本技术介绍了一种创新的宽频pMUT单元和阵列。该单元和阵列结构由基底层、驱动层和多梯度振动层组成,其中基底层包括支撑体和背部空腔。
背景技术
超声换能器作为一种可将电能与机械声能相互转换的超声波器件,在超声波的产生与检测领域都起到了关键性作用。得益于MEMS技术的发展,超声换能器得以实现微型化,其中pMUT只需要几伏特的激励电压,这使得pMUT具有更高的应用安全性与生物相容性。
压电超声换能器包含的主要性能参数包括谐振频率、机电耦合系数、频带宽度、工作效率以及发射与接收灵敏度等。根据换能器不同的应用场景,需要着重考虑的性能参数也存在不同。
长久以来,探索pMUT灵敏度等参数的研究较为成熟,但相比之下,关于如何有效拓宽pMUT单元及阵列工作频带的研究却相对较少。较窄的工作频带,极大地限制了pMUT单元及阵列的分辨率,使得pMUT在诸多领域的应用受到擎制。目前国内外学者对于pMUT频带宽度的研究取得了一系列的成果,如复旦大学(CN202110235018.X),基于传统pMUT器件,在pMUT单元背部开设盲孔式空腔,并在空腔内填充背衬材料,成功将pMUT单元及其阵列带宽提高一倍以上。但该pMUT单元及阵列造价昂贵,不利于转化到工程应用之中,应用场景极大受限。武汉大学研制出一款阵列式宽频超声换能器(CN202011621958.4),但该超声换能器阵列器件指向性的统一度差,应用领域受到约束。
现有技术背景下,宽频pMUT阵列及单元的设计存在缺陷,包括:
(1)多频激励源或多驱动的方式无法实现实际有效宽频,且器件设计过程繁琐。
(2)低稳定性与低容错率。工作频带范围内存在一或多个逼近-6dB频带下限的频率点,导致低轴向分辨率与低稳定性。
(3)所用材料昂贵、新工艺开发周期长。本发明使用氧化片基底与成熟的压电薄膜制备工艺。
实现思路