[發明專利]壓電超聲換能器及其制備方法

在審

• 申請號: 201710642479.2
• 申請日: 2017-07-31
• 公開（公告）號: CN107520110A
• 公開（公告）日: 2017-12-29
• 發明（設計）人: 朱雁青;蘭曉東;童貝;李楊
• 申請（專利權）人: 瑞聲科技(新加坡)有限公司
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06
• 代理公司: 廣東廣和律師事務所44298
• 代理人: 陳巍巍

技術領域

本發明涉及超聲傳感器領域，尤其涉及一種壓電超聲換能器及其制備方法。

背景技術

超聲傳感器在社會生產生活中具有廣泛的應用，包括超聲加工、超聲定位、超聲探測、超聲成像等各方面。作為電能和機械能相互轉換的器件，超聲換能器是超聲傳感器的重要組成部件。傳統的超聲換能器通?；跈C械加工制成，因而具有體積較大，加工精度較低，加工成本較高，難以形成陣列結構等缺點?；贛EMS(Microelectromechanical Systems，微機電系統)技術的超聲換能器因采用微電子工藝加工而成，直徑尺寸可降低到微米級別，諧振頻率可達到幾百兆赫茲，較高的諧振頻率大幅增加了成像和探測的精度。另外，由MEMS工藝加工成的超聲換能器單元可組成大規模陣列，單元一致性較好，便于運用相位控制技術實現超聲波束的聚焦、離散、定向掃描等功能，大大增強了超聲技術應用的靈活性。

目前的MEMS超聲換能器主要有電容式和壓電式兩種，其中MEMS電容式超聲換能器由上下兩個電極板構成，通過極板之間的靜電力驅動，具有機電耦合系數較大、諧振頻率較高的優點，但是也存在驅動電壓較高、受寄生電容影響較大、電學輸出阻抗較大難以匹配、接收效率和發射效率難以兼顧等缺點；與電容式超聲換能器相比，壓電式超聲換能器由壓電層、振動層及上下金屬電極構成，具有驅動電壓低、輸出阻抗低、發射接收效率兼顧等優點，但是由于換能器工作時先依靠壓電層產生橫向應變，再經過振動層的協助轉換成垂直于襯底方向的縱向形變，整個過程的機電耦合系數較低，電能和機械能的轉換效率較低，限制了超聲傳感器的聲壓輸出。另一方面，生物高分辨率成像需要超聲傳感器工作頻率在兆赫茲以上，由于頻率越高，超聲波在組織中衰減越大，因此需要將超聲波束進行聚焦以達到更好的成像深度。因此如何同時提高MEMS壓電式超聲換能器的聲壓輸出和實現波束自聚焦，是本領域急需解決的技術問題。

因此，實有必要提供一種新的壓電超聲換能器解決上述問題。

發明內容

本發明提供一種能夠提高聲壓輸出和實現波束自聚焦的壓電超聲換能器，以解決現有技術中電能和機械能的轉換效率較低，限制了超聲傳感器的聲壓輸出的問題。

為解決上述技術問題，本發明提供了一種壓電超聲換能器，包括基底以及固定在所述基底上的復合振膜，所述復合振膜包括層疊設置的被動結構層、與所述被動結構層相連的壓電材料層，所述壓電材料層包括靠近所述被動結構層的第一表面及遠離所述被動結構層的第二表面，所述壓電超聲換能器還包括設置于所述第一表面的第一電極及設置于所述第二表面的第二電極，所述基底包括靠近所述復合振膜的上表面和與之相對的下表面，所述基底包括自上表面向下表面方向凹陷的凹槽，所述復合振膜包括與所述上表面相貼設的平面部和自所述平面部向所述凹槽內部凹陷的曲面部，所述復合振膜覆蓋并密封所述凹槽。

優選的，所述曲面部位于所述平面部的中央。

優選的，所述第一電極和所述第二電極為貼設在所述壓電材料層上的金屬膜。

優選的，所述被動結構層為玻璃膜層。

優選的，被所述復合振膜覆蓋并密封的所述凹槽內設置為真空。

優選的，所述壓電材料層采用氮化鋁、氧化鋅、或鋯鈦酸鉛中的任意一種制備而成。

優選的，所述第一電極、第二電極采用鉬、鉑或鋁中的任意一種導電材料制備而成。

為解決上述問題，本發明還提供一種如上所述的壓電超聲轉換器的制備方法，其包括如下步驟：

提供硅材料制備的基底，所述基底包括上表面和與之相對的下表面，并在基底的上表面上蝕刻凹槽；

在基底上設置被動結構層，并實現基底與被動結構層的陽極鍵合；

將基底與被動結構層進行高溫回流制備向凹槽內凹設的曲面部；

在所述被動結構層遠離基底的一側表面自下而上依次沉積第一電極、壓電材料層和第二電極。

優選的，曲面部的制備方法為在高溫爐內沖入氮氣進行回流，使得玻璃膜層在密封凹槽內外氣壓差的作用下向內凹入，回流完成后先進行快速降溫再自然冷卻降溫。