一种环形压电微机械声波换能器阵列结构的制作方法

1.本发明涉及换能器技术领域，具体涉及一种环形压电微机械声波换能器阵列结构。


背景技术：

2.压电微机械声波换能器是一种利用压电薄膜的压电效应和逆压电效应，将声能和电能进行转换的换能器，常用于微型麦克风/扬声器、无损探测、医疗诊断等多个领域。环形声波换能器阵列是换能器阵列的一种，相比线性阵列及面阵，环形阵列具有优秀的轴向聚焦特性。
3.传统的环形压电微机械声波换能器阵列，为同一环(或几环)的多个换能器单元的顶电极直接通过引线连接起来，由于引线宽度有限较小，相比器件使用时的外部接线引线电阻的分压更多。进一步的，当环形阵列中换能器数量较多时，换能器阵列尺寸较大，引线较长，引线电阻过大，造成引线上分压严重，影响环形阵列性能的问题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是：传统的环形压电微机械声波换能器阵列，在环形阵列中换能器数量较多时，致使引线上分压严重，影响环形阵列性能的问题；本发明目的在于提供一种环形压电微机械声波换能器阵列结构，基于传统的环形压电微机械声波换能器阵列进行改进，将换能器单元排列成多个环形阵元后，每个环形阵元均匀分成多个区域，每个区域的所有换能器单元通过同一个引线结构引出到焊盘，减小引线结构的分压，进而保障环形阵列的性能。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.本发明提供一种环形压电微机械声波换能器阵列结构，包括：多个换能器单元和多个引线结构；
7.所述换能器单元排列成多个环形阵元，所有环形阵元绕同一圆心a排布；
8.每个环形阵元均匀分成多个区域，每个区域的所有换能器单元通过同一个引线结构引出到焊盘。
9.本方案工作原理：传统的环形压电微机械声波换能器阵列，在环形阵列中换能器数量较多时，致使引线上分压严重，影响环形阵列性能的问题；本发明目的在于提供一种环形压电微机械声波换能器阵列结构，基于传统的环形压电微机械声波换能器阵列进行改进，将换能器单元排列成多个环形阵元后，每个环形阵元均匀分成多个区域，每个区域的所有换能器单元通过同一个引线结构引出到焊盘，减小引线结构的分压，进而保障环形阵列性能。
10.进一步优化方案为，所述换能器单元至少包括两个换能器并排排列，排列方向指向圆心a。
11.进一步优化方案为，所述换能器单元包括内层换能器和外层换能器；
12.每个环形阵元内所有的外层换能器形成外环层，每个环形阵元内所有的内层换能器形成内环层。
13.进一步优化方案为，所述引线结构包括内层引线和外层引线；
14.所述内层引线连接内环层所有的内层换能器后引出到焊盘；所述外层引线连接外环层所有的外层换能器后引出到焊盘。
15.将一环阵元分成多个区域，每个区域的通过一根引线引出到一个焊盘，而不是整个一环换能器单元全部接在同一根引线上，以此降低引线长度，从而减小引线的电阻，同时由于每根引线上单元数量减少，引线及电阻的总阻抗提高，引线上分压占比减小。
16.进一步优化方案为，所述内层引线和外层引线均包括主干路引线和延伸引线；
17.所述主干路引线呈弧形，连接在外环层外侧或内环层内侧，每根主干路引线通过一根延伸引线引出到一个焊盘。
18.将换能器单元接在主干路引线两侧，而不是直接用引线将换能器“串起来”，与换能器单元直接连接的较细引线只会直接与该换能器单元相连，而不会增加引线主干路的电阻。
19.进一步优化方案为，外环层外侧主干路引线与相邻的内环层内侧主干路引线合并为一条主干路引线。
20.由于换能器单元排布在引线两侧，因此引线相比传统环形阵列可以更粗，其横截面面积可以增大至少5倍，增加主干路的引线宽度以显著降低引线电阻。
21.进一步优化方案为，靠近圆心a的环形阵元划分区域的个数少于远离圆心a的环形阵元划分区域的个数。
22.在换能器结构和大小一致的情况下，由于远离圆心a的环形阵元的排列周长较大，其排布的换能器数量越多，那么划分后区域内的换能器数量会比靠近圆心a的环形阵元的多，为了均衡每个引线结构的分压，将靠近圆心a的环形阵元划分区域的个数少于远离圆心a的环形阵元划分区域的个数。
23.进一步优化方案为，靠近圆心a的最内层环形阵元均匀划分成两个区域，靠近圆心a的第二层环形阵元均匀划分成4个区域，其余环形阵元都均匀划分为8个区域。
24.进一步优化方案为，划分为8个区域的所有环形阵元，每隔两个区域之间预留有引线通道，引线结构从引线通道引出到焊盘。
25.进一步优化方案为，所述换能器包括：顶电极层、压电薄膜层、底电极层、顶硅层、二氧化硅层和底硅层从上到下依次排列；所述顶电极层和底电极层用于施加激励，压电薄膜层、顶硅层、二氧化硅层和底硅层共同作用产生声波。
26.在换能器的顶电极层和底电极层两个电极层施加脉冲激励后，压电材料(压电薄膜层)由于逆压电效应产生形变，从而形成周期性振荡，发出声波。
27.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
28.本发明提供的一种环形压电微机械声波换能器阵列结构，基于传统的环形压电微机械声波换能器阵列进行改进，将换能器单元排列成多个环形阵元后，每个环形阵元均匀分成多个区域，每个区域的所有换能器单元通过同一个引线结构引出到焊盘，减小引线结构的分压，进而保障环形阵列性能。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
