换能器单元、阵列、制备方法及能量设备技术

本发明专利技术公开了换能器单元、阵列、制备方法及能量设备，换能器单元，包括基底结构、振动结构，振动结构包括中心结构；和环结构，环结构沿周向封闭地形成有空缺，空缺在垂直于周向的方向贯通环结构的主体，中心结构设置于环结构的空缺内，中心结构与环结构之间形成有间隙；和第一连接结构，第一连接结构连接中心结构以及环结构；其中心结构以及环结构均为多层结构，中心结构以及环结构均在沿偏离基底结构的方向顺次地至少设置有第二电极层、压电层以及第一电极层，并且在中心结构中第一电极层的面积不大于压电层的面积。本发明专利技术通过优化换能器的振动薄膜结构，从而有效改善了灵敏度、传播距离以及输出等方面的性能。离以及输出等方面的性能。离以及输出等方面的性能。

【技术实现步骤摘要】
换能器单元、阵列、制备方法及能量设备


[0001]本专利技术是关于微电子系统技术，特别是关于一种换能器单元、阵列、制备方法及能量设备。

技术介绍

[0002]压电式超声换能器是一种可实现电能和机械能的相互转化，进而实现超声波发射及接收功能。传统超声波换能器多采用机械加工的方式，但是这种换能器体积较大、功耗较高、不易于集成化。微机电超声换能器分为压电式与电容式，电容式超声换能器工作需要直流偏置电压，对寄生电容的传统压电式超声波换能器采用材料的声速偏低，导致机构整体的声灵敏度偏低，且阻抗与传递介质的阻抗值差距较大，导致换能器的发射效率偏低。微机电压电式超声波换能器具有优异的稳定性，较高的灵敏度，体积小，易于集成。应用于测距，障碍物识别，空间感知，医学成像等领域。
[0003]传统压电式超声换能器多为电容式超声波换能器，需要直流偏置电压提高灵敏度。以压电陶瓷作为压电材料的超声波换能器，由于体积较大、功耗较高而不易于集成化。而微机电压电式超声换能器的谐振频率由其振动薄膜面积决定，面积越小，谐振频率越高，衰减越快，且当振动薄膜面积较小时，薄膜的振动位移较小，导致输出声压低。现有技术中，在振动薄膜面积较小时，难以制造出谐振频率较低且输出声压较高、灵敏度良好的压电式超声换能器。
[0004]公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种换能器单元、阵列、制备方法及能量设备，针对现有技术中微机电压电式超声换能器，受限于振动薄膜面积较小的问题，从而改善了振动薄膜的结构，从而有效改善了换能器的性能。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的实施例提供了换能器单元，包括基底结构、振动结构(振动结构整体结构满足应力平衡的要求)，振动结构包括：中心结构；环结构，环结构沿周向封闭地形成有空缺，空缺在垂直于周向的方向贯通环结构的主体，中心结构设置于环结构的空缺内，中心结构与环结构之间形成有间隙；第一连接结构，第一连接结构连接中心结构以及环结构(第一连接结构可以实现电连接和结构平衡等目的)；其中心结构以及环结构均为多层结构，中心结构以及环结构沿偏离基底结构的方向顺次的至少设置有第二电极层、压电层以及第一电极层，并且在中心结构中第一电极层的面积不大于压电层的面积。
[0007]在本专利技术的一个或多个实施方式中，换能器单元，包括基底结构、振动结构，振动结构包括：中心结构；环结构，绕中心结构外侧设置并与该中心结构间隔一定距离，以实现一种同心结构，即环结构为对称环，环结构与中心结构具有共同的中心；第一连接结构，第一连接结构连接中心结构以及环结构；其中心结构以及环结构均为多层结构，中心结构以
及环结构沿偏离基底结构的方向顺次的至少设置有第二电极层、压电层以及第一电极层，并且在中心结构中第一电极层的面积不大于压电层的面积。
[0008]在本专利技术的一个或多个实施方式中，第一连接结构至少满足中心结构以及环结构之间的连接，可以为同样具有多层结构，即同样可以对应于第二电极层、压电层以及第二电极层三层结构而形成两层电连接结构和两层电连接结构之间的隔离结构；优选的，也可以对应于第二电极层、压电层以及第二电极层采用同样材料的多层结构。
[0009]在本专利技术的一个或多个实施方式中，在中心结构中：第一电极层的半径为压电层的半径的0.55
‑
0.70倍。优选的，在中心结构中：第一电极层的半径为压电层的半径的0.66倍，从而，机电耦合效应最优，振动位移最大，输出声压最大。
[0010]在本专利技术的一个或多个实施方式中，为了满足电信号或者电流等的传输，换能器单元还可以包括电极引线结构，以实现与第二电极层以及第一电极层等的电信号交换，从而满足检测信号、转换电流、工作电流等的输入/输出。
