專利名稱：一種壓電式陣列超聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于換能器及微加工工藝技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種利用微加工技術(shù)生產(chǎn)的壓電式陣列超聲換能器，該壓電式陣列超聲換能器既可作為手機上的聲頻定向揚聲器用，也可作為一種新型傳感器在醫(yī)療電子領(lǐng)域作為對超聲、光聲和熱聲成像系統(tǒng)中對超生信號進行探測，在智能家居中用于防盜系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明中的超聲換能器作為基于微加工技術(shù)的新型傳感器技術(shù)引起了國外諸多科研院所的關(guān)注，特別在當今信息產(chǎn)業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的時代背景下，它也引起了商業(yè)領(lǐng)域的高度重視?；谖⒓庸ぜ夹g(shù)的壓電式超聲換能器器件在手機上可以作為聲頻定向揚聲器，在醫(yī)療電子領(lǐng)域中可以應(yīng)用到超聲、光聲和熱聲成像系統(tǒng)中對超生信號進行探測，在智能家居可以用于防盜系統(tǒng)中等。南洋理工 大學(xué)在“基于壓電厚膜的微加工超聲換能陣列器件(Micromachinedultrasonic transducers and arrays baded on piezoelectric thick film)，，(((App1.Phys.A.》2008 年、第 91 期，P107 - 117,作者:Zhihong Wang, Jianmin Miao, Weiguang Zhu)一文中公開了一種超聲換能陣列器件，該器件由單晶硅/ 二氧化硅/碳化硅/低溫氧化物/下電極/壓電薄膜/聚酰亞胺/上電極構(gòu)成，每個陣元呈倒四棱錐臺形狀的腔體，各陣元的結(jié)構(gòu)和參數(shù)都相同，因此工作頻率也都相同；此外，該器件在電極的設(shè)置上采用共(一體式)上電極、而下電極相互獨立的設(shè)置方式，并在各下電極的邊緣上覆蓋一層壓電薄膜，此種方式設(shè)置的壓電薄膜易斷裂而導(dǎo)致上、下電極之間短路，因此還需在上、下電極之間采用聚酰亞胺薄膜進行隔離處理；器件中每個陣元下電極的引出線是通過對每個陣元的下電極旁邊的聚酰亞胺薄膜和壓電薄膜刻蝕出一個電極線引出孔后、再將下電極引出線從每個陣元的上表面引出。該陣列換能器由于采用共上電極設(shè)置、上電極為一整體，加之上電極與下電極空間重疊的布線方式，易產(chǎn)生寄生電容，因此該陣列式換能器在上、下電極的設(shè)置方式對器件靈敏度及其性能影響較大；各下電極導(dǎo)線引出方式又將嚴重影響器件的封裝和使用中的安全性；此外，該器件中每個陣元都在相同的工作頻率下工作，不但其帶寬較窄、而且工作頻率也較低。因而，該陣列換能器存在靈敏度低、帶寬窄、穩(wěn)定性及綜合性能差，封裝困難，難以產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等弊病。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對背景技術(shù)存在的弊病，改進設(shè)計一種壓電式陣列超聲換能器，該換能器通過調(diào)整上、下電極的設(shè)置方式及電極結(jié)構(gòu)，并使各陣元可在不同的工作頻率下工作，在提高換能器陣列工作帶寬的同時，有效提高換能器的靈敏度、帶寬等綜合性能及性能的穩(wěn)定性，以及整體性好、封裝方便，有利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等目的。