[發(fā)明專利]多頻壓電式微型超聲換能器單元、陣列和方法

在審

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• 申請日: 2020-09-23
• 公開（公告）號: CN112452694A
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫長河;羅明璋;黑創(chuàng)
• 申請（專利權(quán)）人: 長江大學(xué)
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06
• 代理公司: 武漢河山金堂專利事務(wù)所(普通合伙) 42212
• 代理人: 胡清堂

多頻壓電式微型超聲換能器單元及其陣列，包括：自下向上依次層疊設(shè)置的襯底、支撐膜、底電極、壓電薄膜和頂電極；其中，所述支撐膜和所述壓電薄膜中至少有一個被設(shè)計成隨厚度變化的結(jié)構(gòu)，且該結(jié)構(gòu)沿厚度方向的截面為階梯形、三角形、拋物線形或凸臺形。其優(yōu)點是：采用振動薄膜變厚的多頻壓電式微型超聲換能器單元結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以避免復(fù)合模態(tài)的形成，增加多頻壓電式微型超聲換能器單元工作時的多頻諧波分量，只需要一個多頻壓電式微型超聲換能器單元即可實現(xiàn)對多頻超聲波的激勵。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微納機電器件設(shè)計與制造技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是多頻壓電式微型超聲換能器單元、陣列和方法。

背景技術(shù)

超聲換能器是按照機械能與電能相互轉(zhuǎn)換的原理激發(fā)或接收超聲波信號的傳感器，是現(xiàn)代超聲波檢測與成像系統(tǒng)中不可或缺的核心功能器件，在經(jīng)濟建設(shè)、社會發(fā)展和國防安全中發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的超聲換能器采用塊體狀壓電陶瓷設(shè)計制作，存在體積大、聲阻抗易失配、頻帶窄、功耗大、難于集成等諸多缺陷，而基于微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技術(shù)的微型超聲換能器(Micromachined UltrasonicTransducer,MUT)在體積、功耗、集成度和阻抗匹配方面具有獨特的優(yōu)勢，特別是壓電式微型超聲換能器(pMUT)能克服電容式微型超聲換能器(cMUT)制備工藝復(fù)雜、空腔密封性差、偏置電壓高、易受寄生電容影響、長期工作穩(wěn)定性差等不足，在精準(zhǔn)醫(yī)療、智能機器人、自動駕駛、生物特征識別等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

由于多頻超聲比單頻超聲在檢測、傳感與治療應(yīng)用領(lǐng)域具有更明顯的優(yōu)勢，但是現(xiàn)有的pMUT器件工作頻率一般比較單一，難以兼顧超聲檢測分辨率和穿透能力，常常需要采用多種單頻的pMUT單元組合設(shè)計成混合單元型的多頻pMUT陣列，例如中國發(fā)明專利CN105980968B、美國專利US9815087、美國專利US9945818和美國專利US10497747。這種陣列結(jié)構(gòu)可以按照不同pMUT單元水平交織或垂直堆疊排列方式設(shè)計，但是相鄰單元間易發(fā)生超聲串?dāng)_，影響最終超聲檢測或成像的效果，因此需要額外考慮設(shè)計一層頻率選擇隔離層，增加了器件整體體積、功耗、設(shè)計復(fù)雜度和制作成本。

此外，通過搭配合適的控制電路，可以實現(xiàn)對pMUT單元的基波和高階諧波激勵，例如中國發(fā)明專利CN104271265A和美國專利US8767512，并且可借助超聲造影劑對高階諧波進(jìn)行非線性放大，從而獲得具有醫(yī)學(xué)精準(zhǔn)成像實用價值的多頻帶超聲波，但是該方法需要的控制電路一般比較復(fù)雜，頻帶設(shè)計靈活性差，甚至需要考慮頂電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計以提升高階諧波的機電轉(zhuǎn)換能力，難以滿足大量、快捷的實際檢測需求。

因此，為了設(shè)計出具有多頻帶且各頻帶設(shè)計靈活的多頻pMUT單元或其單一單元型pMUT陣列，通過優(yōu)化設(shè)計pMUT振動薄膜的結(jié)構(gòu)剛度與質(zhì)量分布是實現(xiàn)該高性能pMUT器件的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供多頻壓電式微型超聲換能器單元、陣列和方法，通過對多頻壓電式微型超聲換能器單元振動薄膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計來優(yōu)化其剛度和質(zhì)量分布，實現(xiàn)對平膜多頻壓電式微型超聲換能器單元中復(fù)合模態(tài)的解耦合，提升高階模態(tài)的機電轉(zhuǎn)換能力以增加多頻壓電式微型超聲換能器單元的高階諧波分量，并通過優(yōu)化設(shè)計多頻壓電式微型超聲換能器單元振動薄膜的長寬口徑比來控制一階模態(tài)與高階模態(tài)之間的頻率間隔，進(jìn)而達(dá)到只采用一個多頻壓電式微型超聲換能器單元或均一多頻壓電式微型超聲換能器單元的陣列便可獲得多頻帶超聲波信號的目的。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

本發(fā)明第一方面保護(hù)一種多頻壓電式微型超聲換能器單元，包括自下向上依次層疊設(shè)置的襯底、支撐膜、底電極、壓電薄膜和頂電極；

其中，所述支撐膜和所述壓電薄膜中至少有一個被設(shè)計成隨厚度變化的結(jié)構(gòu)，且該結(jié)構(gòu)沿厚度方向的截面為階梯形、三角形、拋物線形或凸臺形。

優(yōu)選地，所述襯底中含有一個空腔，且空腔的水平截面形狀為多邊形、圓形或橢圓形。