[0011]在本专利技术的一个或多个实施方式中，中心结构的外周和/或环结构的外周为圆形或多边形。多边形包括而不限于边为线段的多边形、边为曲线的多边形。线段的多边形包括而不限于三角形、正方形等。边为曲线的多边形中其边可以为如圆弧或者波浪线等。
[0012]在本专利技术的一个或多个实施方式中，中心结构和环结构同心(可以为同质心、同重心等)设置，以满足应力均衡的需求。
[0013]在本专利技术的一个或多个实施方式中，环结构包括多个环单元结构，并且多个环单元结构中，至少部分环单元结构之间具有间隙。
[0014]在本专利技术的一个或多个实施方式中，换能器单元中中心结构以及环结构的多层结构还可以包括形成于基底结构上的支撑结构，该支撑结构可以对应地形成有中心支撑结构和环支撑结构。中心支撑结构与环支撑结构的形状组合可以与第二电极层的中心结构以及环结构的形状相适应。支持结构可以以底层薄膜的形式存在。
[0015]在本专利技术的一个或多个实施方式中，换能器阵列，包括多个如前述的换能器单元以及多个第二连接结构，第二连接结构电性在两个换能器单元之间。
[0016]在本专利技术的一个或多个实施方式中，每一个第二连接结构电性连接相邻两个换能器单元。
[0017]在本专利技术的一个或多个实施方式中，多个换能器单元至少部分成有序阵列地排列。
[0018]在本专利技术的一个或多个实施方式中，为了满足电信号或者电流等的传输，换能器阵列还可以包括若干电极引线结构，以实现与可以被视作一个整体的阵列结构的第二电极层以及第一电极层等的电信号交换，从而满足检测信号、转换电流、工作电流等的输入/输出。
[0019]在本专利技术的一个或多个实施方式中，制备方法，至少包括换能器单元的制备，包括如下步骤：准备基底；在基底上顺次生长多层结构，多层结构包括第二电极层、压电层或顺次生长第二电极层、压电层、第一电极层；由远离基底侧，顺次地刻蚀多层结构，以形成配合设置的中心结构和环结构；在多层结构不具有第一电极层时，则继续形成第一电极层；在远离多层结构侧，刻蚀基体以暴露多层结构。
[0020]在本专利技术的一个或多个实施方式中，能量设备，包括如前述的换能器单元或如前
述的换能器阵列。包括而不限于传感器、声呐、电源设备、雷达、影像设备等以机械能与电磁能量转换为核心的设备装置。
[0021]与现有技术相比，根据本专利技术实施方式的换能器单元、阵列、制备方法及能量设备，针对性地采用镂空的振动结构设计，并又提出了与这种镂空结构设计相配合的阵列式结构设计，从而有效地克服了现有方案的缺陷，从而实现了谐振频率较低且输出声压较高、灵敏度良好的压电式超声换能器。在同一单元或者阵列中可以实现：在较小的振动薄膜半径下，可以实现较低的谐振频率，可达更远的传输距离；也可以实现较高的振动位移，实现更好的灵敏度以及更高的声压输出。本专利技术对换能器的性能优化，可以至少体现在谐振频率、传播性能、灵敏度以及输出能力等中的部分。振动状态下膜中心点具有较大的位移，从而产生更高的声压；同等半径下具有更低的谐振频率，易于更远的传播超声波。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种换能器单元，至少包括基底结构、设置于基底结构的振动结构，其特征在于，所述振动结构包括：中心结构；和环结构，所述环结构沿周向封闭地形成有空缺，所述空缺在垂直于周向的方向贯通环结构的主体，所述中心结构设置于所述环结构的空缺内，所述中心结构与环结构之间形成有间隙；和第一连接结构，所述第一连接结构连接所述中心结构以及环结构；其所述中心结构以及环结构均为多层结构，所述中心结构以及环结构均在沿偏离基底结构的方向顺次地至少设置有第二电极层、压电层以及第一电极层，并且在中心结构中所述第一电极层的面积不大于压电层的面积。2.如权利要求1所述的换能器单元，其特征在于，在所述中心结构中：第一电极层的半径为压电层的半径的0.55
‑
0.70倍。3.如权利要求1所述的换能器单元，其特征在于，所述中心结构和环结构同心设置。4.如权利要求1或3所述的换能器单元，其特征在于，所述环结构包括多个环单元结构，并且多个所述环单元结构中，至少部分所述环单元结构之间具有间隙。5.换能器阵列，包括多个如权利要求1
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：周红宇，李加东，苗斌，张玉超，王光华，张士钦，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：