[發明專利]一種約束釋放型差分式壓電超聲換能器芯片及其工作方法

有效

• 申請號: 202010987173.2
• 申請日: 2020-09-18
• 公開（公告）號: CN112076973B
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發明（設計）人: 牟笑靜;周雪梅;易擁潔;蔡貴祥;黃河
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06;G10K9/122;G01H11/08
• 代理公司: 重慶強大凱創專利代理事務所(普通合伙) 50217
• 代理人: 隋金艷

本發明涉及超聲檢測技術領域，具體為一種約束釋放型差分式壓電超聲換能器芯片及其工作方法，該超聲換能器芯片由下至上依次包括支撐層、底電極、壓電層和頂電極，所述壓電層對應頂電極外邊緣外部的位置處向下設有環形隔離槽。所述環形隔離槽深度小于等于壓電層和底電極的高度和。所述支撐層包括基底層，基底層上設有停止層，停止層上設有彈性層，所述基底層的底部向上開設有空腔。所述空腔貫穿或不貫穿基底層。本申請的約束釋放型差分式壓電超聲換能器芯片及其工作方法，能夠釋放換能器振動系統的固定約束，減小殘余應力，進而增大換能器的振動幅度，增大有用信號輸出，增大換能器的靈敏度，解決現有技術存在的振動幅度小，靈敏度低等問題。

技術領域

本發明涉及超聲檢測技術領域，具體為一種約束釋放型差分式壓電超聲換能器芯片及其工作方法。

背景技術

超聲檢測技術屬于聲學傳感檢測技術，其主要利用超聲波進行物質檢測工作，它屬于五種常規的無損檢測方法中的一種。它是指利用超聲波在介質中的傳播方向性好、反射能力強、易于獲得較集中的聲能，且傳播衰減少、超聲波所含能量大、對人體無害等優良特性，在測距、測速、無損檢測、水下通信、指紋傳感、智能家居等領域進行檢測的技術。壓電超聲換能器作為一種高端超聲無損檢測儀器的主要部件，其核心作用是利用壓電材料的壓電效應進行電能和機械能(聲能)之間的相互轉換，即可無源使用也可有源使用。壓電超聲換能器進行超聲波發射時，被稱為發射器件，利用壓電材料的逆壓電效應將施加到換能器的電信號轉換為超聲信號發射，其發射信號在介質中傳播，由于介質的物理量發生變化(例如在一定厚度的固體中傳播、在空氣的兩點之間進行傳播反射等)，從而引起接收端壓電超聲換能器產生正壓電效應，引起接收端電學輸出量發生變化。因此可以通過便捷測量電學量的變化推斷出待測外界的具體物理參數，從而達到指紋傳感、無損檢測、水下通信、智能測距等檢測目的。

在超聲檢測器件的使用過程中，薄膜振動幅度大小、傳輸靈敏度高低是換能器件的重要指標，它反應了器件的聲—電轉換效率，即整個器件的機電耦合系數。薄膜振動幅度大小和殘余應力大小，直接影響著有用輸出信號的大小，也直接影響著聲—電轉換效率的高低，直接影響著差分壓電超聲換能器的機械效率、靈敏度大小。靈敏度和機械效率均是檢測儀器的重要靜態指標，反應了檢測儀器的檢測水平。目前，在壓電超聲換能器領域，存在薄膜振動幅度小、殘余應力大、傳輸靈敏度低等顯著性問題。

發明內容

本發明意在提供一種約束釋放型差分式壓電超聲換能器芯片及其工作方法，能夠釋放換能器振動系統的固定約束，減小殘余應力，進而增大換能器的振動幅度，增大有用信號輸出，增大換能器的靈敏度，解決現有技術存在的振動幅度小，靈敏度低等問題。

本申請提供如下技術方案：

一種約束釋放型差分式壓電超聲換能器芯片，由下至上依次包括支撐層、底電極、壓電層和頂電極，所述壓電層對應頂電極外邊緣外部的位置處向下設有環形隔離槽。

進一步，所述環形隔離槽深度小于等于壓電層和底電極的高度和。

進一步，所述支撐層包括基底層，基底層上設有停止層，停止層上設有彈性層，所述基底層的底部向上開設有空腔。

進一步，所述空腔貫穿或不貫穿基底層。

空腔貫穿基底層可以提高芯片靈敏度，空腔不貫穿基底層可以是的基底層頂部保留較薄的層，有利于提高成品率，同時也提高器件的耐性，增強芯片在外界破壞作用下的生存能力。

進一步，還包括若干機械槽組，每組機械槽組包括若干機械槽，所述機械槽的開槽面為頂電極的頂面、壓電層的頂面或其他機械槽的槽底面。

進一步，所述頂電極包括頂部內電極以及環繞在頂部內電極周圍的頂部外電極，所述機械槽組設置在頂部內電極和頂部外電極之間或頂部外電極上。

進一步，每組機械槽組的機械槽繞頂部內電極周向均勻分布。