一种微型压电超声换能器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种微型压电超声换能器，在硅衬底上设置至少一个震膜结构，该震膜结构为凸出于硅衬底的中空曲面，即震膜结构的外轮廓为圆滑的曲面且曲面内部中空。通过将震膜结构从二维平面结构变更为三维立体的中空结构，使换能器无需设置支撑层，凭借震膜结构即可完成超声换能工作。并且，由于震膜结构具有三维立体的曲面，换能器工作时依靠震膜结构产生的应变方向从横向变为了与横向具有一定角度的倾斜方向，因此，震膜结构产生的应变可以直接贡献为垂直于硅衬底方向的形变和震动，无需经过横向应变到垂直方向应变的转换过程，这样可以提高微型压电超声换能器的机电耦合系数，从而提高换能器能量转换效率，降低工作能耗。

Miniature piezoelectric ultrasonic transducer

The utility model discloses a miniature piezoelectric ultrasonic transducer, at least one diaphragm structure is arranged on the silicon substrate, the diaphragm structure is in a hollow surface protruding from the silicon substrate, the shock of membrane structure contour is smooth curved surface and curved hollow inside. By changing the structure of the shock film from the two-dimensional plane structure to the three-dimensional hollow structure, the transducer can not be set up with the support layer, and the ultrasonic energy transfer can be completed by the structure of the shock film. And, because the shock surface membrane structure with three-dimensional, transducer work rely on diaphragm structure strain direction from horizontal to inclined direction, has a certain angle with the horizontal strain so the shock generated membrane structure can directly contribute to the deformation and vibration direction perpendicular to the silicon substrate, without transverse strain to convert the vertical strain process, which can improve the electromechanical coupling coefficient of piezoelectric micromachined ultrasonic transducer, transducer to improve the energy conversion efficiency, reduce energy consumption.

