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一种双谐振模式耦合的微机械压电 超 声波换能器

阅读：554发布：2020-05-12

专利汇可以提供一种双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器。换能器设有基底、结构层、底电极、压电层、上电极。换能器工作原理是利用正、逆压电效应实现机械能到电能或电能到机械能的转换。本实用新型在结构层上将振膜应力符号相反的两个部分划分为内外两个区域，其中内部区域采用边界固支的薄膜振动形式,外部区域采用单端固支的悬臂梁振动模式。通过对外部悬臂梁的几何尺寸的改变实现对其谐振频率的调节，从而选择性地实现：(1)当内部膜和外部梁的谐振频率相同时，可提高换能器的发射灵敏度；(2)当内部膜和外部梁的谐振频率差在-3dB内时，可以增大换能器的带宽；(3)当内部膜和外部梁的谐振频率差很大时，可实现双谐振频率振动。(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利，下面是一种双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器，其特征在于：包括基底(4)、底电极(3)、压电层(2)和上电极(1)，基底(4)背面中间部分开设槽形空腔，使基底(4)正面形成弹性结构层(41)，槽形空腔周边的基底(4)作为弹性结构层(41)的固定端；弹性结构层(41)的正面依次堆叠底电极(3)、压电层(2)和上电极(1)，与弹性结构层(41)共同构成振动薄膜(00)；底电极(3)覆盖基底(4)正面；在弹性结构层(41)上以振膜应力正负交界线为边界划分为内外两个区域，其中外部区域(B)的弹性结构层(41)通过镂空形成若干成对的锚端和悬臂梁，内部区域(A)四周通过锚端悬空固定于基底(4)上，形成边界固支的薄膜振动形式；
所述的外部区域(B)中，悬臂梁一一对应固定在锚端上，形成单端固支的悬臂梁振动模式，每条悬臂梁末端通过连接梁与内部区域(A)中的薄膜耦合。
2.根据权利要求1所述的双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器，其特征在于：所述的弹性结构层(41)和内部区域(A)均呈圆形，外部区域(B)呈圆环形，每个所述的锚端呈矩形，若干锚端均匀分布在内部区域(A)的圆周方向，所述的悬臂梁呈圆弧形，一端固定在锚端上。
3.根据权利要求2所述的双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器，其特征在于：所述的振膜应力正负交界线为以弹性结构层(41)中心为圆心，以弹性结构层(41)半径的0.65倍为半径的圆。
4.根据权利要求1所述的双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器，其特征在于：所述的基底(4)的厚度为200μm～1mm。
5.根据权利要求1所述的双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器，其特征在于：所述的振动薄膜(00)的厚度为5～10μm，半径为100μm～1mm。
6.根据权利要求1所述的双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器，其特征在于：所述的基底(4)和弹性结构层(41)为半导体材料硅。
7.根据权利要求1所述的双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器，其特征在于：所述的槽形空腔通过在基底(4)背面选择性刻蚀形成；所述的锚端和悬臂梁通过在弹性结构层(41)上进一步刻蚀而成。
8.根据权利要求1所述的双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器，其特征在于：所述的压电层(2)中的压电材料为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷。
9.根据权利要求1所述的双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器，其特征在于：所述的底电极(3)为硼掺杂的硅，或金属材料金、铂、铝或锡。
10.根据权利要求1所述的双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器，其特征在于：
所述的上电极(1)为金属材料金、铂、铝或锡。

说明书全文

一种双谐振模式耦合的微机械压电超 声波换能器

技术领域

[0001] 本实用新型属于微机电系统(MEMS)技术领域中的换能器领域，特别是涉及一种具有大带宽、高发射灵敏度及双频激励模式的压电超声波换能器。

背景技术

[0002] 压电超声波换能器是一种既可以将电能转换为机械能，又可以将机械能转化为电能的集收发超声波为一体的器件。传统的超声波换能器采用机械加工的方式，其体积大、功耗高、不利于集成化，且由于其声阻抗与常见声传递介质(空气、水)不匹配，其声发射效率较低。结合微机电系统技术采用的微制造工艺加工出的微机械压电超声波换能器则有效的克服了上述缺点。微机械压电超声波换能器采用薄膜柔性振动模式，其声阻抗与声传递介质的阻抗较为匹配，但限于压电材料的有限的压电性能及相对于微机械电容式超声波换能器较厚的振膜，微机械压电超声波换能器的发射灵敏度及带宽仍需进一步优化。本实用新型所设计的双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器可选择性的增大发射灵敏度、拓宽换能器带宽或拥有双频谐振激励工作模式，在医学成像的应用上具有更大的优势。发明内容

