一种压电微机械超声换能器
阅读：189发布：2020-05-12
专利汇可以提供一种压电微机械超声换能器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种压电微机械超 声换能器 ，包括第一 电极 (11)、第二电极(12)、第三电极(13)、第一压电层(14)、第二压电层(15)，其中，所述第一压电层(14)设置于所述第一电极(11)和所述第二电极(12)之间；所述第二压电层(15)设置于所述第二电极(12)和所述第三电极(13)之间；所述第一压电层(14)包括第一压电材料；以及所述第二压电层(15)包括第二压电材料。根据本发明的技术方案，可以实现在提高 信号 发射阶段机电耦合系数的同时，降低接收阶段信号本底噪声，最终提高 信噪比 。，下面是一种压电微机械超声换能器专利的具体信息内容。
1.一种压电微机械超声换能器，包括第一电极、第二电极、第三电极、第一压电层、第二压电层，其中，
所述第一压电层设置于所述第一电极和所述第二电极之间；
所述第二压电层设置于所述第二电极和所述第三电极之间；
所述第一压电层包括第一压电材料；以及
所述第二压电层包括第二压电材料。
2.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器，其中，
所述第一压电材料与所述第二压电材料的压电系数不同。
3.根据权利要求2所述的压电微机械超声换能器，其中，
所述第一压电材料的压电系数大于所述第二压电材料的压电系数。
4.根据权利要求2或3所述的压电微机械超声换能器，其中，
所述第一压电材料选自PZT、PVDF中的至少一种。
5.根据权利要求2或3所述的压电微机械超声换能器，其中，
所述第二压电材料选自AlN、掺杂AlN、ScAlN中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器，其中，
所述第一压电层与所述第二压电层分别设置于所述第二电极的上下两侧。
7.根据权利要求6所述的压电微机械超声换能器，其中，
所述第一压电层的横截面的长度短于所述第二压电层的横截面的长度。
8.根据权利要求6所述的压电微机械超声换能器，其中，
所述第一压电层的横截面的长度与所述第二压电层的横截面的长度相同，且与所述第二电极的横截面长度相同。
9.根据权利要求6所述的压电微机械超声换能器，其中，
所述第一压电层的横截面的长度与所述第二压电层的横截面的长度相同，且短于所述第二电极的横截面长度。
10.根据权利要求6所述的压电微机械超声换能器，其中，
所述第二压电层为中空的环形结构；
所述第一压电层位于所述第二压电层的中空位置的上方。
11.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器，其中，
所述第一压电层与所述第二压电层设置于所述第二电极的同一侧。
12.根据权力要求11所述的压电微机械超声换能器，其中，
所述第二压电层为中空的环形结构；
所述第一压电层位于所述第二压电层的中间，且与所述第二压电层隔开。
13.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器，还包括包层、锚定结构、空腔，所述包层包裹所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极、所述第一压电层以及所述第二压电层；
所述锚定结构设置于所述包层的下部；
所述空腔设置于所述包层的下部并位于所述锚定结构的中间。
14.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器，还包括第一开关、第二开关、第三开关，其中，
所述第一开关的一端与所述第一电极和输入端子连接，所述第一开关的另一端与所述第三电极连接；
所述第二开关的一端与所述第三电极连接，所述第二开关的另一端与输出端子连接；
所述第三开关的一端与所述第二电极连接，所述第三开关的另一端接地。
15.根据权利要求14所述的压电微机械超声换能器，其中，
所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关配置为：
