一种混合驱动MUT单元结构及其参数化激励方法
专利汇可以提供一种混合驱动MUT单元结构及其参数化激励方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种混合驱动MUT单元结构及其参数化激励方法，其将传统CMUT单元的塌陷工作模式与PMUT单元的驱动方式进行结合。在超声发射状态，通过施加偏置 电压 使得振动 薄膜 处于塌陷状态。同时在塌陷偏置电压 基础 上 叠加 周期 信号 ，使得振动薄膜塌陷区域与 传感器 基底的贴合状态发生周期性变化，实现对振动薄膜弯曲 刚度 的周期性调控。同时，对其余未贴合部分薄膜，采用PMUT基于逆 压电效应 的超声发射方法，实现MUT单元在变刚度条件下的振动增幅，实现MUT单元的参数化激励，增加MUT单元的发射灵敏度。，下面是一种混合驱动MUT单元结构及其参数化激励方法专利的具体信息内容。
1.一种混合驱动MUT单元结构，其特征在于，包括自上至下依次设置的振动薄膜(13)、支柱(8)和基底(9)，所述基底(9)上设置有凸台(10)，所述基底(9)和凸台(10)上表面覆盖有电容下电极(5)，所述电容下电极(5)上覆盖有绝缘层(4)，所述绝缘层(4)、支柱(8)以及振动薄膜(13)围合形成空腔(6)；所述振动薄膜(13)包括压电上电极(1)，所述压电上电极(1)包括自内向外依次设置的外层圆环电极(14)、中心圆环电极(15)和内层圆环电极(16)，所述中心圆环电极(15)与内层圆环电极(16)之间的间隙以及中心圆环电极(15)与外层圆环电极(14)之间的间隙始终处于空腔(6)的平面投影区域内。
2.根据权利要求1所述的一种混合驱动MUT单元结构，其特征在于，所述振动薄膜(13)包括自上至下依次设置的压电上电极(1)、电介质层(2)、压电下电极(3-1)、薄膜结构层(7)以及电容上电极(3-2)。
3.根据权利要求2所述的一种混合驱动MUT单元结构，其特征在于，所述电容上电极(3-
2)根据所需静电作用力图形化得到。
4.根据权利要求1所述的一种混合驱动MUT单元结构，其特征在于，所述振动薄膜(13)包括自上至下依次设置的薄膜结构层(7)、压电上电极(1)、电介质层(2)以及压电-电容公共电极(3)。
5.根据权利要求2或4所述的一种混合驱动MUT单元结构，其特征在于，所述电介质层(2)采用单一压电材料AlN，PZT，ZnO或者PVDF制成。
6.根据权利要求1所述的一种混合驱动MUT单元结构，其特征在于，所述凸台(10)的几何中心在压电上电极(1)的几何中心的正下方。
7.根据权利要求1所述的一种混合驱动MUT单元结构，其特征在于，所述绝缘层(4)由多层绝缘材料薄膜叠加而成。
8.根据权利要求1所述的一种混合驱动MUT单元结构，其特征在于，所述凸台(10)与基底(9)均采用单晶硅材料通过干法刻蚀工艺由整体单晶硅刻蚀而成。
9.一种权利要求1所述的混合驱动MUT单元结构的参数化激励方法，其特征在于，在所述电容下电极(5)加载薄膜弯曲刚度调节信号V，所述薄膜弯曲刚度调节信号在偏置直流电压VDC所产生的静电吸引力的作用下，振动
薄膜(13)发生塌陷，其几何中心周围区域将与绝缘层(4)的表面贴合，该贴合区域平面投影范围内的振动薄膜(13)称为塌陷区域(17)，振动薄膜(13)除塌陷区域(17)外的其他区域称为振动区域(18)；同时在周期信号V0的作用下，受静电力作用塌陷区域(17)周期性变化，带动振动区域(18)的弯曲刚度在振动薄膜(13)内部张力作用下周期性变化，实现结构弯曲刚度的调节；
在所述外层圆环电极(14)、中心圆环电极(15)和内层圆环电极(16)上加载频率相同的周期激励信号，通过逆压电效应，实现振动区域(18)的弯曲振动。
10.根据权利要求9所述的一种混合驱动MUT单元结构的参数化激励方法，其特征在于，所述中心圆环电极(15)加载的信号为 所述外层圆环电极(14)与所述内层圆环电极(16)均加载的信号为
一种混合驱动MUT单元结构及其参数化激励方法
技术领域
背景技术
于与ICs集成等特点，在即时超声成像与治疗(Point of Care Diagnostics,POC)、超声生
物特征识别、3D超声姿态识别与非接触控制等前沿应用领域具有巨大应用潜力。微型超声
换能器主要包括电容式微加工超声换能器(Capacitive Micromachined
UltrasonicTransducer,CMUT)和压电式微加工超声换能器(Piezoelectric
MicromachinedUltrasonic Transducer,PMUT)两大类。相对于CMUT，基于AlN、ZnO等压电材
料、采用弯曲振动模式的PMUT在低功耗应用领域具有突出优势，但由于AlN、ZnO材料的压电
系数远小于PZT材料，导致PMUT机电耦合系数、带宽及接收灵敏度等性能还远落后于CMUT。
虽然部分研究者通过结构设计来提高PMUT性能，但仍未获得根本性改善。
的提高。
术领域仍面临亟待解决的技术难题：
机等电子器件集成使用后降低整机功耗，提高待机时间，而目前常规的CMUT工作电压大、功
耗高，工作时所需加载的高直流偏置电压(几十至几百伏不等)限制了其在便携式、低功耗
以及长期在线检测方面的应用；
发明内容
层、支柱以及振动薄膜围合形成空腔；振动薄膜包括压电上电极，压电上电极包括自内向外
依次设置的外层圆环电极、中心圆环电极和内层圆环电极，中心圆环电极与内层圆环电极
之间的间隙以及中心圆环电极与外层圆环电极之间的间隙始终处于空腔的平面投影区域
