[發明專利]一種中心支撐的壓電式微機械超聲換能器

在審

• 申請號: 202210732005.8
• 申請日: 2022-06-26
• 公開（公告）號: CN115025959A
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 任俊彥;王言;何勒銘
• 申請（專利權）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

本發明屬于微機電技術領域，具體為一種中心支撐的壓電式微機械超聲換能器。本發明超聲換能器是由微機械超聲換能器單元延拓形成的二維陣列組成；換能器單元結構包括：襯底、支撐柱、空腔、中性層和振動層；支撐柱和空腔位于同一高度，且支撐柱位于空腔中心；振動層包含彈性層、底電極層、壓電層和頂電極層；彈性層通過支撐柱與襯底連接，其外沿不與支撐層或襯底硬接觸或相連，可做大幅度振動。本發明在加載負載介質后，其振動特征為以中心支撐柱為支點，振動膜外沿具有較大振動自由度。本發明的振動模態具有更大的薄膜平均振幅和更高的機電耦合系數，進而實現高性能的超聲波信號收發。通過設計不同支撐柱半徑，改變換能器的諧振頻率等特性。

技術領域

本發明屬于微機械技術領域，具體涉及一種微機械超聲換能器。

背景技術

隨著超聲技術的發展，氣介式超聲換能器的應用日趨廣泛。超聲在氣體中的應用主要包括無損檢測，如測距、測厚度以及料位監控等。在氣介超聲換能器中，壓電式換能器是運用最廣泛的一種。壓電式超聲換能器既可以產生超聲還可以用來接收超聲。壓電式超聲換能器的應用很多，其原因之一在超聲位于人耳的聽覺范圍以外，第二個原因在于超聲的波長較短，因此可以用較小尺寸的換能器得到比較的指向性。

空氣耦合超聲換能器是空氣中超聲檢測系統的關鍵部件。設計空氣超聲換能器應考慮空氣中超聲檢測系統的主要性能指標，其中包括最大檢測距離、精度、分辨率、重復性、工作頻率和帶寬、聲場指向性、抗干擾能力、尺寸和價格等。

采用微機械工藝，目前可以生產大批量、小尺寸的壓電式微機械超聲換能器，同時還極大降低了超聲系統的體積和成本。壓電式微機械超聲換能器的基本原理在于通過壓電材料的正逆壓電效應使壓電薄膜振動，從而發射或者接收超聲波信號。傳統的壓電式微機械超聲換能器的基本結構從下到上分別為帶空腔的襯底、彈性層、底電極、壓電層、頂電極?？涨簧蠎铱諈^域被稱為振膜。振膜的上下振動擠壓負載介質形成超聲波。因此，其工作模態是整個振膜的均勻上下振動。該振動模式的特性在于邊緣束縛，中心振動幅度較大。這種諧振模態與厚膜壓電陶瓷的厚度諧振模式相比，振動幅度較小，機電耦合效率低。因而，本發明從換能器結構創新出發，構建了新的振動模態，有助于突破傳統壓電式微機械換能器的性能瓶頸。

發明內容

本發明的目的在于提出一種中心支撐的壓電式微機械超聲換能器，以實現高性能超聲信號收發。

本發明提供的中心支撐的壓電式微機械超聲換能器，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構參見圖1所示，包括自下而上依次設置的：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所圍成的區域；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邊緣之間有一點間隔（即其邊緣不與襯底1邊緣硬接觸或相連）。

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，并可以作為壓電振動膜9的中性層，影響膜振動的彎曲模式。

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；由于壓電效應，在底電極5和頂電極7之間施加電壓，會在壓電層6中產生水平方向的應力。由于下面的彈性層4，該應力將導致壓電層6產生彎曲形變。因此，當激勵信號為交流電壓時，可以使得振動層8產生彎曲模式的振動。而由于逆壓電效應，在壓電層6產生形變時，產生相應的應力，由此會在底電極5和頂電極7之間有感應電勢差。因此，通過壓電層6的正逆壓電效應，可以將機械能與電能相互轉換。