当发送信号时，所述第一开关和所述第三开关均闭合，所述第二开关断开，以连通所述第一压电层与所述第二压电层并联的电路路径；
当接收信号时，所述第二开关闭合，所述第一开关和所述第三开关均断开，以连通所述第一压电层与所述第二压电层串联的电路路径。
16.根据权利要求14所述的压电微机械超声换能器，还包括第四开关，所述第四开关连接于所述第一开关的一端和所述第一电极之间。
17.根据权利要求14所述的压电微机械超声换能器，还包括第五开关，所述第五开关连接于所述输入端子和所述输出端子之间，用于所述输入端子和所述输出端子的端口转换。
一种压电微机械超声换能器
技术领域
[0001] 本发明总体涉及换能器领域，更具体地，涉及一种压电微机械超声换能器技术。
背景技术
[0002] 压电微机械超声换能器pMUT是采用微电子和微机械加工制作的新型超能换能器，与传统换能器相比，具有体积小、功耗低、可靠性高、灵敏度高等优点。现有的pMUT在信号发射阶段为了提高机电耦合系数，以提高换能效率，需要选择具有较高压电系数的材料；但是通常具有较高压电系数的材料也具有较高的介电常数，从而产生较高的静态电容，导致pMUT在信号接收阶段的本底噪声较大，从而降低换能器整体信噪比。而如果选择具有较低压电系数的材料，虽然降低了pMUT在信号接收阶段的本底噪声，但是影响了该pMUT在信号发射阶段的换能效率。
发明内容
[0004] 本发明提供的一种压电微机械超声换能器，包括第一电极、第二电极、第三电极、第一压电层、第二压电层，其中，所述第一压电层设置于所述第一电极和所述第二电极之间；所述第二压电层设置于所述第二电极和所述第三电极之间；所述第一压电层包括第一压电材料；以及所述第二压电层包括第二压电材料。
[0005] 在一个实施例中，所述第一压电材料与所述第二压电材料的压电系数不同。
[0006] 在另一个实施例中，所述第一压电材料的压电系数大于所述第二压电材料的压电系数。
[0007] 在又一个实施例中，所述第一压电材料选自PZT、PVDF中的至少一种。
[0008] 在一个实施例中，所述第二压电材料选自AlN、掺杂AlN、ScAlN中的至少一种。
[0009] 在另一个实施例中，所述第一压电层与所述第二压电层分别设置于所述第二电极的上下两侧。
[0010] 在又一个实施例中，所述第一压电层的横截面的长度短于所述第二压电层的横截面的长度。
[0011] 在一个实施例中，所述第一压电层的横截面的长度与所述第二压电层的横截面的长度相同，且与所述第二电极的横截面长度相同。
[0012] 在另一个实施例中，所述第一压电层的横截面的长度与所述第二压电层的横截面的长度相同，且短于所述第二电极的横截面长度。
[0013] 在又一个实施例中，所述第二压电层为中空的环形结构；所述第一压电层位于所述第二压电层的中空位置的上方。
[0014] 在一个实施例中，所述第一压电层与所述第二压电层设置于所述第二电极的同一侧。
[0015] 在另一个实施例中，所述第二压电层为中空的环形结构；所述第一压电层位于所述第二压电层的中间，且与所述第二压电层隔开。
[0016] 在又一个实施例中，还包括包层、锚定结构、空腔，所述包层包裹所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极、所述第一压电层以及所述第二压电层；所述锚定结构设置于所述包层的下部；所述空腔设置于所述包层的下部并位于所述锚定结构的中间。
[0017] 在一个实施例中，还包括第一开关、第二开关、第三开关，其中，所述第一开关的的一端与所述第一电极和输入端子连接，所述第一开关的另一端与所述第三电极连接；所述第二开关的一端与所述第三电极连接，所述第二开关的另一端与输出端子连接；所述第三开关的一端与所述第二电极连接，所述第三开关的另一端接地。
[0018] 在另一个实施例中，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关配置为：当发送信号时，所述第一开关和所述第三开关均闭合，所述第二开关断开，以连通所述第一压电层与所述第二压电层并联的电路路径；当接收信号时，所述第二开关闭合，所述第一开关和所述第三开关均断开，以连通所述第一压电层与所述第二压电层串联的电路路径。
