压电微机械超声换能器阵列、制备方法

本发明涉及超声换能器阵列，特别涉及压电微机械超声换能器阵列、制备方法。

背景技术：

1、基于微机电系统(mems)工艺的压电微机械超声换能器阵列(pmut)具有微尺寸、低功耗的特点，可用于超声成像、超声治疗等，在植入式医疗器械领域有广阔的应用前景。目前pmut的主流结构为基于aln材料的“压电层+上下电极”叠层结构，即压电层在纵向电场激励下产生横向内应力(基于压电材料的e31系数)，进而驱使器件弯曲振动。但aln材料的e31压电系数较小(<1c/m2)，因此器件产生的声压较小。sc掺杂虽然能增大aln材料的e31值，同时也降低薄膜刚度，使器件易损坏。另外，pmut阵列设计中，相邻阵元间的振动串扰会影响阵列的整体工作性能，如何减小串扰是阵列设计的难点之一。除了阵元间的振动串扰，还存在电场干扰，已有的基于叉指换能器阵列结构pmut中，通常直接采用金属叉指电极的简单并列排布实现阵列设计，相邻叉指换能器阵元之间的电场也会对器件产生干扰，进而影响整个阵列工作性能。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了压电微机械超声换能器阵列、制备方法，以便减小换能振元之间的串扰。

2、作为本发明的第一个方面，提供了一种压电微机械超声换能器阵列，包括：

3、衬底，所述衬底上形成有多个空腔；

4、压电层，设置于所述衬底上，所述压电层包括：

5、至少两个分立的换能振元形成的阵列，所述换能振元与所述空腔一一对应，所述换能振元位于所述空腔上；

6、电极层，设置在所述压电层上，所述电极层包括多个电极组，每个电极组包括第一电极和第二电极，所述电极组与所述换能振元一一对应，所述第一电极和所述第二电极分别设置在对应的换能振元的两侧；

7、所述电极组的第一电极和所述第二电极适用于向对应的换能振元施加横向激励电压信号，以使得所述换能振元产生平面内应力进而在第一方向发生振动，并向外辐射超声波，所述第一方向为所述衬底所在平面的法线方向。

8、根据本发明的实施例，至少两个分立的换能振元沿着第二方向呈阵列排布，所述第一电极连接至对应换能振元的第一侧，所述第二电极连接至对应换能振元的第二侧，所述至少两个分立的换能振元相同极性的电极相连。

9、根据本发明的实施例，至少两个分立的换能振元沿着第三方向呈阵列排布，所述第三方向与所述第二方向不相同，相邻的两个换能振元相邻的两个电极的极性相同。

10、根据本发明的实施例，所述系统还包括：

11、弹性层，设置在所述衬底与所述压电层之间，所述弹性层和所述换能振元构成振膜结构，所述振膜结构在所述平面内应力的驱动下在第一方向发生振动，产生超声波。

12、根据本发明的实施例，所述系统还包括：

13、导电结构，适用于支撑所述换能振元，以使所述换能振元位于所述空腔上。

14、根据本发明的实施例，所述压电层的材料包括铌酸锂、碳酸锂、a轴切向的氮化铝。

15、根据本发明的实施例，所述弹性层的材料包括二氧化硅、氮化硅、硅或氮化铝。

16、作为本发明的第二方面，还提供了一种压电微机械超声换能器阵列的制备方法，用于制备如上所述的换能器阵列，所述方法包括：

17、在衬底制备压电层；

18、在所述压电层上制备电极层；

19、对所述电极层进行图形化，得到多个电极组，每个电极组包括第一电极和第二电极；

20、对所述压电层进行刻蚀，得到至少两个分立的换能振元形成的阵列，且每个换能振元与所述电极组一一对应，使得所述第一电极和所述第二电极分别设置在对应的换能振元的两侧；

21、在所述衬底上对与所述换能振元接触的部位进行刻蚀形成空腔，以释放包含所述换能振元的振膜结构。

22、根据本发明的实施例，对所述压电层进行刻蚀还包括形成导电结构。

23、根据本发明的实施例，所述压电层的刻蚀方法包括干法刻蚀或者湿法刻蚀。

24、根据本发明的实施例，通过设置至少两个分立的换能振元，每个换能振元均对应一个电极组，本申请的换能器阵列相对于非分立设置的换能振元能够增大换能阵元之间的隔离度，减小了相邻的换能阵元间的振动串扰。

技术特征：

1.一种压电微机械超声换能器阵列，包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其中，至少两个分立的换能振元沿着第二方向呈阵列排布，所述第一电极连接至对应换能振元的第一侧，所述第二电极连接至对应换能振元的第二侧，所述至少两个分立的换能振元相同极性的电极相连。

3.根据权利要求1或者2所述的系统，其中，至少两个分立的换能振元沿着第三方向呈阵列排布，所述第三方向与所述第二方向不相同，相邻的两个换能振元相邻的两个电极的极性相同。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括：

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括：

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压电层的材料包括铌酸锂、碳酸锂、a轴切向的氮化铝。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述弹性层的材料包括二氧化硅、氮化硅、硅或氮化铝。

8.一种压电微机械超声换能器阵列的制备方法，用于制备如权利要求1-6任一项所述的系统，所述方法包括：

9.根据权利要求1所述的制备方法，其中，对所述压电层进行刻蚀还包括形成导电结构。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述压电层的刻蚀方法包括干法刻蚀或者湿法刻蚀。

技术总结
一种压电微机械超声换能器阵列、制备方法，该压电微机械超声换能器阵列包括：衬底，衬底上形成有多个空腔；压电层，设置于衬底上，压电层包括：至少两个分立的换能振元，换能振元与空腔一一对应，换能振元位于空腔上；电极层，设置在压电层上，电极层包括多个电极组，每个电极组包括第一电极和第二电极，电极组与换能振元一一对应，第一电极和第二电极分别设置在对应的换能振元的两侧；电极组的第一电极和第二电极适用于向对应的换能振元施加横向激励电压信号，以使得换能振元产生平面内应力进而在第一方向发生振动，并向外辐射超声波，第一方向为衬底所在平面的法线方向。

技术研发人员：左成杰,龙嘉琳,王娟
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：2024/1/15