30.图1为传统环形压电微机械声波换能器阵列示意图；
31.图2为本发明环形压电微机械声波换能器阵列结构示意图；
32.图3换能器结构示意图。
33.1-区域，2-换能器单元，3-主干路引线，4-延伸引线，5-焊盘，6-顶电极层，7-压电薄膜层，8-底电极层，9-顶硅层，10-二氧化硅层，11-底硅层,12-引线。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
35.如图1所示，在常见的环形压电微机械声波换能器阵列中，同一环(或几环)的多个换能器的顶电极直接通过引线串起来，现有的常见环形压电微机械声波换能器阵列，同一环(或几环)的多个换能器单元2的顶电极直接通过引线连接起来。由于通常引线12宽度较小，相比器件使用时的外部接线引线电阻的分压更多；当环形阵列中换能器数量较多时，换能器阵列尺寸大，引线12较长，引线12电阻过大，造成引线12分压严重影响环形阵列性能的问题，本发明提供以下实施例以解决上述技术问题：
36.实施例1
37.本实施例提供一种环形压电微机械声波换能器阵列结构，如图2所示，包括：多个换能器单元2和多个引线结构；
38.所述换能器单元排列成多个环形阵元，所有环形阵元绕同一圆心a排布；
39.每个环形阵元均匀分成多个区域1，每个区域的所有换能器单元通过同一个引线结构引出到焊盘5。
40.本实施例每个环形阵元均匀分成多个区域，每个区域都通过一根引线引出到焊盘上，而不是整个一环换能器单元全部接在同一根引线上，以此降低引线长度，从而减小引线电阻，同时由于每根引线上单元数量减少，引线及电阻的总阻抗提高，引线上分压占比减小；
41.实施例2
42.在上一实施例的基础上，本实施例所述换能器单元2至少包括两个换能器并排排列，排列方向指向圆心a。均匀排布以利于节约整个换能器阵列结构所占用的时间，同时也便于引线结构的装设。
43.实施例3
44.在上一实施例的基础上，本实施例所述换能器单元2包括两个换能器并排排列，为内层换能器和外层换能器；
45.每个环形阵元内所有的外层换能器形成外环层，每个环形阵元内所有的内层换能
器形成内环层。
46.实施例4
47.在上一实施例的基础上，本实施例所述引线结构包括内层引线和外层引线；
48.所述内层引线连接内环层所有的内层换能器后引出到焊盘；所述外层引线连接外环层所有的外层换能器后引出到焊盘5。
49.实施例5
50.在上一实施例的基础上，本实施例所述内层引线和外层引线均包括主干路引线3和延伸引线4；
51.所述主干路引线3呈弧形，连接在外环层外侧或内环层内侧，每根干路引线3通过一根延伸引线4引出到一个焊盘5。
52.相邻的外环层和内环层之间可以共用一根主干路引线。
53.实施例6
54.在上一实施例的基础上，本实施例所述外环层外侧主干路引线与相邻的内环层内侧主干路引线合并为一条主干路引线。
55.增加主干路引线的宽度，由于换能器单元排布在引线两侧，因此引线相比传统环形阵列可以更粗，显著降低引线电阻。
56.实施例7
57.在上一实施例的基础上，本实施例靠近圆心a的环形阵元划分区域的个数少于远离圆心a的环形阵元划分区域的个数。
58.实施例8
59.在上一实施例的基础上，本实施例靠近圆心a的最内层环形阵元均匀划分成两个区域，靠近圆心a的第二层环形阵元均匀划分成4个区域，其余环形阵元都均匀划分为8个区域。
60.实施例9
61.在上一实施例的基础上，本实施例划分为8个区域的所有环形阵元，每隔两个区域之间预留有引线通道，引线结构从引线通道引出到焊盘。
62.如图3所示，本实施例中一共有6个环形阵元，且远离圆心a的第4个环形阵元的内层换能器和外层换能器不一样；在每隔两个区域之间预留有引线通道，引线通道两侧的主干路引线分别连接一根延伸引线后引出到焊盘；
63.实施例10
64.在上一实施例的基础上，如图3所示，本实施例所述换能器包括：顶电极层6、压电薄膜层7、底电极层8、顶硅层9、二氧化硅层10和底硅层11从上到下依次排列；所述顶电极层和底电极层用于施加激励，压电薄膜层7、顶硅层9、二氧化硅层10和底硅层11共同作用产生声波。在换能器的上下两个电极层施加脉冲激励后，压电材料(压电薄膜层)由于逆压电效应产生形变，从而形成周期性振荡，发出声波。
65.针对环形压电微机械声波换能器阵列，本发明对换能器及引线的排布方式进行了一系列优化，具体而言，包括分区布线，换能器单元两侧排布及引线加粗。通过以上优化，显著降低连接每个换能器单元的引线电阻，降低引线上的分压，优化环形换能器阵列性能。一方面，通过分区布线缩短主干路引线长度，通过引线加粗增加主干路引线直径，由于引线电
阻与引线的长度成正比，与引线横截面积成反比，因此优化后主干路引线的电阻显著降低。另一方面，通过将换能器单元排布在主干路两侧，与换能器单元直接连接的较细引线只会直接与该单元相连，而不会增加主干路引线的电阻。此外，本发明还通过分区布线每根引线上单元数量减少，引线及电阻的总阻抗提高，引线上分压占比减小。因此，对于每个换能器单元而言，引线上的分压显著降低，环形阵列的性能得到提高。
66.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。