本發(fā)明的解決方案是在背景技術(shù)基礎(chǔ)上，將背景技術(shù)采用共上電極(整體式上電極)及相互獨立的下電極的設(shè)置方式，改為陣列(分布)式上電極和一體式的(共)下電極的設(shè)置方式，并將各陣元(聲波發(fā)射及接收腔)底部的振動膜及壓電薄膜采用相同或不同的厚度分別設(shè)于相應(yīng)上電極的上、下表面，同時將上電極引出線在下電極上的投影區(qū)域(即上電極引出線與下電極空間重疊部分的下電極區(qū)域)刻蝕掉，使其在下電極上形成與上電極引出線對應(yīng)的線狀缺口，以防止寄生電容的產(chǎn)生；本發(fā)明即以此提高換能器陣列的工作帶寬、使各陣元可采用不同的工作頻率，并有效提高換能器的靈敏度、帶寬等級綜合性能，從而實現(xiàn)其發(fā)明目的。因而本發(fā)明壓電式陣列超聲換能器包括上、下電極，設(shè)于上、下電極之間的壓電薄膜，由聲波發(fā)射及接收腔和位于其底部的振動膜組成的各陣元，設(shè)于上、下電極和各壓電薄膜之間的絕緣層，支撐層，帶振動腔的單晶硅基底，關(guān)鍵在于下電極為一體式的共下電極，而上電極為陣列(分布)式上電極，在下電極上沿上電極引出線的投影區(qū)域為線狀缺口 ；支撐層固定于帶振動腔的單晶硅基底上，一體式的共下電極則置于支撐層上，而各壓電薄膜為相同厚度或不同厚度的壓電薄膜，各上電極則與相應(yīng)壓電薄膜中心位置緊貼固定，絕緣層涂覆于上、下電極和各壓電薄膜之間，各上電極引出線從絕緣層上部引出后再涂覆一層絕緣層將上電極弓I出線固定于絕緣層內(nèi)，然后在絕緣層上正對各上電極和壓電薄膜中心分別刻蝕出各陣元的聲波發(fā)射及接收腔以及位于聲波發(fā)射及接收腔底部厚薄相同或不相同的振動膜；最后經(jīng)真空分裝即成。上述設(shè)于上、下電極和各壓電薄膜之間的絕緣層，其材質(zhì)為聚酰亞胺、有機玻璃(PMMA)或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)。而所述在絕緣層上正對各上電極和壓電薄膜中心分別刻蝕出各陣元的聲波發(fā)射及接收腔以及位于聲波發(fā)射及接收腔底部厚薄相同或不相同的振動膜，其中聲能傳輸及吸收腔為倒四棱錐臺形狀的腔體，腔體底部振動膜的厚度為0.5-50 μ m。所述支撐層為二氧化硅或單晶硅。本發(fā)明由于在上、下電極的設(shè)置上采用了共下電極和陣列(分布)式上電極的設(shè)置方式，并將各陣元(聲波發(fā)射及接收腔)底部的振動膜及壓電薄膜采用相同或不同的厚度分別設(shè)于相應(yīng)上電極的上、下表面，同時在下電極上開設(shè)了與上電極引出線對應(yīng)的線狀缺口 ；從而使各陣元可在不同的工作頻率下工作，并避免了上電極引出線與下電極之間寄生電容的產(chǎn)生。因而本發(fā)明具有各陣元既可在相同的工作頻率下、又可在不同的工作頻率下工作，同時有效提高換能器的靈敏度、工作帶寬等綜合性能及性能的穩(wěn)定性，以及器件的整體性好、封裝方便，有利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等特點。


圖1為本發(fā)明壓電式陣列超聲換能器結(jié)構(gòu)示意圖(A — A視圖)；圖2為圖1的俯視圖；圖3、圖4為本發(fā)明具體實施方式
陣列超聲換能器對同一吸收體通過1.25MHz陣元和2.9MHz陣元分別接收(采集)到的光聲信號時序圖；圖中:1.陣元，2.上電極、2-1.上電極接頭、2-2.上電極引出線，3.壓電薄膜，
4.絕緣層，5.下電極、5-1.下電極接頭，6.支撐層，7.基底，8.振動腔。
具體實施例方式本實施方式以采用AlN (氮化鋁)壓電薄膜，陣列的陣元數(shù)為2X2，其中兩個為1.25MHz陣元、兩個 為2.9MHz陣元的超聲換能器為例:基底7采用(長X寬X厚)10X10X0.25mm的單晶硅，其上所設(shè)各振動腔8為(長X寬X厚)0.18X0.18X0.25mm，其上的振動腔8 為(長 X 寬 X 厚)0.18X0.18X0.25mm(2.9MHz 陣元)和 0.21X0.21X0.25mm(1.25MHz陣元);支撐層6采用二氧化硅，其厚度為350nm，長、寬均與基底7相同；下電極5橫向長與基底相同，縱向?qū)挒?mm,厚度為280nm,材質(zhì)為鉬鈦合金,磁控派射于二氧化娃支撐層6上，與上電極弓I出線對應(yīng)的線狀缺口寬為50 μ m，長度與對應(yīng)的上電極弓I出線在下電極上的投影相同；壓電薄膜3均為(長X寬)250 X 250 μ m，厚度分為0.7 μ m( 