[发明专利]一种压电微机械换能器

说明书

本发明公开了一种压电微机械换能器，属于换能器技术领域，解决了换能器由于采用多换能器组成阵列，导致器件体积较大、成本高的问题，本发明包括基底，基底包括底硅层和设置于底硅层上的埋氧层，埋氧层上方由下至上依次连接有顶硅层、底层金属层、压电材料层和顶层金属层，底硅层和埋氧层处的基底中心位置设置有背部空腔，压电材料层上形成与背部空腔形状相同、尺寸大小相同、位置相对应的振膜区域，振膜区域内的压电材料层包括安装于外侧的振膜外侧电极，振膜外侧电极内部安装有振膜内侧电极，振膜外侧电极与振膜内侧电极之间设置有隔离沟槽。本发明通过隔离沟槽将振膜区域的电极分为内侧和外侧，实现了单个换能器的高性能自发自收工作。

技术领域

本发明属于换能器技术领域，具体涉及一种压电微机械换能器。

背景技术

压电微机械换能器通过压电材料层完成机电耦合，实现机械信号和电学信号的相互转换。当换能器没有外接电源时，来自外界的机械振动传递到压电材料层，使压电材料发生微小变形，此时压电材料的上下表面将会产生一个电势差，通过压电材料层上下的两层金属层，可以实现对该电势差的检测，此过程将外部机械信号转换为了电学信号，称为压电效应。当压电材料的上下金属层连接外部电源时，压电材料将会发生微小形变，从而产生振动，振动过程中将产生机械波并向外传播，此过程将电学信号转换为了机械信号，称为逆压电效应。

换能器要实现电学信号和机械信号的相互转换，即既要做发射器，又要做接收器。由于发射器和接收器的性能指标不同，同一种结构的换能器通常难以兼顾两种工作模式所需要的性能。因此，传统换能器系统采用了多个换能器来实现收发工作，即一部分换能器只用于发射器，其结构进行了微调，使这部分换能器的发射性能更加优异；另一部分换能器只用于接收器，其结构也进行了微调，使这部分换能器的接收性能更加优异。因此，传统的换能器系统由于采用多换能器组成阵列来实现，使得器件体积较大，电路和信号处理算法复杂，由于使用多个换能器也使得成本较高。

发明内容

本发明的目的在于：

为解决现有技术中的换能器由于采用多换能器组成阵列，导致器件体积较大、成本高的问题，提供一种压电微机械换能器。

本发明采用的技术方案如下：

一种压电微机械换能器，包括基底，所述基底包括底硅层和设置于底硅层上的埋氧层，所述埋氧层上方由下至上依次连接有顶硅层、底层金属层、压电材料层和顶层金属层，所述底硅层和埋氧层处的基底中心位置设置有背部空腔，所述压电材料层上形成与背部空腔形状相同、尺寸大小相同、位置相对应的振膜区域，所述振膜区域内的压电材料层包括安装于外侧的振膜外侧电极，所述振膜外侧电极内部安装有振膜内侧电极，振膜外侧电极与振膜内侧电极之间设置有隔离沟槽。

进一步地，所述振膜外侧电极、振膜内侧电极和隔离沟槽由两条相交的空气间隙均分成相互独立的四部分，所述空气间隙均由两端的直形段和两直形段之间的弧形段连接组成。该压电微机械换能器振膜区域设计为圆形，并被中心旋转对称的空气间隙划分为四个区域，成为四个独立的类扇形振膜，使类扇形振膜的末端在固定激励下获得最大振动位移。

进一步地，所述振膜外侧电极、振膜内侧电极和隔离沟槽上设置有两条空气间隙，所述两条空气间隙围绕振膜区域的中心点中心对称，空气间隙均由连通振膜外侧电极外部的外弧形段和位于内部的内弧形段连接组成，所述内弧形段为四分之一圆弧形状或八分之一圆弧形状，所述外弧形段为八分之一圆弧形状，外弧形段的半径大于内弧形段的半径。

进一步地，所述振膜外侧电极、振膜内侧电极和隔离沟槽上设置有四条空气间隙，所述四条空气间隙围绕振膜区域的中心点中心对称，空气间隙均为八分之一圆弧形状。

以上所述的换能器的空气间隙的设计，均是为了提高换能器的振动幅度或振动灵敏度，并调节器件的谐振频率，使其工作在符合应用需求的频段范围内。