压电微机械超声换能器阵列制造技术

本发明专利技术涉及电声换能器技术领域，公开了一种压电微机械超声换能器阵列，包括：第一阵列结构，第一阵列结构包括多个阵列排布的第一阵元，每个第一阵元是一个第一压电微机械超声换能器；第一阵列结构中第一阵元的行间距和列间距相等；第一阵列结构中的第一阵元的数量、行间距和列间距满足第一预设条件，第一预设条件包括第一阵列结构的第一方向角与预设的第一目标方向角的差值小于第一预设误差值。目标方向角的差值小于第一预设误差值。目标方向角的差值小于第一预设误差值。

【技术实现步骤摘要】
压电微机械超声换能器阵列


[0001]本专利技术涉及电声换能器
，尤其涉及一种压电微机械超声换能器阵列。

技术介绍

[0002]超声换能器在非破坏性测试、工业自动化、目标识别、医学成像与速度距离检测等领域有着广泛的应用。出于传统方式中普遍采用的基于体压电陶瓷材料的超声换能器具有声学耦合性能较差(对于水或空气)、在加工成三维成像所需的二位阵列成本昂贵等一系列的缺点，基于日益成熟微机电系统(MEMS)技术的微机械超声换能器(MUTs)应运而生。相较于传统的超声换能器，微机械超声换能器除了拥有更好的声学耦合性能、更低的成本之外，还具有诸如小体积、低功耗、大带宽，易于被加工成紧凑设计的大容量阵列以及易于与电子系统集成等一系列优势。
[0003]基于驱动方式的不同，微机械超声换能器可被分为电容微机械超声换能器(CMUT)与压电微机械超声换能器(PMUT)。相较于较早发展且较为成熟的电容微机械超声换能器，压电微机械超声换能器不具有前者需要较高驱动电压以达到目标灵敏度的缺点。同时，压电超声换能器拥有更大的电容值，使得该类型的超声换能器与工作电路的适配程度更高，且对寄生电容更不敏感。
[0004]目前，压电微机械超声换能器已被应用于成像、传感等诸多领域，以其小体积、低成本与优良的工作性能在超声应用领域发挥着重要作用。然而，当压电超声换能器尺寸减小至所应用声波的波长量级时，单个换能器的辐射声场表现出各向同性的特点，即在各个方向上产生相近强度的声波。这种特性在小于1MHz的应用频率范围内尤为显著，这使得现有的压电微机械超声换能器无法满足某些低频超声应用的高指向性要求。传统基于厚度模式的超声换能器通过切割方式实现阵列化与高指向性，但是具有频率单一、填充因子小(指有效换能面积与总面积的比值)等缺点。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种压电微机械超声换能器阵列，通过合理设置压电微机械超声换能器阵列中的阵元数量和相邻阵元之间的间距实现了压电超声换能器半径减小至声波波长量级时换能器阵列能满足高指向性的要求。
[0006]一种压电微机械超声换能器阵列，包括：
[0007]第一阵列结构，所述第一阵列结构包括多个阵列排布的第一阵元，每个所述第一阵元是一个第一压电微机械超声换能器；
[0008]所述第一阵列结构中所述第一阵元的行间距和列间距相等；所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量、行间距和列间距满足第一预设条件，所述第一预设条件包括所述第一阵列结构的第一方向角与预设的第一目标方向角的差值小于第一预设误差值。
[0009]上述方案中，所述第一压电微机械超声换能器包括支撑层，设置在所述支撑层上的底电极层，设置在所述底电极层上的压点层，设置在所述压点层上的顶电极，所述支撑层
背离所述顶电极一侧设有空腔。
[0010]上述方案中，根据所述第一压电微机械超声换能器的空腔尺寸、声波数量和第一目标方向角确定所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量、行间距和列间距。
[0011]上述方案中，所述第一阵元是圆形压电微机械超声换能器，第一压电微机械超声换能器的空腔的截面是圆形的；
[0012]根据所述第一压电微机械超声换能器的空腔尺寸、声波数量和第一目标方向角确定所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量、行间距和列间距，包括：
[0013]根据方向角函数确定所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量、行间距和列间距，其中，所述函数的表达式为：
[0014][0015]式中，N是所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量；
[0016]k是声波数量；
[0017]a是空腔截面的半径；
[0018]p是所述第一阵列结构中的所述第一阵元的行间距和列间距；
[0019]J3是第一类贝塞尔函数的三阶形式。
[0020]上述方案中，所述第一阵列结构的所述第一阵元组成多个阵元环，每个所述阵元环中所述第一阵元相互连接形成一个矩形；每个所述阵元环的所有所述第一阵元的顶电极和空腔的比值相同，所述第一阵列结构的所有阵元环对应的比值满足第三预设条件，所述第三预设条件包括所述第一阵列结构的波束宽度是预设波束宽度和/或所述第一阵列结构的旁瓣级是预设旁瓣级。
[0021]上述方案中，还包括第二阵列结构，所述第二阵列结构包括多个阵列排布的第二阵元，每个所述第二阵元是一个第二压电微机械超声换能器，第二阵列结构的谐振频率和所述第一阵列结构的谐振频率不同；