1.25MHz陣元)和1.1 μ m (2.9MHz陣兀),各為2個,正對振動腔中心位置設(shè)置；各上電極2分別為(長X寬 X 厚)120Χ120Χ0.18 μ m (2.9MHz 陣元)及 140X140X0.18 μ m (1.25MHz 陣元)，各為2個，上電極引出線2-2寬度為10 μ m，厚0.18 μ m，從厚度為14.5 μ m的絕緣層上部引出后再涂覆一層厚為0.5 μ m的絕緣層，絕緣層4的長、寬均與基底相同，厚度為15 μ m ;然后在絕緣層4上正對各上電極和壓電薄膜中心處刻蝕出各陣元I的聲能傳輸及吸收腔及其底部的振動膜，各陣元I中的聲波發(fā)射及接收腔的上底均為(長X寬)230X230 μ m、下底均為(長 X 寬)200Χ200μπι，深分別為 13.86μπι (1.25MHz 陣元)、13.46 μ m (2.9ΜΗζ 陣元)，底部振動膜厚分別為4.01 μ m (1.25MHz陣元)、4.41 μ m (2.9MHz陣元)；最后經(jīng)真空分裝即
成將本實施方式所制作的陣列超聲換能器與光聲斷層掃描成像系統(tǒng)配套使用，對光聲信號進行探測實驗:圖3所示為超聲換能器陣列中兩1.25MHz陣元所探測到的光聲信號時序圖；圖4所示為超聲換能器陣列中兩2.9 MHz陣元所探測到的光聲信號時序圖。
權(quán)利要求
1.一種壓電式陣列超聲換能器，包括上、下電極，設(shè)于上、下電極之間的壓電薄膜，由聲波發(fā)射及接收腔和位于其底部的振動膜組成的各陣元，設(shè)于上、下電極和各壓電薄膜之間的絕緣層，支撐層，帶振動腔的單晶硅基底，其特征在于下電極為一體式的共下電極，而上電極為陣列式上電極，在下電極上沿上電極引出線的投影區(qū)域為線狀缺口 ；支撐層固定于帶振動腔的單晶硅基底上，一體式的共下電極則置于支撐層上，而各壓電薄膜為相同厚度或不同厚度的壓電薄膜，各上電極則與相應(yīng)壓電薄膜中心位置緊貼固定，絕緣層涂覆于上、下電極和各壓電薄膜之間，各上電極引出線從絕緣層上部引出后再涂覆一層絕緣層將上電極引出線固定于絕緣層內(nèi)，然后在絕緣層上正對各上電極和壓電薄膜中心分別刻蝕出各陣元的聲波發(fā)射及接收腔以及位于聲波發(fā)射及接收腔底部厚薄相同或不相同的振動膜；最后經(jīng)真空分裝。
2.按權(quán)利要求1所述壓電式陣列超聲換能器，其特征在于所述設(shè)于上、下電極和各壓電薄膜之間的絕緣層，其材質(zhì)為聚酰亞胺、有機玻璃或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯。
3.按權(quán)利要求1所述壓電式陣列超聲換能器，其特征在于所述在絕緣層上正對各上電極和壓電薄膜中心分別刻蝕出各陣元的聲波發(fā)射及接收腔以及位于聲波發(fā)射及接收腔底部厚薄相同或不相同的振動膜，其中聲能傳輸及吸收腔為倒四棱錐臺形狀的腔體，腔體底部振動膜的厚度為0.5-50 μ m。
4.按權(quán)利要求1所述壓電式陣列超聲換能器，其特征在于所述支撐層為二氧化硅或單晶娃 。
全文摘要
該發(fā)明屬于換能器及微加工技術(shù)領(lǐng)域中的壓電式陣列超聲換能器。包括陣列(分布)式上電極、一體式的共下電極，設(shè)于上、下電極之間的壓電薄膜，設(shè)于上、下電極和各壓電薄膜之間的絕緣層，設(shè)于絕緣層上由聲能傳輸及吸收腔和位于其底部的振動膜組成的各陣元，支撐層，帶振動腔的單晶硅基底。該發(fā)明由于采用了共下電極和陣列(分布)式上電極的設(shè)置方式，并將各陣元(聲波發(fā)射及接收腔)底部的振動膜及壓電薄膜采用相同或不同的厚度，因而具有各陣元既可在相同的工作頻率下、又可在不同的工作頻率下工作，同時有效提高換能器的靈敏度、工作帶寬等綜合性能及性能的穩(wěn)定性，以及器件的整體性好、封裝方便，有利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等特點。
文檔編號B06B1/06GK103240220SQ201310169360
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月9日
發(fā)明者陳炳章, 蔣華北 申請人:電子科技大學(xué)