耦合增强压电微机械超声换能器及其制备方法

本公开涉及微机电，尤其涉及一种耦合增强压电微机械超声换能器及其制备方法。

背景技术：

1、压电微机械超声换能器(pmut)具有微尺寸、低功耗，可实现片上集成设计等优势，在微型医学超声成像、超声测距、指纹识别等领域有广泛应用；pmut常规设计是基于“aln压电层+上下电极”结构，aln材料制备工艺成熟、且与cmos工艺兼容性良好，因此被广泛应用于各种压电器件设计。但aln压电系数较小(e31<1c/m2)，基于aln的pmut发射性能较差，超声信号可传输距离较小。目前常见的解决办法是通过sc掺杂提升aln压电系数，但sc掺杂会减小薄膜刚度，影响成膜质量，增加工艺难度。

技术实现思路

1、有鉴于此，本公开提供了一种耦合增强压电微机械超声换能器及其制备方法，以缓解现有技术中的上述技术问题。

2、(一)技术方案

3、本公开的一个方面，提供一种耦合增强压电微机械超声换能器，包括：衬底，设置有多个空腔；弹性层，制备于所述衬底上；压电层，采用具有各向异性的压电材料制备于所述弹性层上，与弹性层共同组成振膜结构，所述压电层适用于在横向电场的作用下发生机械振动以发射声波信号、以及适用于在接收到的声波信号的作用下发生机械振动以发生电响应；金属电极层，制备于所述压电层上，所述金属电极层包括多根主电极条，形成叉指电极结构，并且由每根主电极条引出多根分支电极条，以在相邻的主电极条组成的叉指电极对之间形成多个分别与所述多个空腔上下对应的电极阵元；在对叉指电极对输入不同的激励电信号时，电极阵元中的主电极条和分支电极条能够施加不同方向的耦合电场于压电层，使压电层内部产生内应力从而驱动振膜结构于空腔处发生振动。

4、根据本公开实施例，所述金属电极层还包括分别连接至不同输入端的引出板电极，引出板电极分别与主电极条相连。

5、根据本公开实施例，分支电极条垂直于主电极条。

6、根据本公开实施例，所述压电层的制备材料选自x切向linbo3、y切向linbo3、36°y切向linbo3、z切向linbo3、以及litao3中至少一种。

7、根据本公开实施例，弹性层的制备材料选自sio2、si3n4、si中至少一种。

8、根据本公开实施例，电极层的制备材料选自al、au、pt中至少一种。

9、根据本公开实施例，多个空腔阵列形式排布，所述空腔的形状包括正方形、长方形、圆形、椭圆形、五边形、六边形。

10、根据本公开实施例，耦合增强压电微机械超声换能器还包括耦合层、保护层。

11、根据本公开实施例，可以通过对不同电极阵元分别施加具有一定相位延迟的激励信号，从而对由多个电极阵元构成的阵列发射声场进行动态调节。

12、本公开的另一方面，提供一种耦合增强压电微机械超声换能器的制备方法，用于制备权以上所述的压电微机械超声换能器，所述制备方法包括：

13、在衬底上制备弹性层；

14、在所述弹性层上采用具有各向异性的压电材料制备压电层；

15、在所述压电层表面制备金属电极层，得到多个电极阵元；以及

16、对应所述多个电极阵元于所述衬底下进行刻蚀得到空腔结构，完成耦合增强压电微机械超声换能器的制备。

17、(二)有益效果

18、从上述技术方案可以看出，本公开耦合增强压电微机械超声换能器及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

19、(1)对常规叉指超声换能器结构进行改进，结合压电材料各向异性，将e11、e12进行耦合，增大了器件压电系数，实现有效e11达7.14c/m2，极大优化器件性能；

20、(2)耦合增强设计具有更高的声发射功率、可传输距离更远，有望在测距、超声传感、以及超声治疗等领域得到广泛应用。

技术特征：

1.一种耦合增强压电微机械超声换能器，包括：

2.根据权利要求1所述的耦合增强压电微机械超声换能器，所述金属电极层还包括分别连接至不同输入端的引出板电极，引出板电极分别与主电极条相连。

3.根据权利要求1所述的耦合增强压电微机械超声换能器，所述分支电极条垂直于主电极条。

4.根据权利要求1所述的耦合增强压电微机械超声换能器，所述压电层的制备材料选自x切向linbo3、y切向linbo3、z切向linbo3、以及x切向litao3、y切向litao3、z切向litao3中至少一种。

5.根据权利要求1所述的耦合增强压电微机械超声换能器，所述弹性层的制备材料选自sio2、si3n4、si中至少一种。

6.根据权利要求1所述的耦合增强压电微机械超声换能器，所述电极层的制备材料选自al、au、pt中至少一种。

7.根据权利要求1所述的耦合增强压电微机械超声换能器，所述多个空腔阵列形式排布，所述空腔的形状包括正方形、长方形、圆形、椭圆形、五边形、六边形。

8.根据权利要求1所述的耦合增强压电微机械超声换能器，还包括耦合层、保护层。

9.根据权利要求1-8任一项所述的耦合增强压电微机械超声换能器，可以通过对不同电极阵元分别施加具有一定相位延迟的激励信号，从而对由多个电极阵元构成的阵列发射声场进行动态调节。

10.一种耦合增强压电微机械超声换能器的制备方法，用于制备权利要求1-8任一项所述的压电微机械超声换能器，所述制备方法包括：

技术总结提供一种耦合增强压电微机械超声换能器及其制备方法，包括：衬底，设置有多个空腔；弹性层，制备于衬底上；压电层，采用具有各向异性的压电材料制备于弹性层上，与弹性层共同组成振膜结构；金属电极层，制备于压电层上，金属电极层包括多根主电极条，形成叉指电极结构，并且由每根主电极条引出多根分支电极条，以在相邻的主电极条组成的叉指电极对之间形成多个分别与多个空腔上下对应的电极阵元；在对叉指电极对输入不同的激励电信号时，电极阵元中的主电极条和分支电极条能够施加不同方向的耦合电场于压电层，使压电层内部产生内应力从而驱动振膜结构于空腔处发生振动。技术研发人员：左成杰,龙嘉琳,王娟,夏徐柱,王峥,丁岳受保护的技术使用者：中国科学技术大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18