[0022]所述第二阵元位于所述第一阵列结构的所述第一阵元的空隙中，所述第一阵列结构中所述第一阵元的行间距和列间距相等；所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量、行间距和列间距满足第二预设条件，所述第二预设条件包括所述第二阵列结构的第二方向角与预设的第二目标方向角的差值小于第二预设误差值。
[0023]上述方案中，所述第一阵列结构的所述第一阵元的空隙是四个相邻的所述第一阵元形成的空隙，四个相邻的所述第一阵元中每两个相邻的所述第一阵元在所述第一阵元的行方向上相邻或在所述第一阵元的列方向上相邻，所述第二阵元的排布在所述空隙的中心处。
[0024]上述方案中，所述第一阵列结构的每个所述空隙中排布有一个所述第二阵元。
[0025]上述方案中，所述第一阵列结构是包含N1行第一阵元和N1列第一阵元的方阵，所述第二阵列是包含N2行第二阵元和N2列第二阵元的方阵，其中N1和N2均为正整数。
[0026]上述方案中，所述第一阵元和所述第二阵元均是圆形压电微机械超声换能器，所述第一阵元的直径和所述第二阵元的直径不同。
[0027]上述压电微机械超声换能器阵列所实现的方案中，可以第一阵列结构，所述第一阵列结构包括多个阵列排布的第一阵元，每个所述第一阵元是一个第一压电微机械超声换能器；所述第一阵列结构中所述第一阵元的行间距和列间距相等；所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量、行间距和列间距满足第一预设条件，所述第一预设条件包括所述第一阵列结构的第一方向角与预设的第一目标方向角的差值小于第一预设误差值。在本专利技术中，通过对压电微机械超声换能器(PMUT)方形阵列的设计，通过设置合理的阵列中的压电微机械超声换能器(PMUT)数量和相邻压电微机械超声换能器(PMUT)的间距，实现了阵列高方向性，且拥有较小的旁瓣级，足以满足一般的超声测速的应用需求。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例的描述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。
[0029]图1本专利技术一实施例中单个PMUT的结构示意图；
[0030]图2本专利技术一实施例中PMUT均匀方阵的结构示意图；
[0031]图3本专利技术一实施例中一种经设计的PMUT均匀方阵的方向角；
[0032]图4本专利技术一实施例中双频PMUT均匀方阵的结构示意图；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，包括：第一阵列结构，所述第一阵列结构包括多个阵列排布的第一阵元，每个所述第一阵元是一个第一压电微机械超声换能器；所述第一阵列结构中所述第一阵元的行间距和列间距相等；所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量、行间距和列间距满足第一预设条件，所述第一预设条件包括所述第一阵列结构的第一方向角与预设的第一目标方向角的差值小于第一预设误差值。2.如权利要求1所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，所述第一压电微机械超声换能器包括支撑层，设置在所述支撑层上的底电极层，设置在所述底电极层上的压点层，设置在所述压点层上的顶电极，所述支撑层背离所述顶电极一侧设有空腔。3.如权利要求2所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，根据所述第一压电微机械超声换能器的空腔尺寸、声波数量和第一目标方向角确定所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量、行间距和列间距。4.如权利要求3所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，所述第一阵元是圆形压电微机械超声换能器，第一压电微机械超声换能器的空腔的截面是圆形的；根据所述第一压电微机械超声换能器的空腔尺寸、声波数量和第一目标方向角确定所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量、行间距和列间距，包括：根据方向角函数确定所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量、行间距和列间距，其中，所述函数的表达式为：式中，N是所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量；k是声波数量；a是空腔截面的半径；p是所述第一阵列结构中的所述第一阵元的行间距和列间距；J3是第一类贝塞尔函数的三阶形式。5.如权利要求4所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，所述第一阵列结构的所述第一阵元组成多个阵元环，每个所述阵元环中所述第一阵元相互连接形成一个矩形；每个...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢奕鹏，赵雷，高毓风，杨冲，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：