一种压电微机械超声换能器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种压电微机械超声换能器及其制备方法，所述换能器从下往上依次包括：衬底层、下电极层、压电薄膜层和上电极层；所述上电极层包括第一上电极和第二上电极，所述第一上电极和所述第二上电极呈环状交叉设置，形成一对叉齿电极，在使用时，被测构件放置在所述上电极层的上部，所述第一上电极上和所述下电极层之间施加有第一交流电信号，所述第二上电极和所述下电极层之间施加有第二交流电信号，通过调节所述第一交流电信号和所述第二交流电信号的相位差，即可调节压电薄膜层的振动状态，进而调节被测构件中声波的方向特征和振动模式，实现了换能器发射声波的方向特性和振动模式简易且高效地调节和控制。

A piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer and its preparation method

The invention discloses a piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer and a preparation method thereof. The transducer comprises a substrate layer, a lower electrode layer, a piezoelectric film layer and an upper electrode layer from bottom to top, and the upper electrode layer comprises a first upper electrode and a second upper electrode, which are arranged annularly to form a pair of fork-tooth electrodes when used. The measured component is placed on the upper part of the upper electrode layer. The first upper electrode and the lower electrode layer are provided with a first alternating current signal, and the second alternating current signal is applied between the second upper electrode and the lower electrode layer. By adjusting the phase difference between the first alternating current signal and the second alternating current signal, the vibration state of the piezoelectric thin film layer can be adjusted. By adjusting the directional characteristics and vibration modes of the acoustic waves in the tested components, the directional characteristics and vibration modes of the acoustic waves emitted by the transducer can be easily and efficiently adjusted and controlled.

