[发明专利]一种具有喇叭结构的MEMS压电超声换能器

说明书

本发明涉及MEMS超声换能器技术，具体涉及一种具有喇叭结构的MEMS压电超声换能器，包括MEMS压电超声换能器和喇叭形状的硅结构；喇叭形状的硅结构键合于MEMS压电超声换能器上表面或下表面，喇叭形状的硅结构内的腔体至少形成1个声波导管，每个声波导管包括至少2级阶梯，每级阶梯包括一阶梯声管，且每一阶梯声管截面积逐渐增大形成喇叭形状腔体。喇叭形状腔体不仅可将MEMS压电超声换能器产生的声波放大，还能将MEMS压电超声换能器背部产生的声波传导至MEMS压电超声换能器顶部，与MEMS压电超声换能器顶部产生的声波叠加传输，进一步增加超声换能器产生的声波强度。该装置能增强MEMS超声换能器产生声波的强度，提升MEMS压电超声换能器能量转换效率。

技术领域

本发明属于MEMS超声换能器技术领域，尤其涉及一种具有喇叭结构的MEMS压电超声换能器。

背景技术

超声换能器是既可以用来发射又可以用来接收超声波的换能元件。当工作在发射模式时，电能通过静电力或逆压电效应转换为换能器的振动从而向外辐射声波；工作在接收模式时，声压作用在换能器表面使其振动，换能器再将振动转换为电信号。目前应用最广的超声波传感器主要基于体压电换能器，体压电换能器主要利用压电陶瓷的厚度振动模式产生超声波，由于厚度模式的谐振频率只与换能器的厚度相关，在同一平面上很难制作不同谐振频率的超声换能器。当其应用于高频时，厚度需要控制在亚微米级精度，其加工难度较高。而微加工技术制作的超声换能器(MEMS压电超声换能器英文全称piezoelectricmicromachined ultrasonic transducer，简称：pMUT。)振动在弯曲模式，具有刚度较低的振动薄膜，其声阻抗较小，能够更好地与气体与液体进行耦合。并且其谐振频率通过平面内尺寸控制，对加工精度要求较小。随着MEMS超声换能器技术的逐渐成熟，由于其兼具高性能、低成本、容易实现大规模生产的优点，超声波传感器的技术有转向MEMS超声换能器的趋势。MEMS超声换能器主要分两种：电容式(cMUT)和压电式(pMUT)，pMUT较cMUT灵敏度稍低，但cMUT需要提供偏置电压并且电容极板间有细微的气隙，容易形成粘连，pMUT具有结构简单、换能材料换能效率高的优点，但其制作较复杂。目前对pMUT的改进主要是针对其电极形状、在外面增加材料等，但其对提高pMUT能量转换效率作用有限。

在现代声学技术中，各种喇叭式扬声器的应用已经十分广泛，其结构为截面积逐渐变化的管子。将该结构应用于pMUT可以提高pMUT的辐射阻抗，从而提高辐射的声波及电声转换效率。此外，pMUT在振动时会在顶部和背部同时产生相位相反的声波，但在传统PMUT中，只有一半的声波被利用，背部产生的声波被浪费了。通过设计管路结构可将pMUT背部产生的声音引至顶部，将其与顶部产生的声音复合后辐射，将能极大的提升pMUT产生声音的利用率。将pMUT背部声波引出结构设计成截面积逐渐变化的喇叭结构，将声波从背部引出的同时利用喇叭结构的扩音作用，将进一步提高MEMS压电超声换能器的能量转换效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用喇叭结构，将MEMS压电超声换能产生的声波放大后再辐射，以提高MEMS压电超声换能电声转换效率的装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有喇叭结构的MEMS压电超声换能器，包括MEMS压电超声换能器和喇叭形状的硅结构；喇叭形状的硅结构键合于MEMS压电超声换能器上表面或下表面，喇叭形状的硅结构内的腔体形成至少1个声波导管，每个声波导管包括至少2级阶梯，每级阶梯包括一阶梯声管，且每一阶梯声管截面积逐渐增大形成喇叭形状腔体。

在上述的具有喇叭结构的MEMS压电超声换能器中，MEMS压电超声换能器为压电叠层结构，采用三明治结构或者双压电晶片结构；MEMS压电超声换能器的三明治结构，包括自上而下的第一上电极、第一压电层、第一下电极、Si层、SiO₂层；MEMS压电超声换能器的双压电晶片结构，包括自上而下的第二上电极、第二压电层、中间电极、第三压电层、第二下电极。