[0019] 在又一个实施例中，还包括第四开关，所述第四开关连接于所述第一开关的一端和所述第一电极之间。
[0020] 在一个实施例中，还包括第五开关，所述第五开关连接于所述输入端子和所述输出端子之间，用于所述输入端子和所述输出端子的端口转换。
[0021] 通过上述对本发明的方案及其多个实施例的描述，本领域技术人员可以理解本发明的使用混合压电材料配置的一种压电微机械超声换能器，可以克服现有技术中使用一种压电材料导致的机电耦合系数低或者信噪比低的缺陷，能够在信号发射和接收阶段切换不同的电路，从而在提高信号发射阶段机电耦合系数的同时，降低信号接收阶段的本底噪声，提高换能器整体信噪比。附图说明
[0022] 通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分其中：
[0023] 图1是示出了根据本发明的压电微机械超声换能器的示意图；
[0024] 图2-图5是示出根据本发明的第一压电层和第二压电层分别设置于第二电极两侧的不同实施例的示意图；
[0025] 图6-图7是示出根据本发明的第一压电层和第二压电层设置于第二电极同一侧的不同实施例的示意图；
[0026] 图8是示出根据本发明的设置有第一开关、第二开关和第三开关的压电微机械超声换能器示意图；
[0027] 图9-图10是示出根据图8所示的实施例在信号发射和信号接收时的电路示意图；
[0028] 图11是示出根据本发明的设置有第四开关的压电微机械超声换能器示意图；
[0029] 图12是示出根据本发明的设置有第五开关的压电微机械超声换能器示意图；以及[0030] 图13是示出了换能器在信号接收时典型的放大电路示意图。
具体实施方式
[0031] 现在将参考附图描述实施例。应当理解，为了说明的简单和清楚，在认为合适的情况下，可以在附图中重复附图标记以指示对应或类似的元件。另外，本申请阐述了许多具体细节以便提供对本文所述实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本文描述的实施例。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、过程和组件，以免模糊本文描述的实施例。而且，该描述不应被视为限制本文描述的实施例的范围。
[0032] 如前所述，本发明针对现有技术的不足，提供了一种混合压电材料配置的压电微机械超声换能器(pMUT)，解决了现有技术中采用一种压电材料无法兼顾高机电耦合系数和高信噪比的问题。具体地，可以利用不同压电材料的性质，通过改变其连接方式，例如根据本发明的pMUT的第一压电材料和第二压电材料的连接方式，从而改变在信号发射阶段(TX阶段)和信号接收阶段(RX阶段)的电路路径，使得在TX阶段优化pMUT机电耦合系数，同时在RX阶段能够降低本底噪声并改善信噪比(SNR)。
[0033] 下面将结合附图来具体地描述本发明的各种实施例。
[0034] 图1是示出了根据本发明的压电微机械超声换能器的示意图。
[0035] 如图1所示，提供了一种压电微机械超声换能器，为层状结构，包括第一电极11、第二电极12、第三电极13、第一压电层14、第二压电层15，其中，第一电极11、第二电极12、第三电极13，用于连通电路路径；第一压电层14设置于第一电极11和第二电极12之间；第二压电层15设置于第二电极12和第三电极13之间。如图1中所示，第一压电层14与第二压电层15可以分别设置于第二电极12的两侧，也可以如图6中所示，第一压电层14与第二压电层15设置于第二电极12的同一侧。即，第一压电层14和第二压电层15之间的位置关系可以根据需要进行灵活设置，在以下实施例中将会具体举例说明。
