[发明专利]一种中心支撑的压电式微机械超声换能器

权利要求书

1.一种中心支撑的压电式微机械超声换能器，其特征在于，是由微机械超声换能器单元进行延拓形成的二维阵列；所述换能器单元的结构包括自下而上设置的：衬底（1）、支撑柱（2）、空腔（3）、弹性层（4）、底电极（5）、压电层（6）和顶电极（7）；其中：

所述弹性层（4）、底电极（5）、压电层（6）和顶电极（7）依次叠合组成振动层（8）；所述底电极（5）和顶电极（7）形成电极对；

所述空腔（3）为被弹性层（4）和衬底（1）所围成的空间区域；空腔（3）为振动层（8）的振动提供活动空间；

所述支撑柱（2）位于振动层（8）下方、空腔3的中心位置，且与空腔（3）处于同一高度，为振动层（8）提供支撑和约束，是振动层（8）振动的重要边界条件，决定了其振动模式；

所述弹性层（4）通过位于其中心的支撑柱（2）与衬底（1）连接，且弹性层（4）的边缘与围成空腔（3）的衬底（1）边缘之间有一定间隔；

所述弹性层（4）位于底电极（5）下方；弹性层（4）为薄膜提供机械支撑，并作为压电振动膜（9）的中性层，影响膜振动的弯曲模式。

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，所述压电层（6）位于底电极（5）和顶电极（7）之间，其压电效应通过在底电极（5）和顶电极（7）之间的电激励信号来激发；由于压电效应，在底电极（5）和顶电极（7）之间施加电压，在压电层（6）中产生水平方向的应力；由于下面的弹性层（4），该应力将导致压电层（6）产生弯曲形变；当激励信号为交流电压时，使得振动层（8）产生弯曲模式的振动；由于逆压电效应，在压电层（6）产生形变时，产生相应的应力，由此在底电极（5）和顶电极（7）之间有感应电势差；通过压电层（6）的正逆压电效应，实现机械能与电能相互转换；

振动层（8）通过与负载介质的作用，最终将电能转换为声能，或者将声能转换为电能。

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，所述换能器单元整体为圆形，其组成部件衬底（1）、振动层（8）、空腔（3）均呈圆形。

4.根据权利要求3所述的压电式微机械超声换能器，其特征在于，所述衬底（1）的材料为硅或二氧化硅，其厚度为100-300μm。

5.根据权利要求3所述的压电式微机械超声换能器，其特征在于，所述支撑柱（2）位于振动层（8）中心，形状为圆柱或方柱，其半径小于振动层（8）；所述支撑柱（2）的半径为1～50μm，其高度为0.1～10μm；所述支撑柱（2）由绝缘材料制成。

6.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，所述压电层（6）的压电材料选自PZT、PVDF、AlN、掺杂AlN、ScAlN中的至少一种；所述弹性层（4）的材料是硅。

7.根据权利要求3所述的压电式微机械超声换能器，其特征在于，所述空腔（3）为环形，内径等于支撑柱（2），外径大于振动层（8）；空腔（3）高度为0.1～10μm。

8.根据权利要求3所述的压电式微机械超声换能器，其特征在于，所述弹性层（4）厚度为1～10μm，半径为10～100μm。

9.根据权利要求3所述的压电式微机械超声换能器，其特征在于，所述底电极（5）和顶电极（7）的材料为导电金属，其厚度为0.1～0.5μm，其半径等于或小于弹性层（4）。

10.根据权利要求1-9之一所述的压电式微机械超声换能器，其特征在于，还包括如下结构变形：

变形结构一：支撑柱2和振动膜8的形状为方形或长方形；支撑柱2把空腔3从中线分割为两半；振动膜8的左右外沿不与其他结构硬接触或相连；

变形结构二：对底电极5、压电层6和顶电极7图形化刻蚀，形成与弹性层4同心的环形叠层；压电层6中压电材料产生的应力作用于振动层8的外圈区域；由于振动层8的外圈区域所受约束更小，更容易振动，因此直接作用于此区域可以实现更高的机电转换效率；

变形结构三：在空腔3底部引入静电电极9；静电电极9为与支撑柱同心的环状结构；通过在静电电极9上施加直流偏置电压，由于静电电极9和底电极5之间的静电力作用，可以调节振动层8的静态形变；通过在静电电极9上施加交流激励里，由于静电电极9和底电极5之间的静电力作用，进一步优化振动层8的振动模态，提高换能器的灵敏度和带宽；

变形结构四：支撑柱2采用压电材料，衬底1采用导电掺杂的低阻硅；此时，衬底1既作为静电电极，还作为压电支撑柱2的激励电极；通过在导电的衬底1上施加电压信号，调节支撑柱2的高度，使得换能器拥有更丰富的工作模式。