[發(fā)明專利]壓電超聲換能器及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710643625.3
• 申請(qǐng)日: 2017-07-31
• 公開（公告）號(hào): CN107511317B
• 公開（公告）日: 2020-02-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱雁青;蘭曉東;童貝;李楊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 瑞聲科技(新加坡)有限公司
• 主分類號(hào): B06B1/06
• 分類號(hào): B06B1/06
• 代理公司: 廣東廣和律師事務(wù)所 44298
• 代理人: 陳巍巍

本發(fā)明提供一種壓電超聲換能器及其制備方法，壓電超聲換能器包括振膜和貼設(shè)在振膜上的壓電膜，振膜靠近基底方向的邊緣區(qū)域設(shè)置有通電狀態(tài)下可以產(chǎn)生焦耳熱使振膜局部溫度上升的電阻結(jié)構(gòu)。由于振膜采用二氧化硅等楊氏模量隨溫度上升而減小的材料，加熱會(huì)導(dǎo)致振膜的整體彈性系數(shù)降低，換能器的機(jī)電耦合系數(shù)增大，聲壓輸出發(fā)生改變；另一方面，振膜振動(dòng)時(shí)的諧振頻率隨彈性系數(shù)的降低而減小，實(shí)現(xiàn)了超聲波輸出頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超聲傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種壓電超聲換能器及其制備方法。

背景技術(shù)

超聲傳感器在社會(huì)生產(chǎn)生活中具有廣泛的應(yīng)用，包括超聲加工、超聲定位、超聲探測(cè)、超聲成像等各方面。作為電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的器件，超聲換能器是超聲傳感器的重要組成部件。傳統(tǒng)的超聲換能器通常基于機(jī)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(jié)構(gòu)等缺點(diǎn)。基于MEMS(MicroelectromechanicalSystems，微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)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(jí)別，諧振頻率可達(dá)到幾百兆赫茲，較高的諧振頻率大幅增加了成像和探測(cè)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(guī)模陣列，單元一致性較好，便于運(yùn)用相位控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)超聲波束的聚焦、離散、定向掃描等功能，大大增強(qiáng)了超聲技術(shù)應(yīng)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(gè)電極板構(gòu)成，通過(guò)電極板之間的靜電力驅(qū)動(dòng)，具有機(jī)電耦合系數(shù)較大、諧振頻率較高的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在驅(qū)動(dòng)電壓較高、受寄生電容影響較大、電學(xué)輸出阻抗較大難以匹配、接收效率和發(fā)射效率難以兼顧等缺點(diǎn)；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(dòng)層及上下金屬電極構(gòu)成，具有驅(qū)動(dòng)電壓低、輸出阻抗低、發(fā)射接收效率兼顧等優(yōu)點(diǎn)，因此在很多場(chǎng)合得到了應(yīng)用。但是MEMS壓電式超聲換能器的結(jié)構(gòu)尺寸固定后，換能器的輸出性能比如諧振頻率、輸出聲壓等也被固定，而另一方面，由于不同諧振頻率的輸出超聲波在空氣或液體中的穿透深度不一致，在不同場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)換能器需要提供不同的穿透深度和輸出聲壓，因此實(shí)現(xiàn)性能動(dòng)態(tài)可調(diào)的MEMS壓電超聲換能器是目前迫切需要解決的技術(shù)問(wèn)題，對(duì)實(shí)現(xiàn)傳感器性能的最優(yōu)化和降低測(cè)試成本具有重要的意義。

因此，實(shí)有必要提供一種新的壓電超聲換能器解決上述問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種壓電超聲換能器以實(shí)現(xiàn)在不同應(yīng)用場(chǎng)合下傳感器性能的最優(yōu)化。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種壓電超聲換能器，包括中心設(shè)有空腔的基底、固定在所述基底上的振膜、與所述振膜相連的壓電膜，所述壓電膜包括靠近所述振膜的第一表面及遠(yuǎn)離所述振膜的第二表面，所述壓電超聲換能器還包括設(shè)置于所述第一表面的第一電極及設(shè)置于所述第二表面的第二電極，所述振膜靠近基底的邊緣區(qū)域設(shè)置有通電狀態(tài)下可以產(chǎn)生焦耳熱使所述振膜的局部溫度上升的電阻結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述電阻結(jié)構(gòu)設(shè)置于振膜靠近壓電膜的表面。

優(yōu)選的，所述壓電膜的尺寸小于振膜的尺寸，且所述壓電膜設(shè)置于所述振膜的中心位置。

優(yōu)選的，所述電阻結(jié)構(gòu)環(huán)繞所述壓電膜設(shè)置。

優(yōu)選的，所述電阻結(jié)構(gòu)為折疊結(jié)構(gòu)、直線結(jié)構(gòu)或塊狀結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述基底采用硅、藍(lán)寶石、陶瓷、玻璃或聚合物中的任意一種制備而成。

優(yōu)選的，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種制備而成。

優(yōu)選的，所述壓電膜采用氮化鋁、氧化鋅、或鋯鈦酸鉛中的任意一種制備而成。

所述第一電極、第二電極采用鉬、鉑或鋁中的任意一種導(dǎo)電材料制備而成。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明還提供一種如上所述的壓電超聲轉(zhuǎn)換器的制備方法，其包括如下步驟：