[0036] 根据本发明的实施例，第一压电层14包括第一压电材料，第二压电层15包括第二压电材料。压电材料是指受到压力作用时会在两端面间出现电压的材料，利用压电材料的这些特性可实现机械振动和交流电的互相转换，因此，压电材料的性质决定了换能器的换能效率。根据需要进行选择，第一压电材料与第二压电材料的压电系数可以相同，也可以不同。第一压电材料与第二压电材料可以是相同的材料，也可以是不同的材料。第一压电材料和第二压电材料均可以选自于锆钛酸铅压电陶瓷PZT、聚偏氟乙烯PVDF、氮化铝AlN、各种掺杂的氮化铝AlN(例如钪掺杂氮化铝ScAlN)等材料中的至少一种。其中，PZT、PVDF具有较高的压电系数，AlN、ScAlN具有较低的压电系数。
[0037] 根据本发明的实施例，第一压电材料的压电系数可以大于第二压电材料的压电系数。其中，第一压电材料可以选自压电系数较大的PZT、PVDF等中的至少一种。第二压电材料可以选自压电系数较小的AlN、各种掺杂AlN、ScAlN等中的至少一种。例如，可以包括以下组合形式：第一压电材料为PZT、第二压电材料为AlN；第一压电材料为PZT、第二压电材料为掺杂AlN(例如ScAlN)；第一压电材料为PVDF、第二压电材料为AlN；第一压电材料为PVDF、第二压电材料为掺杂AlN(例如ScAlN)等。其中，优选方案组合为：第一压电材料为PZT，第二压电材料为低掺杂度的ScAlN。一般来说低掺杂度的ScAlN(掺杂浓度小于等于20％)，其介电常数接近于无掺杂的AlN，但是压电系数却几倍于无掺杂的AlN材料，因此，与第一压电材料PZT搭配可以提高机电耦合系数的同时，获得更低的本底噪声和更高的信噪比。
[0038] 另外，需要说明的是，图1中虽然作为示例仅示出了两层压电层，但在实际应用中，可以根据需要增加压电层层数，以及选择相同或者不同的压电材料。
[0039] 需要理解的是，图1仅仅示出了上述第一压电层14和第二压电层15之间通用的位置关系，以下将结合图2-图5对第一压电层14与第二压电层15分别设置于第二电极12的上下两侧的结构进行举例说明。需要说明的是，所述“上”和“下”的位置相对关系仅仅是参考图示所做出的，在实际应用中，可以根据需要灵活地调整第一压电层14和第二压电层15等的相对位置。
[0040] 如图2所示，提供的一种压电微机械超声换能器的结构中，第一压电层14设置于第二电极12的上侧，第一电极11设置于第一压电层14的上侧，第二压电层15设置于第二电极12的下侧，第三电极13设置于第二压电层15的下侧，第一压电层14的横截面的长度短于第二压电层15的横截面的长度。从第二电极12的俯视方向观察，第一压电层14的形状可以是圆形、正方形、长方形等；从第二电极12的仰视方向观察，第二压电层15的形状可以是圆形、正方形、长方形等。二者的形状可以相同，也可以不同。第一电极11、第二电极12以及第三电极13可以是平行的。第一电极11的横截面长度可以短于第一压电层14的横截面长度，第三电极13的横截面长度可以短于第二压电层15的横截面长度。
[0041] 如图3所示，提供的一种压电微机械超声换能器的结构中，第一压电层14设置于第二电极12的上侧，第一电极11设置于第一压电层14的上侧，第二压电层15设置于第二电极12的下侧，第三电极13设置于第二压电层15的下侧，与图2的区别在于，第一压电层14的横截面的长度与第二压电层15的横截面的长度相同，且与第二电极12的横截面长度相同。
[0042] 如图4所示，提供的一种压电微机械超声换能器的结构中，第一压电层14设置于第二电极12的上侧，第一电极11设置于第一压电层14的上侧，第二压电层15设置于第二电极12的下侧，第三电极13设置于第二压电层15的下侧，与图2的区别在于，第一压电层14的横截面的长度与第二压电层15的横截面的长度相同，且短于第二电极12的横截面长度。
[0043] 如图5所示，提供的一种压电微机械超声换能器的结构中，第二压电层15设置于第二电极12的下侧，且从第二电极12的仰视方向观察，第二压电层15为中空的环形结构；第一压电层14设置于第二电极12的上侧，且位于第二压电层15的中空位置的上方，第一电极11设置于第一压电层14的上侧。而设置于第二压电层15的下侧的第三电极13可以为中空的环形结构，也可以是非闭合的结构。
