[发明专利]层合薄膜结构、多模态压电式微型超声换能器及制作方法

说明书

本发明公开了一种层合薄膜结构、多模态压电式微型超声换能器及制作方法，层合薄膜结构包括自下而上依次层叠设置的衬底、支持膜、绝缘膜、底电极、压电薄膜和顶电极；其中，衬底上表面向下凹陷设有一空腔结构，空腔结构的水平截面形状为非轴线对称的形状，压电薄膜的水平截面形状与衬底空腔结构的水平截面形状一致。多模态压电式微型超声换能器包括层合薄膜结构。通过压电薄膜的非对称式结构设计，优化压电式微型超声换能器振动薄膜的刚度和质量分布，致使原具有对称振型的偶数阶模态产生的净电荷不被完全抵消，增加单个压电式微型超声换能器可响应的模态数目，从而达到单个压电式微型超声换能器具有多个工作模态和激励方式的目的。

技术领域

本发明涉及超声换能器技术领域，尤其是涉及一种层合薄膜结构、多模态压电式微型超声换能器及制作方法。

背景技术

超声换能器在医学影像诊疗、结构健康监测、定位勘探、机械制造、生物育种、化工催化、食品消泡等领域均具有非常重要的应用价值，对国民经济、社会发展与国防安全发挥着越来越重大的作用。随着超声换能器应用领域的不断扩大和检测性能要求的不断提高，传统超声换能器存在的体积大、灵敏度低、声阻抗易失配、频带窄等局限日益突出。基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术的微型超声换能器在体积、功耗、集成度和阻抗匹配方面具有独特的优势，特别是压电式微型超声换能器(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer,pMUT)能克服传统大尺寸块体状压电式超声换能器和电容式微型超声换能器(Capacitive Micromachined UltrasonicTransducer,cMUT)的诸多缺陷，具有体积小、制备工艺简单、灵敏度高、可靠性好、无需偏置电压、易于阵列与集成等优点，pMUT已成为了一种极具发展潜力与应用前景的新型超声换能器。

pMUT及其阵列通常只工作在一阶厚度弯曲振动模态上，这是因为常规pMUT结构呈高度对称，导致偶数阶模态由于具有运动方向完全相反的振型而相互抵消，只有奇数阶模态才能被激发出来，且pMUT在基波模态具有最高的发射与接收灵敏度，而随着模态阶数的增加，灵敏度将显著下降。另一方面，超声波在媒介中传播时衰减系数会随着频率和距离的增加而逐渐增大，以体内组织超声成像为例，pMUT的工作频率越大，超声信号衰减越快，进入人体组织的作用深度也越小，但是成像分辨率会更高。因此，单模态的pMUT无法兼顾超声探测深度和成像分辨率，在使用中需要根据检测需求更换不同模态频率的pMUT探头，既降低了工作效率，又增加了手术成本和风险。除此之外，单模态的超声换能器在超声清洗应用中会产生驻波，造成清洗盲区，严重影响清洗效果和效率；在超声萃取、超声加工、声化学催化、无损检测应用中，为了获取最佳的处理效果，具有多个工作模态的超声波换能器也更能适应实际工作需求。

为了解决实际应用对多模态超声换能器的需求问题，采用多种单模态超声换能器组合的阵列器件受到较多研究人员的青睐，主要包括多种单模态超声换能器按照水平交织排列和垂直堆叠排列两种设计阵列方法，但是这些方法不可避免地会增加器件的体积、功耗、设计复杂度和制造成本，影响最终超声成像效果，还需要特殊考虑相邻单元间超声串扰抑制问题，而目前能产生多模态超声的单个pMUT的设计方法相对很少。通过搭配合适的控制电路，可以实现对pMUT的基波模态和高阶谐波模态分别激励，但是通常需要借助超声造影剂对高阶谐波进行非线性放大，从而获得具有医学精准成像实用价值的多频带超声波，且该方法所用的控制电路一般比较复杂，频带设计灵活性差，甚至需要特殊设计顶电极的形状以提升高阶谐波模态的机电转换能力。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种层合薄膜结构、多模态压电式微型超声换能器及制作方法，以实现超声换能器同时具备多个工作模态，并能够激励获得多频与宽频带的超声波，且尺寸小、易于集成与阵列化的目的。