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及换能器
，尤其涉及一种微型压电超声换能器。
技术介绍
目前，常见的微型压电超声换能器是采用二维平面的震膜结构，即如图1所示，换能器包括：设置在硅衬底1上的支撑层2，以及依次设置在支撑层2上的第一电极层3、压电层4和第二电极层5；其中，第一电极层3、压电层4和第二电极层5构成了二维平面的震膜结构，换能器通过震膜结构的震动将输入的电信号转换成超声能量输出。换能器工作时依靠压电层4产生横向应变，经过支撑层2的协助，横向应变再通过应力不平衡而围绕应力中性面产生垂直于硅衬底1方向的形变。此种换能方式经过了应变的横向-垂直转换过程，因此机电耦合系数低，换能器产生一定超声声压时消耗的电能高，电能转换成机械能(振动)的效率低。因此，如何提高微型压电超声换能器的机电耦合系数，以提高换能器能量转换效率且降低工作能耗，是本领域技术亟需解决的技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本技术实施例提供了一种微型压电超声换能器，用以解决现有的换能器机电耦合系数较低的问题。因此，本技术提供的一种微型压电超声换能器，包括：硅衬底，设置在所述硅衬底上的至少一个震膜结构，所述震膜结构为凸出于所述硅衬底的中空曲面。在一种可能的实现方式中，在本技术实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述震膜结构在垂直于所述硅衬底方向上的截面为圆拱形。在一种可能的实现方式中，在本技术实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述震膜结构为球拱型、椭球拱型或半圆柱型。在一种可能的实现方式中，在本技术实施例提供的上述微型压电超声换能器中，球拱型或椭球拱型的所述震膜结构在所述硅衬底上正投影的最大直径为10微米至1000微米；半圆柱型的所述震膜结构在所述硅衬底上正投影的最大边长为10微米至1000微米。在一种可能的实现方式中，在本技术实施例提供的上述微型压电超声换能器中，球拱型或椭球拱型的所述震膜结构在所述硅衬底上正投影的最大直径为60微米；半圆柱型的所述震膜结构在所述硅衬底上正投影的最大边长为60微米。在一种可能的实现方式中，在本技术实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述震膜结构凸出于所述硅衬底的最大高度为1微米至100微米。在一种可能的实现方式中，在本技术实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述震膜结构凸出于所述硅衬底的最大高度为2微米。在一种可能的实现方式中，在本技术实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述震膜结构的厚度为0.2微米至10微米。在一种可能的实现方式中，在本技术实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述震膜结构的厚度为2微米。在一种可能的实现方式中，在本技术实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述震膜结构具体包括：层叠设置的第一电极层、压电层和第二电极层。在一种可能的实现方式中，在本技术实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述压电层的材料为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅。在一种可能的实现方式中，在本技术实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述第一电极层和所述第二电极层的材料为钼、钽、铝、钛、金、铂金之一或以上组合材料的层状复合结构或合金。本技术实施例的有益效果包括：本技术实施例提供的一种微型压电超声换能器，在硅衬底上设置至少一个震膜结构，该震膜结构为凸出于硅衬底的中空曲面，即震膜结构的外轮廓为圆滑的曲面且曲面内部中空。通过将震膜结构从二维平面结构变更为三维立体的中空结构，使换能器无需支撑层的协助，凭借震膜结构即可完成超声换能工作，因此，可以省去在硅衬底与震膜结构之间设置的支撑层。并且，由于震膜结构具有三维立体的曲面，换能器工作时依靠震膜结构产生的应变方向从横向变为了与横向具有一定角度的倾斜方向，因此，震膜结构产生的应变可以直接贡献为垂直于硅衬底方向的形变和震动，无需经过横向应变到垂直方向应变的转换过程，这样可以提高微型压电超声换能器的机电耦合系数，从而提高换能器能量转换效率，降低工作能耗。附图说明图1为现有技术中微型压电超声换能器的结构示意图；图2为本技术实施例提供的微型压电超声换能器的结构示意图之一；图3a和图3b分别为本技术实施例提供的微型压电超声换能器中震膜结构的立体示意图；图4为本技术实施例提供的微型压电超声换能器的结构示意图之二；图5a为现有技术中的圆形平面震膜结构的谐振频率与振幅的仿真图；图5b为本技术实施例提供的震膜结构的谐振频率与振幅的仿真图。具体实施方式下面结合附图，对本技术实施例提供的微型压电超声换能器的具体实施方式进行详细地说明。附图中各层的厚度和区域形状不反映微型压电超声换能器的真实比例，目的只是示意说明本
技术实现思路
。本技术提供的一种微型压电超声换能器，如图2所示，包括：硅衬底100，设置在硅衬底100上的至少一个震膜结构200，该震膜结构200为凸出于硅衬底100的中空曲面，即震膜结构200的外轮廓为圆滑的曲面且曲面内部中空。本技术实施例提供的上述微型压电超声换能器，通过将震膜结构200从二维平面结构变更为三维立体的中空结构，使换能器无需支撑层的协助，凭借震膜结构200即可完成超声换能工作，因此，可以省去在硅衬底100与震膜结构200之间设置的支撑层。并且，由于震膜结构200具有三维立体的曲面，换能器工作时依靠震膜结构200产生的应变方向从横向变为了与横向具有一定角度的倾斜方向，因此，震膜结构200产生的应变可以直接贡献为垂直于硅衬底100方向的形变和震动，无需经过横向应变到垂直方向应变的转换过程，这样可以提高微型压电超声换能器的机电耦合系数，从而提高换能器能量转换效率，降低工作能耗。在具体实施时，在本技术实施例提供的上述微型压电超声换能器中，震膜结构200如图2所示，可以具体包括：层叠设置的第一电极层201、压电层202和第二电极层203。其中，第一电极层201和第二电极层203分别加载固定电压信号和具有一定频率的电压信号，以使压电层202根据加载的信号频率发生谐振。在具体实施时，在本技术实施例提供的上述微型压电超声换能器中，压电层202的材料可以为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅等具有压电效应的材料。在具体实施时，在本技术实施例提供的上述微型压电超声换能器中，第一电极层201和第二电极层203的材料可以为钼、钽、铝、钛、金、铂金之一或以上组合材料的层状复合结构或合金等导电材料。例如，可以是钼和铝的层状复合结构。并且，第一电极层201的材料可以与第二电极层202的材料相同，也可以不同，在此不做限定。在具体实施时，在本技术实施例提供的上述微型压电超声换能器中，为了便于保证震膜结构可以有效谐振，组成震膜结构200的第一电极层201、压电层202和第二电极层203形状需要保证基本一致。在具体实施时，在本技术实施例提供的上述微型压电超声换能器中，由于震膜结构200的外轮廓为圆滑的曲面且曲面内部中空，因此，如图2所示，震膜结构200在垂直于硅衬底100方向(竖直方向)上的截面可以为圆拱形。基于此，具体地，在本技术实施例提供的上述微型压电超声换能器中，震膜结构200的具体形状可以为如图3a所示的球拱型、椭球拱型、或如图3b所示的半圆柱型。具体地，在本技术实施例提供的上述微型压电超声换能器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微型压电超声换能器，其特征在于，包括：硅衬底，设置在所述硅衬底上的至少一个震膜结构，所述震膜结构为凸出于所述硅衬底的中空曲面。

【技术特征摘要】
1.一种微型压电超声换能器，其特征在于，包括：硅衬底，设置在所述硅衬底上的至少一个震膜结构，所述震膜结构为凸出于所述硅衬底的中空曲面。2.如权利要求1所述的微型压电超声换能器，其特征在于，所述震膜结构在垂直于所述硅衬底方向上的截面为圆拱形。3.如权利要求2所述的微型压电超声换能器，其特征在于，所述震膜结构为球拱型、椭球拱型或半圆柱型。4.如权利要求3所述的微型压电超声换能器，其特征在于，球拱型或椭球拱型的所述震膜结构在所述硅衬底上正投影的最大直径为10微米至1000微米；半圆柱型的所述震膜结构在所述硅衬底上正投影的最大边长为10微米至1000微米。5.如权利要求4所述的微型压电超声换能器，其特征在于，球拱型或椭球拱型的所述震膜结构在所述硅衬底上正投影的最大直径为60微米；半圆柱型的所述震膜结构在所述硅衬底上正投影的最大边长为60微米。6.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王韬，
申请(专利权)人：深圳市诺维创科技有限公司，
类型：新型
国别省市：广东;44