[0044] 根据本发明的实施例，根据本发明的压电微机械超声换能器还可以包括包层21、锚定结构22、空腔23，其中，包层21包裹第一电极11、第二电极12、第三电极13、第一压电层14以及第二压电层15，以起到保护作用；锚定结构22设置于包层21的下部，以支撑包层21及其内部构件；空腔23设置于包层21的下部并位于锚定结构22的中间。锚定结构22可以分隔设置，也可以设置为围绕空腔23一圈的中空结构等。锚定结构22还可以设置为将空腔23包裹其中。需要理解的是，上述包层21、锚定结构22以及空腔23，可以应用于图2-图5的实施例中，还可以与根据本发明的任何一种由第一电极11、第二电极12、第三电极13、第一压电层
14以及第二压电层15构成的结构进行组合，形成本发明的实施例。另外，当上述包层21、锚定结构22、空腔23应用到如图5所示的结构中时，由于锚定结构22的存在，第三电极13的横截面的长度较短，以避开锚定结构22与包层21的连接部分。
14以及第二压电层15构成的结构进行组合，形成本发明的实施例。另外，当上述包层21、锚定结构22、空腔23应用到如图5所示的结构中时，由于锚定结构22的存在，第三电极13的横截面的长度较短，以避开锚定结构22与包层21的连接部分。
[0045] 上面结合图2-图5描述了第一压电层14和第二压电层15设置于第二电极12两侧的方案及其多个实施例，以下将结合图6-图7对第一压电层14和第二压电层15设置于第二电极12同一侧的实施例进行具体说明。
[0046] 如图6中所示，提供的一种压电微机械超声换能器的结构中，第一压电层14与第二压电层15隔开设置于第二电极12的上侧，第一电极11设置于第一压电层14的上侧，第三电极13设置于第二压电层15的上侧，且第一电极11与第二电极12也隔开。第一电极11、第二电极12以及第三电极13可以是平行的。从第二电极12的俯视方向观察，第一压电层14的形状可以是圆形、正方形、长方形等，第二压电层15的形状可以是圆形、正方形、长方形等。第一压电层14和第二压电层15的形状可以相同，也可以不同。根据本实施例，由于第一压电层14和第二压电层15设置于第二电极12的同一侧，因此这样的结构设置有利于减小pMUT的尺寸，使pMUT制造的更薄。
[0047] 如图7所示，提供的一种压电微机械超声换能器的结构中，第一压电层14与第二压电层15隔开设置于第二电极12的上侧，第一电极11设置于第一压电层14的上侧，第三电极13设置于第二压电层15的上侧，且第一电极11与第二电极12也隔开。从第二电极12的俯视方向观察，第二压电层15为中空的环形结构；第一压电层14位于第二压电层15的中间，且与第二压电层15隔开。
[0048] 图7中还示例性的包括了包层21、锚定结构22、空腔23的结构设置，与图2-图5中的包层21、锚定结构22、空腔23的设置相同或相近，进一步说明了包层21、锚定结构22、空腔23可以应用到第一压电层14和第二压电层15设置于第二电极12的同一侧的配置。由于前述内容已经对包层21、锚定结构22、空腔23进行了详细说明，此处不再赘述。
[0049] 需要说明的是，虽然图6-图7对第一压电层14和第二压电层15设置于第二电极12的上侧进行了示例性说明，但不是对本发明的限制，本领域技术人员可以理解第一压电层14和第二压电层15也可以设置于第二电极12的下侧。
[0050] 上面结合图6-图7描述了第一压电层14和第二压电层15设置于第二电极12同一侧的方案及其多个实施例，本领域技术人员可以理解，第一压电材料14和第二压电材料15的相对位置关系可以根据需要灵活设置，且设置于同一侧更有利于减小pMUT的尺寸，使其制造的更薄。以下将结合图8-图12对改变第一压电层14和第二压电层15的连接关系的实施例进行描述。
[0051] 图8是示出根据本发明的设置有第一开关、第二开关和第三开关的压电微机械超声换能器示意图。
[0052] 如图8所示，根据本发明的压电微机械超声换能器的结构中，还可以包括第一开关81、第二开关82、第三开关83。第一开关81、第二开关82以及第三开关83可以是以机械开关装置、开关电路或者软件等的形式实现。其中，第一开关81的的一端与第一电极11和输入端子84连接，输入端子84是指电流可以流入的一端，从输入端子84流入的电流可以流经第一电极11和第一开关81。第一开关81的另一端与第三电极13连接。即，当第一开关81闭合时，从输入端子84流入的电流分为两路，一路可以直接流向第一电极11，另一路可以经过第一开关81流向第三电极13；当第一开关81断开时，从输入端子84流入的电流无法通过第一开关81的路径流向第三电极13，只有流向第一电极11的路径。
