[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，所述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以及自所述基底往振膜的方向依次沉积在振膜上的第一电极、压电膜和第二电极，其特征在于，所述振膜包括位于中央的第一振膜和位于所述第一振膜外侧的第二振膜，所述第一振膜与第二振膜间隔设置并通过弹性结构层连接，所述压电超声换能器在对应所述弹性结构层的位置还设有贯穿第二电极、压电膜以及第一电极的贯通孔。本发明的压电超声换能器能够提高声压的输出。

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膜、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。但是由于换能器工作时先依靠压电层产生横向应变，再经过振动层的协助转换成垂直于衬底方向的纵向形变，整个过程的机电耦合系数较低，电能和机械能的转换效率较低，限制了超声传感器的声压输出。因此如何提高MEMS压电式超声换能器的声压输出，是本领域急需解决的技术问题。

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可以提高声压的输出。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种压电超声换能器，所述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以及自所述基底往振膜的方向依次沉积在振膜上的第一电极、压电膜和第二电极，所述振膜包括位于中央的第一振膜和位于所述第一振膜外侧的第二振膜，所述第一振膜与第二振膜间隔设置并通过弹性结构层连接，所述压电超声换能器在对应所述弹性结构层的位置还设有贯穿第二电极、压电膜以及第一电极的贯通孔。

优选的，所述弹性结构层为具有低弹性系数的结构层。

优选的，所述弹性结构层的厚度小于振膜的厚度。

优选的，所述弹性结构层由低杨氏模量材料制成。

优选的，所述振膜和基底之间设有阻挡层。

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。

优选的，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：

提供基底基材，所述基底基材包括上表面和下表面，在所述基底基材的上表面沉积振膜基材；