[發(fā)明專利]一種壓電微機(jī)械超聲換能器及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910167348.2
• 申請(qǐng)日: 2019-03-06
• 公開（公告）號(hào): CN109909140B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊婷婷;劉利芳;孫翔宇;邢占強(qiáng);計(jì)煒梁;陳余
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所
• 主分類號(hào): B06B1/06
• 分類號(hào): B06B1/06;H01L41/047;H01L41/27
• 代理公司: 北京高沃律師事務(wù)所 11569
• 代理人: 程華

本發(fā)明公開了一種壓電微機(jī)械超聲換能器及其制備方法，所述換能器從下往上依次包括：襯底層、下電極層、壓電薄膜層和上電極層；所述上電極層包括第一上電極和第二上電極，所述第一上電極和所述第二上電極呈環(huán)狀交叉設(shè)置，形成一對(duì)叉齒電極，在使用時(shí)，被測(cè)構(gòu)件放置在所述上電極層的上部，所述第一上電極上和所述下電極層之間施加有第一交流電信號(hào)，所述第二上電極和所述下電極層之間施加有第二交流電信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)所述第一交流電信號(hào)和所述第二交流電信號(hào)的相位差，即可調(diào)節(jié)壓電薄膜層的振動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)節(jié)被測(cè)構(gòu)件中聲波的方向特征和振動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)了換能器發(fā)射聲波的方向特性和振動(dòng)模式簡(jiǎn)易且高效地調(diào)節(jié)和控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超聲換能器領(lǐng)域，特別涉及一種壓電微機(jī)械超聲換能器及其制備方法。

背景技術(shù)

超聲換能器是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或者將外界聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件。在眾多的超聲換能器類型中，壓電超聲換能器因其高頻特性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于激勵(lì)，以及易于成型和加工等特性，應(yīng)用最為廣泛。

作為常規(guī)壓電超聲換能器的替代品—壓電微機(jī)械超聲換能器(PiezoelectricMicromachined Ultrasonic Transducers，PMUT)已經(jīng)被廣泛研究。與傳統(tǒng)超聲換能器相比，PMUT具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、頻率控制靈活、頻帶寬、靈敏度高以及易于與電路集成和實(shí)現(xiàn)智能化等特點(diǎn)。是壓電超聲換能器的重要的研究方向之一。

超聲換能器不論是用作發(fā)射還是接收，聲波傳輸本身都具有一定的方向特性和振動(dòng)模式。通常來(lái)說(shuō)，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的彈性波，根據(jù)其傳播方向與振動(dòng)方向之間的關(guān)系，可分為縱波和橫波兩種。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和彈性波的傳播方向一致時(shí)，稱為縱波；當(dāng)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和彈性波的傳播方向垂直時(shí)，則稱為橫波。不同應(yīng)用的換能器對(duì)聲波方向特性和振動(dòng)模式的要求也不相同。例如，超聲波液位計(jì)、風(fēng)速風(fēng)向儀換能器、水下測(cè)距換能器等上下測(cè)量的，通常利用縱波來(lái)測(cè)量；而在地形地貌、地形掃描、鐵軌等大范圍的測(cè)量時(shí)，一般會(huì)選擇橫波測(cè)量。如何調(diào)節(jié)和控制換能器發(fā)射聲波的方向特性和振動(dòng)模式，滿足實(shí)際應(yīng)用的多樣化需求(材料結(jié)構(gòu)和不連續(xù)可能存在的位置和取向?qū)Q定選擇波束的方向和振動(dòng)的模式)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)于傳統(tǒng)的或者尺寸較大的壓電超聲換能器，通常在換能器與被測(cè)構(gòu)件之間引入斜楔材料，通過(guò)改變斜楔角度來(lái)調(diào)節(jié)聲波的方向特性和振動(dòng)模式。超聲波在材料中的傳播角度(從被檢表面的法線量起)和振動(dòng)模式將根據(jù)斜楔角度、斜楔中的超聲聲速和被檢材料中的超聲聲速來(lái)定。采用斜楔對(duì)基于微機(jī)械加工技術(shù)的PMUT壓電超聲換能器，存在加工工藝復(fù)雜，加工難度和加工成本相對(duì)較大，且器件容易因?yàn)闄C(jī)械振動(dòng)或熱應(yīng)力等原因造成斜楔結(jié)構(gòu)變形或磨損，導(dǎo)致聲波方向和振動(dòng)模式調(diào)節(jié)能力的下降甚至失效。

另一個(gè)有效調(diào)控聲波方向和振動(dòng)模式的方法是基于超聲波陣列的相控技術(shù)。該技術(shù)通常按照一定的規(guī)則和時(shí)序激發(fā)一組換能器晶片，通過(guò)調(diào)整激發(fā)晶片的序列、數(shù)量、時(shí)序來(lái)控制聲波波束的形狀、軸線偏轉(zhuǎn)角度及焦點(diǎn)位置等。但是超聲相控技術(shù)通常需要精密復(fù)雜的相控器件布局和功能強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)做支撐，制造工藝復(fù)雜，對(duì)相控陣儀器激發(fā)能力要求高且設(shè)備昂貴。

如何簡(jiǎn)易且高效地調(diào)節(jié)和控制換能器發(fā)射聲波的方向特性和振動(dòng)模式，成為一個(gè)亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種壓電微機(jī)械超聲換能器及其制備方法，以實(shí)現(xiàn)換能器發(fā)射聲波的方向特性和振動(dòng)模式的簡(jiǎn)易且高效地調(diào)節(jié)和控制。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種壓電微機(jī)械超聲換能器，所述換能器包括：襯底層、下電極層、壓電薄膜層和上電極層；

所述下電極層設(shè)置在所述襯底層的上部、所述壓電薄膜層設(shè)置在所述下電極層的上部，所述上電極層設(shè)置在所述壓電薄膜層的上部；被測(cè)構(gòu)件放置在所述上電極層的上部；