[0053] 第二开关82的一端与第三电极13连接，也相当于同时与第一开关81的另一端连接。第二开关82的另一端与输出端子85连接，输出端子85是指电流可以流出的一端。即，当第二开关82闭合时，流经第三电极13和第一开关81闭合时流经第一开关81的电流均可以从输出端子85流出；当第二开关82断开时，没有电流从输出端子85流出。
[0054] 第三开关83的一端与第二电极12连接，第三开关83的另一端接地。即，当第三开关83闭合时，从第一电极11通过第一压电层14流向第二电极12以及从第三电极13通过第二压电层15流向第二电极12的电流均可以经第三开关83流出；当第三开关83断开时，流经第二电极12的电流无法流经第三开关83，只能通过第二压电层15流向第三电极13。
[0055] 因此，通过控制第一开关81、第二开关82以及第三开关83的闭合和断开，可以改变电路路径。另外，图8虽然作为示例示出了第一压电层14和第二压电层15设置于第二电极12的两侧的结构，但是不限于此，本领域技术人员可以理解对于包括前述第一压电层14和第二压电层15设置于第二电极12的同一侧等结构，也同样适用于第一开关、第二开关和第三开关的设置。下面结合图9和图10的电路示意图对信号发射阶段和信号接收阶段的第一开关81、第二开关82以及第三开关83的控制进行具体说明。
[0056] 如图9所示，根据图8所示的第一开关81、第二开关82以及第三开关83的连接关系，在信号发射阶段，第一开关81、第二开关82、第三开关83配置为：第一开关81和第三开关83均闭合，第二开关82断开，以连通第一压电层14与第二压电层15并联的电路路径。根据这样的配置，电路路径为，电流经输入端子84流入，分为两条路径，一条为依次流经第一电极11、第一压电层14和第二电极12，流向第三开关83；另一条为依次流经第三电极13、第二压电层15和第二电极12，流向第三开关83。由于第一压电层14与第二压电层15形成并联的电路路径，因此，机电耦合系数将增大。
[0057] 如图10所示，根据图8所示的第一开关81、第二开关82以及第三开关83的连接关系，在信号接收阶段，第一开关81、第二开关82、第三开关83配置为：第二开关82闭合，第一开关81和第三开关83均断开，根据这样的配置，电路路径为，电流经输入端子84流入，依次流经第一电极11、第一压电材料14、第二电极12、第二压电材料15以及第三电极13，流向第二开关82，第一压电层14与第二压电层15形成串联的电路路径。
[0058] 上文中描述了第一压电层14与第二压电层15形成并联或者串联的电路路径，可以理解的是，还可以实现单独连通第一压电层14的电路路径，例如通过第一开关81和第二开关82均断开同时第三开关83闭合的方式实现；还可以实现单独连通第二压电层15的电路路径，例如增加第四开关或/和第五开关等，下面将结合图11-图12对实现单独连通第二压电层15的电路路径的实施例进行描述。
[0059] 图11是示出根据本发明的设置有第四开关的压电微机械超声换能器示意图。通过前文和下面的描述，本领域技术人员可以理解图11所示的结构可以实现单独连通第二压电层15的电路路径。
[0060] 如图11所示，本实施例与图8中所示结构的区别在于，在输入端子84和第一电极11连通的路径之间(即，前述的第一开关81的一端和第一电极11之间)设置第四开关86，以控制电流是否流经第一电极11。第四开关86可以是以机械开关装置、开关电路或者软件等的形式实现。根据这样的设置，从输入端子84流入的电流可以流经第四开关86和第一开关81。即，当第四开关86闭合时，从输入端子84流入的电流可以经过第四开关86流向第一电极11；
当第四开关86断开时，从输入端子84流入的电流无法通过第四开关86流向第一电极11，只能流向第一开关81的路径。
当第四开关86断开时，从输入端子84流入的电流无法通过第四开关86流向第一电极11，只能流向第一开关81的路径。