【技术实现步骤摘要】
一种压电微机械超声换能器及其制备方法
本专利技术涉及超声换能器领域，特别涉及一种压电微机械超声换能器及其制备方法。
技术介绍
超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声信号转换为电信号的能量转换器件。在众多的超声换能器类型中，压电超声换能器因其高频特性好，结构简单易于激励，以及易于成型和加工等特性，应用最为广泛。作为常规压电超声换能器的替代品—压电微机械超声换能器(PiezoelectricMicromachinedUltrasonicTransducers，PMUT)已经被广泛研究。与传统超声换能器相比，PMUT具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、频率控制灵活、频带宽、灵敏度高以及易于与电路集成和实现智能化等特点。是压电超声换能器的重要的研究方向之一。超声换能器不论是用作发射还是接收，声波传输本身都具有一定的方向特性和振动模式。通常来说，压电效应产生的弹性波，根据其传播方向与振动方向之间的关系，可分为纵波和横波两种。当质点的振动方向和弹性波的传播方向一致时，称为纵波；当质点的振动方向和弹性波的传播方向垂直时，则称为横波。不同应用的换能器对声波方向特性和振动模式的要求也不相同。例如，超声波液位计、风速风向仪换能器、水下测距换能器等上下测量的，通常利用纵波来测量；而在地形地貌、地形扫描、铁轨等大范围的测量时，一般会选择横波测量。如何调节和控制换能器发射声波的方向特性和振动模式，满足实际应用的多样化需求(材料结构和不连续可能存在的位置和取向将决定选择波束的方向和振动的模式)具有重要的现实意义。对于传统的或者尺寸较大的压电超声换能器，通常在换能器与被测构件之间引入斜楔材料，通过改变斜楔角度来调节声波的方向特性和振动模式。超声波在材料中的传播角度(从被检表面的法线量起)和振动模式将根据斜楔角度、斜楔中的超声声速和被检材料中的超声声速来定。采用斜楔对基于微机械加工技术的PMUT压电超声换能器，存在加工工艺复杂，加工难度和加工成本相对较大，且器件容易因为机械振动或热应力等原因造成斜楔结构变形或磨损，导致声波方向和振动模式调节能力的下降甚至失效。另一个有效调控声波方向和振动模式的方法是基于超声波阵列的相控技术。该技术通常按照一定的规则和时序激发一组换能器晶片，通过调整激发晶片的序列、数量、时序来控制声波波束的形状、轴线偏转角度及焦点位置等。但是超声相控技术通常需要精密复杂的相控器件布局和功能强大的软件系统做支撑，制造工艺复杂，对相控阵仪器激发能力要求高且设备昂贵。如何简易且高效地调节和控制换能器发射声波的方向特性和振动模式，成为一个亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种压电微机械超声换能器及其制备方法，以实现换能器发射声波的方向特性和振动模式的简易且高效地调节和控制。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种压电微机械超声换能器，所述换能器包括：衬底层、下电极层、压电薄膜层和上电极层；所述下电极层设置在所述衬底层的上部、所述压电薄膜层设置在所述下电极层的上部，所述上电极层设置在所述压电薄膜层的上部；被测构件放置在所述上电极层的上部；所述上电极层包括第一上电极和第二上电极，所述第一上电极和所述第二上电极呈环状交叉设置，形成一对叉齿电极，所述第一上电极上和所述下电极层之间施加有第一交流电信号，所述第二上电极和所述下电极层之间施加有第二交流电信号，通过调节所述第一交流电信号和所述第二交流电信号的相位差，调节压电薄膜层的振动状态，进而调节被测构件中声波的方向特征和振动模式。可选的，所述换能器还包括机械支撑层，所述机械支撑层设置在所述衬底层和所述下电极层之间，所述机械支撑层用于限制所述压电薄膜层的横向振动。可选的，所述上电极层的上部还设置有声耦合层，所述被测构件放置在所述声耦合层的上部。可选的，所述衬底层为带有空腔的圆柱体。可选的，所述叉齿电极的形状为圆形。可选的，所述衬底层为带有空腔的长方体。可选的，所述叉齿电极的形状为方形。可选的，所述压电薄膜层的内部电畴的自发极化方向与所述压电薄膜层的上表面垂直。一种压电微机械超声换能器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：选取SOI片作为衬底层；在所述SOI片的上边面通过磁控溅射的方式从下往上依次生长下电极层、压电薄膜层和上电极层；在所述上电极层上刻蚀叉齿图案，形成叉齿电极。可选的，所述在所述上电极层上刻蚀叉齿图案，形成叉齿电极，之后还包括：采用深反应离子刻蚀法在所述SOI片刻蚀出空腔；在上电极层上沉淀隔离层；所述隔离层为二氧化硅层或氮化硅层；在所述隔离层上生长一层金属作为信号线。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术公开了一种压电微机械超声换能器及其制备方法，所述换能器从下往上依次包括：衬底层、下电极层、压电薄膜层和上电极层；所述上电极层包括第一上电极和第二上电极，所述第一上电极和所述第二上电极呈环状交叉设置，形成一对叉齿电极，在使用时，被测构件放置在所述上电极层的上部，所述第一上电极上和所述下电极层之间施加有第一交流电信号，所述第二上电极和所述下电极层之间施加有第二交流电信号，通过调节所述第一交流电信号和所述第二交流电信号的相位差，即可调节压电薄膜层的振动状态，进而调节被测构件中声波的方向特征和振动模式，实现了换能器发射声波的方向特性和振动模式的简易且高效地调节和控制。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为通过改变斜楔角度来调节声波的方向特性和振动模式的原理图；图2为超声相控扫描的原理图；图3为本专利技术提供的一种压电微机械超声换能器的结构图示意图；图4为本专利技术提供的圆形叉齿电极的结构示意图；图5为本专利技术提供的方形叉齿电极的结构示意图；图6为本专利技术提供的机械支撑层限制压电薄膜层的横向振动的原理图；图7本专利技术提供的一种压电微机械超声换能器的制备方法的流程图；图8为本专利技术提供的第一交流电信号和第二交流电信号的相位差为0°时，声波的方向特性和振动模式示意图；图9为本专利技术提供的第一交流电信号和第二交流电信号的相位差为180°时，声波的方向特性和振动模式示意图。具体实施方式对于通过改变斜楔角度来调节声波的方向特性和振动模式的调节方式，如图1所示，斜楔块使超声换能器晶片和被检工件表面形成一个严格的夹角，以保证晶片发射的超声波按照入射角倾斜入射到分界面，从而在分界面处产生波形转换，在工件内得到特定形式和角度的声束。根据Snell定理，对于给定的材料，斜楔块的角度决定着转换声波的类型与折射角度。如图1所示，换能器所在楔块平面与分界面的夹角为α，晶片发射的超声纵波以入射角α倾斜入射到分界面上，对于小角度纵波探头，其入射角α很小，一般小于第一临界角，在分界面处发生波形转换，产生折射纵波和折射横波，纵波折射角为βl，横波折射角为βs，而且在固体介质中，纵波声速大于横波声速，所以有βl＞βs。在超声波倾斜入射的情况下，工件中的声场由折射横波声场和折射纵波声场两部分组成。以有机玻璃中探头楔块的角度举例，楔块角度0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电微机械超声换能器，其特征在于，所述换能器包括：衬底层、下电极层、压电薄膜层和上电极层；所述下电极层设置在所述衬底层的上部、所述压电薄膜层设置在所述下电极层的上部，所述上电极层设置在所述压电薄膜层的上部；被测构件放置在所述上电极层的上部；所述上电极层包括第一上电极和第二上电极，所述第一上电极和所述第二上电极呈环状交叉设置，形成一对叉齿电极，所述第一上电极上和所述下电极层之间施加有第一交流电信号，所述第二上电极和所述下电极层之间施加有第二交流电信号，通过调节所述第一交流电信号和所述第二交流电信号的相位差，调节压电薄膜层的振动状态，进而调节被测构件中声波的方向特征和振动模式。

【技术特征摘要】
1.一种压电微机械超声换能器，其特征在于，所述换能器包括：衬底层、下电极层、压电薄膜层和上电极层；所述下电极层设置在所述衬底层的上部、所述压电薄膜层设置在所述下电极层的上部，所述上电极层设置在所述压电薄膜层的上部；被测构件放置在所述上电极层的上部；所述上电极层包括第一上电极和第二上电极，所述第一上电极和所述第二上电极呈环状交叉设置，形成一对叉齿电极，所述第一上电极上和所述下电极层之间施加有第一交流电信号，所述第二上电极和所述下电极层之间施加有第二交流电信号，通过调节所述第一交流电信号和所述第二交流电信号的相位差，调节压电薄膜层的振动状态，进而调节被测构件中声波的方向特征和振动模式。2.根据权利要求1所述的一种压电微机械超声换能器，其特征在于，换能器还包括机械支撑层，所述机械支撑层设置在所述衬底层和所述下电极层之间。3.根据权利要求1所述的一种压电微机械超声换能器，其特征在于，所述上电极层的上部还设置有声耦合层，所述被测构件放置在所述声耦合层的上部。4.根据权利要求1所述的一种压电微机械超声换能器，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨婷婷，刘利芳，孙翔宇，邢占强，计炜梁，陈余，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51