[发明专利]一种中心支撑的压电式微机械超声换能器

说明书

本发明属于微机电技术领域，具体为一种中心支撑的压电式微机械超声换能器。本发明超声换能器是由微机械超声换能器单元延拓形成的二维阵列组成；换能器单元结构包括：衬底、支撑柱、空腔、中性层和振动层；支撑柱和空腔位于同一高度，且支撑柱位于空腔中心；振动层包含弹性层、底电极层、压电层和顶电极层；弹性层通过支撑柱与衬底连接，其外沿不与支撑层或衬底硬接触或相连，可做大幅度振动。本发明在加载负载介质后，其振动特征为以中心支撑柱为支点，振动膜外沿具有较大振动自由度。本发明的振动模态具有更大的薄膜平均振幅和更高的机电耦合系数，进而实现高性能的超声波信号收发。通过设计不同支撑柱半径，改变换能器的谐振频率等特性。

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

随着超声技术的发展，气介式超声换能器的应用日趋广泛。超声在气体中的应用主要包括无损检测，如测距、测厚度以及料位监控等。在气介超声换能器中，压电式换能器是运用最广泛的一种。压电式超声换能器既可以产生超声还可以用来接收超声。压电式超声换能器的应用很多，其原因之一在超声位于人耳的听觉范围以外，第二个原因在于超声的波长较短，因此可以用较小尺寸的换能器得到比较的指向性。

空气耦合超声换能器是空气中超声检测系统的关键部件。设计空气超声换能器应考虑空气中超声检测系统的主要性能指标，其中包括最大检测距离、精度、分辨率、重复性、工作频率和带宽、声场指向性、抗干扰能力、尺寸和价格等。

采用微机械工艺，目前可以生产大批量、小尺寸的压电式微机械超声换能器，同时还极大降低了超声系统的体积和成本。压电式微机械超声换能器的基本原理在于通过压电材料的正逆压电效应使压电薄膜振动，从而发射或者接收超声波信号。传统的压电式微机械超声换能器的基本结构从下到上分别为带空腔的衬底、弹性层、底电极、压电层、顶电极。空腔上悬空区域被称为振膜。振膜的上下振动挤压负载介质形成超声波。因此，其工作模态是整个振膜的均匀上下振动。该振动模式的特性在于边缘束缚，中心振动幅度较大。这种谐振模态与厚膜压电陶瓷的厚度谐振模式相比，振动幅度较小，机电耦合效率低。因而，本发明从换能器结构创新出发，构建了新的振动模态，有助于突破传统压电式微机械换能器的性能瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于提出一种中心支撑的压电式微机械超声换能器，以实现高性能超声信号收发。

本发明提供的中心支撑的压电式微机械超声换能器，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参见图1所示，包括自下而上依次设置的：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边缘之间有一点间隔（即其边缘不与衬底1边缘硬接触或相连）。

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，并可以作为压电振动膜9的中性层，影响膜振动的弯曲模式。

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，会在压电层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。因此，当激励信号为交流电压时，可以使得振动层8产生弯曲模式的振动。而由于逆压电效应，在压电层6产生形变时，产生相应的应力，由此会在底电极5和顶电极7之间有感应电势差。因此，通过压电层6的正逆压电效应，可以将机械能与电能相互转换。