[0061] 因此，通过控制第一开关81、第二开关82、第三开关83以及第四开关86的闭合和断开，可以改变电路路径。例如，在信号接收阶段，第一开关81、第二开关82、第三开关83以及第四开关86配置为：第二开关82和第四开关86均断开，第一开关81和第三开关83均闭合，根据这样的配置，电路路径为，电流经输入端子84流入，依次流经第一开关81、第三电极13、第二压电材料15、第二电极12，流向第三开关83，实现了单独连通第二压电层15的电路路径。
[0062] 上文中描述了设置第四开关86的压电微机械超声换能器的结构，并示例性的描述了根据这样的结构来单独连通第二压电层15的电路路径的实现方式。本领域技术人员可以理解的是，根据这样的结构，也可以实现单独连通第一压电层14、第一压电层14与第二压电层15并联的电路路径、以及第一压电层14与第二压电层15串联的电路路径，实现方式与图8-图10中所描述的方式相同或相近，此处不再赘述。需要理解的是，图11的结构是示例性的，还可以有多种变形结构，实现本发明的技术方案，例如增加第五开关，下面将结合图12对增加第五开关的实施例进行说明。
[0063] 图12是示出根据本发明的设置有第五开关的压电微机械超声换能器示意图。通过前文和下面的描述，本领域技术人员可以理解图12所示的结构也可以实现单独连通第二压电层15的电路路径。
[0064] 如图12中所示，本实施例与图8中所示结构的区别在于，在输入端子84和输出端子85之间设置第五开关87，用于所述输入端子84和所述输出端子85的端口转换。第五开关87可以是以机械开关装置、开关电路或者软件等的形式实现。根据这样的设置，第五开关87可以改变电流的流向，即，当输入端子84为电流输入的一端、输出端子85为电流输出的一端时，电路与图8-图10中所示的电路相同或相似，此处不再赘述；当第五开关87转换了输入端子84和输出端子85的端口后，则输入端子84变为电流输出的一端，输出端子85变为电流输入的一端，电流方向改变。
[0065] 当第五开关87对输入端子84和输出端子85的端口进行转换后，使电流从输出端子85输入，可以通过控制第一开关81、第二开关82以及第三开关83的闭合和断开，改变电路路径。例如，在信号接收阶段，第一开关81、第二开关82以及第三开关83配置为：第一开关81断开，第二开关82和第三开关83均闭合，根据这样的配置，电路路径为，电流经输出端子85流入，依次流经第二开关82、第三电极13、第二压电材料15、第二电极12，流向第三开关83，实现了单独连通第二压电层15的电路路径。
[0066] 上文中描述了设置第五开关87的压电微机械超声换能器的结构，并示例性的描述了根据这样的结构来单独连通第二压电层15的电路路径的实现方式。本领域技术人员可以理解的是，根据这样的结构，也可以实现单独连通第一压电层14、第一压电层14与第二压电层15并联的电路路径、以及第一压电层14与第二压电层15串联的电路路径。根据本实施例的一个变形例，也可以同时设置第四开关86和第五开关87，可以通过控制各开关的断开和闭合，实现本发明的技术方案。需要理解的是，虽然图8-图12描述了通过设置开关改变多层压电层之间连接关系的多个实施例，但不是对本发明技术方案的限制，开关的位置、数量和类型都可以根据需要进行灵活设置。
[0067] 为了便于进一步了解本发明的采用混合压电材料制造的pMUT，下表一列出了采用不同类型压电材料的pMUT在信号发射TX阶段和信号接收RX阶段的各性能参数以供参考。
[0068] 表一
[0069]
[0070] 下面将针对表一中的重要参数及各条件进行解释和说明。首先，如果仅考虑夹紧或者锚定结构的压电材料(不包括来自其他包层材料或基板的机械贡献)，机电耦合系数k2piezo的计算公式为：
[0071]
[0072] 其中，d31表示压电系数， 表示机械刚度， 表示介电常数。假设由不同压电材料产生的机械刚度 与基板和其他包层材料相比可忽略不计，则在不改变基板和其他包层材料的前提下， 不变，机电耦合系数k2piezo与压电系数d31和介电常数 相关。
