[发明专利]压电超声换能器及其制备方法

说明书

本发明提供一种压电超声换能器及其制备方法，压电超声换能器包括振膜和贴设在振膜上的压电膜，振膜靠近基底方向的边缘区域设置有通电状态下可以产生焦耳热使振膜局部温度上升的电阻结构。由于振膜采用二氧化硅等杨氏模量随温度上升而减小的材料，加热会导致振膜的整体弹性系数降低，换能器的机电耦合系数增大，声压输出发生改变；另一方面，振膜振动时的谐振频率随弹性系数的降低而减小，实现了超声波输出频率的动态调整。

技术领域

本发明涉及超声传感器领域，尤其涉及一种压电超声换能器及其制备方法。

背景技术

超声传感器在社会生产生活中具有广泛的应用，包括超声加工、超声定位、超声探测、超声成像等各方面。作为电能和机械能相互转换的器件，超声换能器是超声传感器的重要组成部件。传统的超声换能器通常基于机械加工制成，因而具有体积较大，加工精度较低，加工成本较高，难以形成阵列结构等缺点。基于MEMS(MicroelectromechanicalSystems，微机电系统)技术的超声换能器因采用微电子工艺加工而成，直径尺寸可降低到微米级别，谐振频率可达到几百兆赫兹，较高的谐振频率大幅增加了成像和探测的精度。另外，由MEMS工艺加工成的超声换能器单元可组成大规模阵列，单元一致性较好，便于运用相位控制技术实现超声波束的聚焦、离散、定向扫描等功能，大大增强了超声技术应用的灵活性。

目前的MEMS超声换能器主要有电容式和压电式两种，其中MEMS电容式超声换能器由上下两个电极板构成，通过电极板之间的静电力驱动，具有机电耦合系数较大、谐振频率较高的优点，但是也存在驱动电压较高、受寄生电容影响较大、电学输出阻抗较大难以匹配、接收效率和发射效率难以兼顾等缺点；与电容式超声换能器相比，压电式超声换能器由压电层、振动层及上下金属电极构成，具有驱动电压低、输出阻抗低、发射接收效率兼顾等优点，因此在很多场合得到了应用。但是MEMS压电式超声换能器的结构尺寸固定后，换能器的输出性能比如谐振频率、输出声压等也被固定，而另一方面，由于不同谐振频率的输出超声波在空气或液体中的穿透深度不一致，在不同场合应用时换能器需要提供不同的穿透深度和输出声压，因此实现性能动态可调的MEMS压电超声换能器是目前迫切需要解决的技术问题，对实现传感器性能的最优化和降低测试成本具有重要的意义。

因此，实有必要提供一种新的压电超声换能器解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种压电超声换能器以实现在不同应用场合下传感器性能的最优化。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种压电超声换能器，包括中心设有空腔的基底、固定在所述基底上的振膜、与所述振膜相连的压电膜，所述压电膜包括靠近所述振膜的第一表面及远离所述振膜的第二表面，所述压电超声换能器还包括设置于所述第一表面的第一电极及设置于所述第二表面的第二电极，所述振膜靠近基底的边缘区域设置有通电状态下可以产生焦耳热使所述振膜的局部温度上升的电阻结构。

优选的，所述电阻结构设置于振膜靠近压电膜的表面。

优选的，所述压电膜的尺寸小于振膜的尺寸，且所述压电膜设置于所述振膜的中心位置。

优选的，所述电阻结构环绕所述压电膜设置。

优选的，所述电阻结构为折叠结构、直线结构或块状结构。

优选的，所述基底采用硅、蓝宝石、陶瓷、玻璃或聚合物中的任意一种制备而成。

优选的，所述振膜采用二氧化硅、多晶硅、氮化硅或聚合物中的任意一种制备而成。

优选的，所述压电膜采用氮化铝、氧化锌、或锆钛酸铅中的任意一种制备而成。

所述第一电极、第二电极采用钼、铂或铝中的任意一种导电材料制备而成。

为解决上述问题，本发明还提供一种如上所述的压电超声转换器的制备方法，其包括如下步骤：