内。
压VDC所产生的静电吸引力的作用下，振动薄膜发生塌陷，其几何中心周围区域将与绝缘层
的表面贴合，该贴合区域平面投影范围内的振动薄膜称为塌陷区域，振动薄膜除塌陷区域
外的其他区域称为振动区域；同时在周期信号V0的作用下，受静电力作用塌陷区域周期性
变化，带动振动区域的弯曲刚度在振动薄膜内部张力作用下周期性变化，实现结构弯曲刚
度的调节；
振动薄膜处于塌陷状态，通过在塌陷偏置电压基础上继续叠加周期交流电压，使得振动薄
膜塌陷区域与传感器基底的贴合面积发生周期性变化，实现对振动薄膜弯曲刚度的周期性
调控，从而使薄膜工作频率可调控。
接；相对于常规超声换能器，具有尺寸小(封装后平面尺寸小于10mm*10mm)的特点，可实现
便携式测量。
的贴合状态发生周期性变化，实现对振动薄膜弯曲刚度的周期性调控。同时，对其余未贴合
部分薄膜，采用PMUT基于逆压电效应的超声发射方法，实现MUT单元在变刚度条件下的振动
增幅，实现了采用较低的激励电压而获得数倍于传统PMUT或者CMUT的超声发射灵敏度，极
大降低了MUT单元的功耗。
附图说明
具体实施方式
本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含
义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术
语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间
接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解
上述术语在本发明中的具体含义。
层2由单一压电材料形成或者由多层压电材料结合多层绝缘层复合而成。
心圆环电极15与外层圆环电极14之间的间隙始终处于由支柱8与凸台10所围成的平面投影
区域内。以保证内层圆环电极16、中心圆环电极15与外层圆环电极14引起的变形区域在空
腔范围内。优选的，压电下电极3-1未进行图形化，可以省略光刻、刻蚀、qujiao等工艺，降低加工难度。若图形化，则加大了工艺复杂度；但是，做了图形化，将降低寄生电容。
电极3-2可以根据所需静电作用力图形化。电容下电极5覆盖在由基底9与凸台10组成结构
的上表面。所述绝缘层4覆盖于电容下电极5上表面。
压电驱动模块11，电容上电极3-2与薄膜结构层7三者的上下堆叠顺序可以互换。
载于静电吸引模块12上，静电吸引模块12包括电容上电极3-2、绝缘层4和电容下电极5，其
中电容上电极3-2接地；电容下电极5加载的直流偏置电压VDC叠加有频率为f0的周期信号
V0；在偏置直流电压VDC所产生的静电吸引力的作用下，振动薄膜13发生塌陷，其几何中心周
围区域将与覆盖在凸台10上的绝缘层4的表面贴合，该贴合区域平面投影范围内的振动薄
膜13称为塌陷区域17，振动薄膜13除塌陷区域17外的其他区域称为振动区域18。同时，在周
期信号V0的作用下，受静电力作用塌陷区域17按周期性变化，带动振动区域18的弯曲刚度
在振动薄膜13内部张力作用下按周期性变化，实现结构弯曲刚度的调节，如图3上部右侧所
示，仅电容驱动力作用下的薄膜变形示意图。
通过逆压电效应，实现振动区域18的弯曲振动，如图3上部左侧所示，仅压电驱动力作用下
的薄膜变形示意图。
环电极16均加载信号 且
3-2；当压电驱动模块11堆叠于电容上电极3-2上方时，压电下电极3-1与电容上电极3-2可
共享一层电极，上述两种电极的功能将由压电-电容公共电极3这一个电极实现。组成振动
薄膜13的各层结构沿着厚度方向从上至下的堆叠顺序为：薄膜结构层7，压电上电极1，电介
质层2与压电-电容公共电极3。
行隔离。
度-阻尼振动系统变为图2b所示的质量-变刚度-阻尼系统。图2a和图2b中，m为质量，k是刚
度，c是系统阻尼，△k是刚度变化量。
引模块12上，其中压电-电容公共电极3接地；电容下电极5加载的直流偏置电压VDC叠加有频
率为f0的周期信号V0；在偏置直流电压VDC所产生的静电吸引力的作用下，振动薄膜13发生
塌陷，其几何中心周围区域将与覆盖在凸台10上方的绝缘层4的表面贴合，该贴合区域平面
投影范围内的振动薄膜13称为塌陷区域17，振动薄膜13除塌陷区域17外的其他区域称为振
动区域18。同时，在周期信号V0的作用下，塌陷区域17面积受静电力作用按周期性变化，带
动振动区域18的弯曲刚度在振动薄膜13内部张力作用下按周期性变化，实现结构弯曲刚度
的调节，如图4上部右半部分所示，仅电容驱动力作用下的薄膜变形示意图；
弯曲振动，如图4上部左半部分所示，仅压电驱动力作用下的薄膜变形示意图。
元增加了220％，即其输出能力提升220％。
加周期信号，使得振动薄膜塌陷区域与传感器基底的贴合状态发生周期性变化，实现对振
动薄膜弯曲刚度的周期性调控。同时，对其余未贴合部分薄膜，采用PMUT基于逆压电效应的
超声发射方法，实现MUT单元在变刚度条件下的振动增幅，实现MUT单元的参数化激励，增加
MUT单元的发射灵敏度。以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方
式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变
换，均为本发明的权利要求所涵盖。
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