEMS压电超声波换能器阵列。

背景技术

超声波换能器是既可以用来发射又可以用来接收超声波的换能元件。在发射模式，电势能通过静电力或逆压电效应转化为换能器的振动从而产生辐射声压；工作在接收模式，声压作用在换能器表面使其振动，换能器再将振动转换成电压。传统的超声波换能器利用体压电陶瓷的厚度振动模式产生超声波，在同一平面上加工不同谐振频率的超声波换能器制作难度大，而且对于高频的应用，加工难度更高。MEMS超声波换能器在工作状态下处于弯曲振动模式，利用刚度较低的振动薄膜，其声阻抗较小。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。MEMS超声波换能器主要分两种：电容式(CMUT)和压电式(PMUT)。

CMUT包括两块具有一定间距的薄板，上薄板自身做上电极或者顶部金属层作为上电极，下薄板自身作为下电极，形成基本的电容结构。当上下电极间通上具有直流偏置的交流电后，上极板收到交变的静电力而产生振动，从而产生声波。在接收工作模式，上极板在声压作用下弯曲，造成极板间电容变化，从而在固定直流偏置的情况下产生交变电流。PMUT主要利用压电材料的正压电效应和逆压电效应来实现振动与电能的转换。由于压电材料不导电， PMUT设有上电极和下电极，有时下电极也可用硅结构层代替。当工作在发射模式，上下电极间通入交流电，利用压电材料的逆压电效应使薄板产生弯曲，向空气中辐射声压。当工作在接收模式时，外部声压使薄板受力弯曲，正压电效应使压电材料的两侧产生感应电荷。

CMUT的直流偏置随着极板间距的减小而减小，但太小的基板间距带来的是产品生产成本的提高和良率的降低。相比于CMUT，PMUT不需要直流偏置来得到高的换能器灵敏度。PMUT相比CMUT具有更大的电容，从而具有更低的电阻抗，对寄生电容的敏感程度也更低些。但由于薄膜压电材料的加工工艺尚不够成熟，导致制作的PMUT压电性能较低，因此影响了PMUT的发展和应用。

声压的单位为帕(Pa)，其大小反映了声波的强弱，即表示传播的波动能量强度。声压越大，表示超声波的强度越大，传递的能量越强。它是目前经常用来描述声波性质的重要物理量之一，通过声压的测量可以间接地求得质点速度等其他的物理量。纵波在弹性媒质内传播过程中，媒质质点的压强是随时间变化的，媒质质点的密度时密时疏。根据积分原理可以把一个连续的介质看作是由许多紧密相连的微小体积元dV所组成，这样的体积元dV内的介质还可以进一步看作是集中于一点、质量为ρdV的质点。ρ为介质的密度，在声波的作用下它是随时间和位置的不同而变化的量。设体积元dV受到声波的扰动之后，压强由p0变到p1，则由声波扰动所产生的逾量压强p称为声压：p＝p1-p0。由于超声波的波长较短、频率很高，它所具有的能量很大，可使介质的质点产生显著的声压作用。

如何增强MEMS超声波换能器产生的声压强度，提升MEMS压电超声波换能器能量转换效率是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有弧形或斜面声腔的MEMS压电超声波换能器阵列，本发明能够增强MEMS超声波换能器产生的声压强度，提升MEMS压电超声波换能器能量转换效率。

实现本发明目的的具体技术方案是：