[0073] 假设第一压电材料为PZT或PVDF，d31为100pm/V，介电常数约为700；第二压电材料是各种掺杂的AlN或ScAlN，d31为20pm/V，介电常数约为20。如表一中所示，在信号发射TX阶段，单独连通具有高压电系数和高介电常数的第一压电层，基于前述机电耦合系数的计算公式计算得到的有效机电耦合系数为 单独连通具有低压电系数和低介电常数的第二压电层，计算得到的有效机电耦合系数为 而连通第一压电层和第二压电层的并联电路路径，计算得到的有效机电耦合系数K2eff为二者之和，大于单独连通第一压电层或者单独连通第二压电层的机电耦合系数。因此，通过采用第一压电层和第二压电层的混合压电材料，并将二者并联，可以获得更大的机电耦合系数，从而获得更高的换能效率。
[0074] 其次，为了便于描述表一中TX阶段的参数指标，下面先结合图13对噪声来源进行说明。图13是示出了换能器在信号接收时典型的放大电路示意图。
[0075] 如图13所示，信号接收时典型的放大电路中的噪声来源包括放大器的输入参考电压噪声、放大器的输入参考电流噪声、以及电阻性热噪声。其中，放大器的输入参考电压噪声的计算公式为 EA为电压噪声因子，Cd是静态电容；放大器的输入参考电流噪声的计算公式为 IA为电流噪声因子；电阻性热噪声的计算公式为 ER为电阻性热噪声因子。而放大器的输入参考电流噪声以及电阻性热噪声一般较小，在理想状态下可以忽略不计。因此，在本实施例中假设主要噪声因子是EA。
[0076] 根据图13的噪声来源分析，在仅考虑电压噪声因子EA的影响时，在信号接收RX阶段，信噪比SNR为电压信号和电压噪声的比值，其中的Vout表示接收的电压信号。如表一中所示，单独连通具有高压电系数和高介电常数的第一压电层，得到的电压本底噪声为700C0EA，信噪比SNR为 单独连通具有低压电系数和低介电常数的第二压电层，得到的电压本底噪声为20C0EA，信噪比SNR为 而连通第一压电层和第二压电层的串联电路路径，计算得到的电压本底噪声为(700‖20)C0EA，小于于单独连通第一压电层或者单独连通第二压电层的电压本底噪声，其中C0为标准化的共同部分，计算得到的信噪比为 大于单独连通第一压电层或者单独连通第二压电层的信噪比SNR。因此，通过采用第一压电层和第二压电层的混合压电材料，并将二者串联，可以获得更低的本底噪声以及更高的信噪比。
[0077] 根据本实施例的一个变形例，假设第一压电层和第二压电层具有相同的压电系数和介电常数，例如使用相同的材料，根据本发明的pMUT的结构配置，至少可以达到提高TX阶段的机电耦合系数的效果。
[0078] 根据本发明的混合压电材料配置的pMUT结构，可以实现单独使用一层压电层，也可以使用多层压电层，根据需要通过灵活的配置实现同时提高pMUT在不同阶段的性能。另外，虽然设置多层的结构，但是不会增大pMUT的体积，在具体实施例中，本发明给出了实现方案，可以在增强pMUT的功能的同时减小其体积。
[0079] 特别的，当第一压电材料与第二压电材料的压电系数不同时，可以通过在TX阶段和RX阶段的选择不同的电路路径，达到同时提高两个阶段的性能的效果。具体地，在TX阶段，选择具有较高机电耦合变换的电路路径，例如第一压电材料的压电系数(例如d31≥100pm/V)大于第二压电材料的压电系数(例如d31≤20pm/V)时，则可以单独驱动具有高压电系数的第一压电层或第一压电层与具有较低压电系数的第二压电层并联的电路路径，从而可以获得不小于单独使用第一压电层时的机电耦合系数。
[0080] 然而，由于具有较高压电系数的第一压电材料通常具有较高的介电常数(例如ε≥700)，并且产生较高的静态电容Cd，这会影响在RX阶段中的系统信噪比SNR。相反，由于第二压电材料具有较低的压电系数，以及比第一压电材料低得多的介电常数(例如ε≤20)，导致静态电容Cd低得多，在RX阶段将会导致更好的信噪比。因此，在RX阶段，通过切换电路路径，可以单独驱动具有较低压电系数的第二压电层或具有较高压电系数的第一压电层和第二压电层串联的电路路径，从而获得不高于单独使用第二压电层时的本底噪声，并且得到更高的信噪比SNR。
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