[發(fā)明專利]一種基于支撐柱的微機(jī)械超聲換能器

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210809384.6
• 申請(qǐng)日: 2022-07-10
• 公開（公告）號(hào): CN115106275A
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 任俊彥;何勒銘;王言
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號(hào): B06B1/06
• 分類號(hào): 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(fā)明屬于微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于支撐柱的微機(jī)械超聲換能器。本發(fā)明微機(jī)械超聲換能器是由基本單元經(jīng)拼接、延拓組成的平面陣列；基本單元包括壓電疊層、中性層、支撐柱和襯底；壓電疊層包含上電極層、壓電層與底電極層；中性層為壓電疊層提供支撐，并使壓電疊層在受激產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，復(fù)合薄膜的應(yīng)變中性面處于中性層內(nèi)；支撐柱為中性層提供支撐，為離散分布的柱狀結(jié)構(gòu)，形成高填充密度的換能器，提升薄膜振動(dòng)的有效面積；上電極層與底電極層構(gòu)成電極對(duì)，用于壓電層上的電場(chǎng)、電荷、電壓的施加與采集；通過施加直流偏置電壓，對(duì)壓電疊層進(jìn)行靜態(tài)控制；通過施加交流耦合信號(hào)，對(duì)壓電疊層進(jìn)行動(dòng)態(tài)激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)高性能的超聲波信號(hào)收發(fā)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微機(jī)械超聲換能器。

背景技術(shù)

超聲成像具有無電離副作用、靈敏度高、實(shí)時(shí)成像、對(duì)組織無損傷、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)無損檢測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)與智能傳感等領(lǐng)域。超聲換能器是上述應(yīng)用中的關(guān)鍵模塊，它負(fù)責(zé)將超聲波信號(hào)與電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其所擁有的靈敏度性能及帶寬，直接決定了成像質(zhì)量與傳感精度的好壞。

微機(jī)械超聲換能器采用MEMS工藝加工，適合高效率制備超聲換能器陣列，且有潛力與CMOS芯片實(shí)現(xiàn)集成，有利于提升信噪比，降低超聲系統(tǒng)的體積和成本。微機(jī)械超聲換能器的基本原理在于，通過靜電力效應(yīng)或壓電效應(yīng)，將電信號(hào)激勵(lì)轉(zhuǎn)換為力學(xué)激勵(lì)（或相反），從而使中心處的薄膜彎曲振動(dòng)，向外擠壓導(dǎo)聲介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)超聲波的收發(fā)。

上述微機(jī)械超聲換能器的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于邊緣全固定的圓盤或方盤的彎曲振動(dòng)模式，在受電信號(hào)激勵(lì)或?qū)暯橘|(zhì)擠壓時(shí)，呈現(xiàn)出薄膜中間局部凸起的振動(dòng)形態(tài)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是有較厚的側(cè)墻形成環(huán)面支撐，單元間距離大，支撐部位無法振動(dòng)，限制了有效面積。這使得在形成大規(guī)模陣列時(shí)，可以有效振動(dòng)的總面積有限，輸出聲壓和接收靈敏度差。因而，提高薄膜振動(dòng)的有效面積，降低損耗，并結(jié)合可與CMOS集成電路異質(zhì)封裝的潛力，有助于突破目前微機(jī)械換能器的性能與工藝瓶頸，實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高集成度的微機(jī)械超聲換能器陣列。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種基于支撐柱的微機(jī)械超聲換能器，以擴(kuò)大振膜有效面積、提高陣列填充密度，具備高聲壓輸出和與CMOS異質(zhì)集成能力，實(shí)現(xiàn)高性能超聲波信號(hào)收發(fā)。

本發(fā)明提供的基于支撐柱的微機(jī)械超聲換能器，由基本單元經(jīng)延拓組成的平面陣列，具體包括：由基本單元全并聯(lián)拼接形成的陣列，或者由若干個(gè)基本單元（數(shù)個(gè)至數(shù)百乃至萬個(gè)）并聯(lián)拼接形成的線陣陣元，再延拓形成的線陣列，或者由全并聯(lián)陣列延拓形成的二維陣列；其中，所述基本單元的結(jié)構(gòu)包括壓電疊層1、中性層2、支撐柱3和襯底4；壓電疊層自上而下包含一薄的上電極層1-1、壓電層1-2與底電極層1-3；中性層2在底電極層1-3下方，為壓電疊層1提供支撐作用，并且，使得壓電疊層1在受激產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，壓電疊層1與中性層2構(gòu)成的復(fù)合薄膜的應(yīng)變中性面處于中性層2內(nèi)；支撐柱3位于中性層2下方，為中性層提供支撐；襯底4位于支撐柱3下方，為整體結(jié)構(gòu)提供固定支撐；

所述壓電疊層1的上電極層1-1與底電極層1-3構(gòu)成電極對(duì)，用于壓電層1-2上的電場(chǎng)、電荷、電壓的施加與采集；其中，可以通過施加直流偏置電壓，對(duì)壓電疊層1進(jìn)行靜態(tài)控制；通過施加交流耦合信號(hào)，對(duì)壓電疊層1進(jìn)行動(dòng)態(tài)激勵(lì)；

所述基本單元的結(jié)構(gòu)的周邊外形為凸多邊形，例如為形狀為三角形、方形、六邊形，見圖2所示；典型的形狀為正三角形、正方形、正六邊形等。圖1為由基本單元為等邊三角形拼接形成的六面體陣列微機(jī)械超聲換能器圖示。

進(jìn)一步地，所述各種形狀的基本單元，可以是一種形狀的基本單元組合拼接，形成平面陣列結(jié)構(gòu)；也可以由不同形狀的基本單元組合拼接，形成平面陣列結(jié)構(gòu)；不同形狀的基本單元的邊長(zhǎng)相互匹配，使不同單元之間邊界緊密拼接；

進(jìn)一步地，所述各種形狀的基本單元，也可以由單一形狀的基本單元進(jìn)行延拓排布形成一線陣列；也可以由不同形狀的基本單元進(jìn)行組合拼接形成一線陣列，其中，邊長(zhǎng)相互匹配（相對(duì)），使不同單元之間邊界緊密拼接；