[0003] 本实用新型的目的在于解决现有技术中存在的带宽及灵敏度不高的问题，并提供一种双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器。

[0004] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0005] 双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器，其包括基底、底电极、压电层和上电极，基底背面中间部分开设槽形空腔，使基底正面形成弹性结构层，槽形空腔周边的基底作为弹性结构层的固定端；弹性结构层的正面依次堆叠底电极、压电层和上电极，与弹性结构层共同构成振动薄膜；底电极覆盖基底正面；在弹性结构层上以振膜应力正负交界线为边界划分为内外两个区域，其中外部区域的弹性结构层通过镂空形成若干成对的锚端和悬臂梁，内部区域四周通过锚端悬空固定于基底上，形成边界固支的薄膜振动形式；所述的外部区域中，悬臂梁一一对应固定在锚端上，形成单端固支的悬臂梁振动模式，每条悬臂梁末端通过连接梁与内部区域中的薄膜耦合。

[0006] 换能器作为发射端时，通过在上、底电极施加交变电压利用逆压电效应驱动振膜做平面外振动，从而产生超声波；作为接收端时，利用正压电效应将在外部超声波激励下引起的振膜振动转化为电信号输出。

[0007] 作为优选，所述的弹性结构层和内部区域均呈圆形，外部区域呈圆环形，每个所述的锚端呈矩形，若干锚端均匀分布在内部区域的圆周方向，所述的悬臂梁呈圆弧形，一端固定在锚端上。

[0008] 作为优选，所述弹性结构层上的振膜应力正负交界线为以弹性结构层中心为圆心，以弹性结构层半径的0.65倍为半径的圆。

[0009] 作为优选，所述的基底的厚度为200μm～1mm。

[0010] 作为优选，所述的振动薄膜的厚度为5～10μm，半径为100μm～1mm。

[0011] 作为优选，所述的基底和弹性结构层为半导体材料硅。

[0012] 作为优选，所述的槽形空腔通过在基底背面选择性刻蚀形成。

[0013] 作为优选，所述的锚端和悬臂梁通过在弹性结构层上进一步刻蚀而成。

[0014] 作为优选，所述的压电层中的压电材料为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷。

[0015] 作为优选，所述的底电极为硼掺杂的硅，或金属材料金、铂、铝或锡。

[0016] 作为优选，所述的上电极为金属材料金、铂、铝或锡。

[0017] 作为优选，所述的内部区域的半径为0.63R，外部区域为0.65R-R之内，R为弹性结构层的半径。内部区域和外部区域的厚度与弹性结构层的厚度一致，其中悬臂梁的长度及宽度可根据需要的谐振频率进行调节。

[0018] 本实用新型的换能器工作原理是利用正、逆压电效应实现机械能到电能或电能到机械能的转换。在内部膜的谐振频率随振膜尺寸固定而固定的情况下，通过对外部悬臂梁的几何尺寸的改变实现对其谐振频率的调节，从而实现：(1)当内部膜和外部梁的谐振频率相同时，可提高换能器的发射灵敏度；(2)当内部膜和外部梁的谐振频率差在-3dB内时，可以增大换能器的带宽；(3)当内部膜和外部梁的谐振频率差很大时，可实现双谐振频率振动。附图说明

[0019] 下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明

[0020] 图1是本实用新型中双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器的结构示意图；

[0021] 图2是弹性结构层上内部区域和外部区域的划分示意图；

[0022] 图3是图1的剖面示意图；

[0023] 图4是图3中虚线框C的局部放大图；

[0024] 图中：上电极1、压电层2、底电极3、基底4、弹性结构层41、振动薄膜00。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步阐述和说明。本实用新型中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

