[发明专利]一种基于支撑柱的微机械超声换能器

说明书

本发明属于微机电技术领域，具体为一种基于支撑柱的微机械超声换能器。本发明微机械超声换能器是由基本单元经拼接、延拓组成的平面阵列；基本单元包括压电叠层、中性层、支撑柱和衬底；压电叠层包含上电极层、压电层与底电极层；中性层为压电叠层提供支撑，并使压电叠层在受激产生应变时，复合薄膜的应变中性面处于中性层内；支撑柱为中性层提供支撑，为离散分布的柱状结构，形成高填充密度的换能器，提升薄膜振动的有效面积；上电极层与底电极层构成电极对，用于压电层上的电场、电荷、电压的施加与采集；通过施加直流偏置电压，对压电叠层进行静态控制；通过施加交流耦合信号，对压电叠层进行动态激励，实现高性能的超声波信号收发。

技术领域

本发明属于微机电技术领域，具体涉及一种微机械超声换能器。

背景技术

超声成像具有无电离副作用、灵敏度高、实时成像、对组织无损伤、成本低等优点，广泛应用于医学成像、工业无损检测、物联网与智能传感等领域。超声换能器是上述应用中的关键模块，它负责将超声波信号与电信号进行转换，其所拥有的灵敏度性能及带宽，直接决定了成像质量与传感精度的好坏。

微机械超声换能器采用MEMS工艺加工，适合高效率制备超声换能器阵列，且有潜力与CMOS芯片实现集成，有利于提升信噪比，降低超声系统的体积和成本。微机械超声换能器的基本原理在于，通过静电力效应或压电效应，将电信号激励转换为力学激励（或相反），从而使中心处的薄膜弯曲振动，向外挤压导声介质，实现超声波的收发。

上述微机械超声换能器的传统结构基于边缘全固定的圆盘或方盘的弯曲振动模式，在受电信号激励或导声介质挤压时，呈现出薄膜中间局部凸起的振动形态。这种结构设计的特点是有较厚的侧墙形成环面支撑，单元间距离大，支撑部位无法振动，限制了有效面积。这使得在形成大规模阵列时，可以有效振动的总面积有限，输出声压和接收灵敏度差。因而，提高薄膜振动的有效面积，降低损耗，并结合可与CMOS集成电路异质封装的潜力，有助于突破目前微机械换能器的性能与工艺瓶颈，实现高灵敏度、高集成度的微机械超声换能器阵列。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于支撑柱的微机械超声换能器，以扩大振膜有效面积、提高阵列填充密度，具备高声压输出和与CMOS异质集成能力，实现高性能超声波信号收发。

本发明提供的基于支撑柱的微机械超声换能器，由基本单元经延拓组成的平面阵列，具体包括：由基本单元全并联拼接形成的阵列，或者由若干个基本单元（数个至数百乃至万个）并联拼接形成的线阵阵元，再延拓形成的线阵列，或者由全并联阵列延拓形成的二维阵列；其中，所述基本单元的结构包括压电叠层1、中性层2、支撑柱3和衬底4；压电叠层自上而下包含一薄的上电极层1-1、压电层1-2与底电极层1-3；中性层2在底电极层1-3下方，为压电叠层1提供支撑作用，并且，使得压电叠层1在受激产生应变时，压电叠层1与中性层2构成的复合薄膜的应变中性面处于中性层2内；支撑柱3位于中性层2下方，为中性层提供支撑；衬底4位于支撑柱3下方，为整体结构提供固定支撑；

所述压电叠层1的上电极层1-1与底电极层1-3构成电极对，用于压电层1-2上的电场、电荷、电压的施加与采集；其中，可以通过施加直流偏置电压，对压电叠层1进行静态控制；通过施加交流耦合信号，对压电叠层1进行动态激励；

所述基本单元的结构的周边外形为凸多边形，例如为形状为三角形、方形、六边形，见图2所示；典型的形状为正三角形、正方形、正六边形等。图1为由基本单元为等边三角形拼接形成的六面体阵列微机械超声换能器图示。

进一步地，所述各种形状的基本单元，可以是一种形状的基本单元组合拼接，形成平面阵列结构；也可以由不同形状的基本单元组合拼接，形成平面阵列结构；不同形状的基本单元的边长相互匹配，使不同单元之间边界紧密拼接；

进一步地，所述各种形状的基本单元，也可以由单一形状的基本单元进行延拓排布形成一线阵列；也可以由不同形状的基本单元进行组合拼接形成一线阵列，其中，边长相互匹配（相对），使不同单元之间边界紧密拼接；