[發(fā)明專利]一種中心支撐的壓電式微機械超聲換能器

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202210732005.8
• 申請日: 2022-06-26
• 公開（公告）號: CN115025959A
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 任俊彥;王言;何勒銘
• 申請（專利權(quán)）人: 復旦大學
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

1.一種中心支撐的壓電式微機械超聲換能器，其特征在于，是由微機械超聲換能器單元進行延拓形成的二維陣列；所述換能器單元的結(jié)構(gòu)包括自下而上設(shè)置的：襯底（1）、支撐柱（2）、空腔（3）、彈性層（4）、底電極（5）、壓電層（6）和頂電極（7）；其中：

所述彈性層（4）、底電極（5）、壓電層（6）和頂電極（7）依次疊合組成振動層（8）；所述底電極（5）和頂電極（7）形成電極對；

所述空腔（3）為被彈性層（4）和襯底（1）所圍成的空間區(qū)域；空腔（3）為振動層（8）的振動提供活動空間；

所述支撐柱（2）位于振動層（8）下方、空腔3的中心位置，且與空腔（3）處于同一高度，為振動層（8）提供支撐和約束，是振動層（8）振動的重要邊界條件，決定了其振動模式；

所述彈性層（4）通過位于其中心的支撐柱（2）與襯底（1）連接，且彈性層（4）的邊緣與圍成空腔（3）的襯底（1）邊緣之間有一定間隔；

所述彈性層（4）位于底電極（5）下方；彈性層（4）為薄膜提供機械支撐，并作為壓電振動膜（9）的中性層，影響膜振動的彎曲模式。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電式微機械超聲換能器，其特征在于，所述壓電層（6）位于底電極（5）和頂電極（7）之間，其壓電效應通過在底電極（5）和頂電極（7）之間的電激勵信號來激發(fā)；由于壓電效應，在底電極（5）和頂電極（7）之間施加電壓，在壓電層（6）中產(chǎn)生水平方向的應力；由于下面的彈性層（4），該應力將導致壓電層（6）產(chǎn)生彎曲形變；當激勵信號為交流電壓時，使得振動層（8）產(chǎn)生彎曲模式的振動；由于逆壓電效應，在壓電層（6）產(chǎn)生形變時，產(chǎn)生相應的應力，由此在底電極（5）和頂電極（7）之間有感應電勢差；通過壓電層（6）的正逆壓電效應，實現(xiàn)機械能與電能相互轉(zhuǎn)換；

振動層（8）通過與負載介質(zhì)的作用，最終將電能轉(zhuǎn)換為聲能，或者將聲能轉(zhuǎn)換為電能。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電式微機械超聲換能器，其特征在于，所述換能器單元整體為圓形，其組成部件襯底（1）、振動層（8）、空腔（3）均呈圓形。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電式微機械超聲換能器，其特征在于，所述襯底（1）的材料為硅或二氧化硅，其厚度為100-300μm。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電式微機械超聲換能器，其特征在于，所述支撐柱（2）位于振動層（8）中心，形狀為圓柱或方柱，其半徑小于振動層（8）；所述支撐柱（2）的半徑為1～50μm，其高度為0.1～10μm；所述支撐柱（2）由絕緣材料制成。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電式微機械超聲換能器，其特征在于，所述壓電層（6）的壓電材料選自PZT、PVDF、AlN、摻雜AlN、ScAlN中的至少一種；所述彈性層（4）的材料是硅。

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電式微機械超聲換能器，其特征在于，所述空腔（3）為環(huán)形，內(nèi)徑等于支撐柱（2），外徑大于振動層（8）；空腔（3）高度為0.1～10μm。

8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電式微機械超聲換能器，其特征在于，所述彈性層（4）厚度為1～10μm，半徑為10～100μm。

9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電式微機械超聲換能器，其特征在于，所述底電極（5）和頂電極（7）的材料為導電金屬，其厚度為0.1～0.5μm，其半徑等于或小于彈性層（4）。

10.根據(jù)權(quán)利要求1-9之一所述的壓電式微機械超聲換能器，其特征在于，還包括如下結(jié)構(gòu)變形：

變形結(jié)構(gòu)一：支撐柱2和振動膜8的形狀為方形或長方形；支撐柱2把空腔3從中線分割為兩半；振動膜8的左右外沿不與其他結(jié)構(gòu)硬接觸或相連；

變形結(jié)構(gòu)二：對底電極5、壓電層6和頂電極7圖形化刻蝕，形成與彈性層4同心的環(huán)形疊層；壓電層6中壓電材料產(chǎn)生的應力作用于振動層8的外圈區(qū)域；由于振動層8的外圈區(qū)域所受約束更小，更容易振動，因此直接作用于此區(qū)域可以實現(xiàn)更高的機電轉(zhuǎn)換效率；

變形結(jié)構(gòu)三：在空腔3底部引入靜電電極9；靜電電極9為與支撐柱同心的環(huán)狀結(jié)構(gòu)；通過在靜電電極9上施加直流偏置電壓，由于靜電電極9和底電極5之間的靜電力作用，可以調(diào)節(jié)振動層8的靜態(tài)形變；通過在靜電電極9上施加交流激勵里，由于靜電電極9和底電極5之間的靜電力作用，進一步優(yōu)化振動層8的振動模態(tài)，提高換能器的靈敏度和帶寬；

變形結(jié)構(gòu)四：支撐柱2采用壓電材料，襯底1采用導電摻雜的低阻硅；此時，襯底1既作為靜電電極，還作為壓電支撐柱2的激勵電極；通過在導電的襯底1上施加電壓信號，調(diào)節(jié)支撐柱2的高度，使得換能器擁有更豐富的工作模式。