[0026] 如图1～4所示，双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器，其主要包括基底4、底电极3、压电层2和上电极1。通过在圆形的基底4背部选择性刻蚀出一个槽形空腔，使基底4正面形成一定厚度的圆形弹性结构层41，弹性结构层41周边未被刻蚀的部分基底4形成固定端。弹性结构层41的正面由下至上依次堆叠底电极3、压电层2和上电极1，底电极3、压电层2和上电极1与弹性结构层41共同构成振动薄膜00。其中，底电极3完全覆盖基底4正面，在底电极3和弹性结构层41上，通过刻蚀的方式将振动薄膜00的应力符号相反的两个部分划分为内外两个区域，即以振膜应力正负交界线为界限分为内部区域A和外部区域B。振膜应力正负交界线是为以弹性结构层41的中心点为圆心，半径为0.65R的圆，R为弹性结构层41的半径，因此内部区域A呈圆形，外部区域B呈圆环形，两者同心。为了实现本实用新型的效果，内部区域A需要采用边界固支的薄膜振动形式,外部区域B需要采用单端固支的悬臂梁振动模式。因此，需要对弹性结构层41进行进一步的刻蚀使其镂空出若干悬臂梁结构，而为了保证内部区域A的悬空振动，在对弹性结构层41进行镂空时还应当保留若干锚端。最终在外部区域B的弹性结构层41上镂空形成若干成对的锚端和悬臂梁，图中示出了4对锚端和悬臂梁的形式。内部区域A四周通过4条均匀布置的矩形锚端悬空固定于基底4上，形成边界固支的薄膜振动形式。而外部区域B中的悬臂梁呈与内部区域A边缘同步弯曲的圆弧形，悬臂梁一一对应固定在锚端上，形成单端固支的悬臂梁振动模式。每条悬臂梁的另一端通过连接细梁连接内部区域A的边缘，与内部区域A中的薄膜耦合，由于内部区域A也是振动的，因此其依然保持单端固支形式。内部区域A与外部区域B之间，除了锚端和悬臂梁的另一端具有部分接触外，其余位置应当通过镂空保持一定间距，图中悬臂梁的弧形内边与内部区域A的外边缘之间保持等宽度的间距。

[0027] 底电极3、压电层2和上电极1在每条悬臂梁上以及内部区域A上均进行布置。在换能器作为发射端时，通过在上、底电极施加交变电压利用逆压电效应驱动振膜做平面外振动，从而产生超声波；作为接收端时，利用正压电效应将在外部超声波激励下引起的振膜振动转化为电信号输出。在内部膜的谐振频率随振膜尺寸固定而固定的情况下，通过对外部悬臂梁的几何尺寸(包括悬臂梁的数量、悬臂梁的长度和宽度)的改变实现对其谐振频率的调节，从而实现三种不同的功能：(1)当内部膜和外部梁的谐振频率相同时，可提高换能器的发射灵敏度；(2)当内部膜和外部梁的谐振频率差在-3dB内时，可以增大换能器的带宽；(3)当内部膜和外部梁的谐振频率差很大时，可实现双谐振频率振动。

[0028] 另外，本实施例中，各部件的结构参数可以选择如下：上电极1材料为铝电极，厚度为1μm；压电层2材料为氮化铝，厚度为0.5μm。图1～4中为了区分显示上电极和压电层，故将压电层的内边和外边进行了适度的延伸，但本实施例中上电极1和压电层2的内、外边缘实际在垂直方向上完全重合。底电极3材料为表面硼掺杂的硅，厚度可忽略不计，当然也可以采用金属材料如金、铂、铝或锡等。基底4材料为半导体硅，厚度为400μm，通过从背部选择性刻蚀部分硅来释放振膜00，刻蚀后形成的弹性结构层41的厚度为5μm，半径R为250μm。弹性结构层41以振膜应力正负交界线0.65R为边界划分为内外两个区域，从边界开始向内进行环向的部分镂空分隔两个区域，内部区域A的半径为0.63R，外部悬臂梁所在外部区域B位于0.65R-R之间，外部区域B的外边缘也应当进行环向的部分镂空，与基底4固定端进行分隔，仅保留锚端连接。整个超声波换能器的各层部件均同心布置。

[0029] 本实用新型所提出一种双谐振模式耦合的微机械压电超声波换能器，通过采用内部膜及外部梁双谐振模式，可选择性的增大发射灵敏度、拓宽换能器带宽或拥有双频谐振激励工作模式。

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