新型电容式微机械超声换能器和控制方法

本发明涉及微纳传感器件，特别是涉及一种新型电容式微机械超声换能器和控制方法。

背景技术：

1、电容式mems超声换能器(cmut)具有高灵敏度、高输出声压、大带宽、易于大规模阵列制造、易于与asic集成的显著优点，已广泛用于医学成像诊断及治疗、高强度聚焦超声(hifu)、手持式个人医疗超声装备、化学传感，以及以气体为传播介质等应用中，成为压电换能器的强力替代者。传统cmut具有一个谐振板和两个电极，电极间为真空腔，构成可变电容器实现机电转换。因此，其核心性能如输出声压、接收灵敏度和驱动电压等均受到腔室高度的限制。腔室高度越小，接收灵敏度越高，驱动电压越低，然而将显著限制谐振幅度和输出声压；增加腔室高度可提升输出声压，但将导致接收灵敏度的降低和驱动电压的升高。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种新型电容式微机械超声换能器和控制方法，以能够支持提高接收灵敏度的同时提升发送声压。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、第一方面，本发明实施例提供一种新型电容式微机械超声换能器，包括：衬底、设置在衬底上的多个腔室以及多个谐振极板；其中，每一腔室至少在顶部设置有谐振极板，上下相邻的腔室之间共用谐振极板；所述多个腔室中的至少两个腔室在自然状态下高度不相同，和或，至少部分上下相邻的腔室所共用的谐振极板，能够发生形变。

4、第二方面，本发明实施例提供一种新型电容式微机械超声换能器的控制方法，基于上述的新型电容式微机械超声换能器，

5、所述控制方法包括：

6、在接收信号时，至少向用于接收超声波信号的腔室提供直流偏置电压；所述用于接收超声波信号的腔室为接收腔；其中，在所述多个腔室中，至少一个腔室在自然状态下的高度不小于所述接收腔在自然状态下的高度；和或，在接收信号时，所述接收腔的高度因谐振极板形变而小于其自然状态下的高度；

7、在发送信号时，至少向用于发送超声波信号的腔室提供驱动信号；所述用于发送超声波信号的腔室为发送腔；其中，在所述多个腔室中，至少一个腔室在自然状态下的高度不大于所述发送腔在自然状态下的高度；和或，在发送信号时，所述发送腔的高度因谐振极板形变而大于其自然状态下的高度。

8、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

9、在本发明实施例所提供的多腔室结构中，至少一部分上下相邻腔室所共用的谐振极板能够形变，而谐振极板的形变能引起上下相邻腔室的高度发生变化，则上下相邻腔室也发生了变形，在一些变形状态下，上下相邻腔室的高度可不相同，对于同一腔室而言，不同的变形方向也可能导致其高度与自然状态下相比，会变大或变小；和或，在多腔室结构中，至少两个腔室在自然状态下高度不同。这样，可在接收超声波信号的场景下，令自然状态下或变形后高度相对较小的腔室作为接收腔，而在接收超声波信号的场景下，令自然状态下或变形后高度较大的腔室作为发送腔，从而解决传统器件所面临的、减小腔室高度可提高接收灵敏度，同时却限制谐振幅度和输出声压，而增大腔室高度可提高输出声压，但却导致接收灵敏度降低、驱动电压升高的矛盾。因此，本发明实施例所提供的新型电容式微机械超声换能器，能够支持提高接收灵敏度的同时提升发送声压。

技术特征：

1.一种新型电容式微机械超声换能器，其特征在于，包括：衬底、设置在衬底上的多个腔室以及多个谐振极板；其中，每一腔室至少在顶部设置有谐振极板，上下相邻的腔室之间共用谐振极板；所述多个腔室中的至少两个腔室在自然状态下高度不相同，和或，至少部分上下相邻的腔室所共用的谐振极板，能够发生形变。

2.根据权利要求1所述的新型电容式微机械超声换能器，其特征在于，多个腔室包括微腔室和纳腔室。

3.根据权利要求2所述的新型电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述纳腔室的数量为多个，多个所述纳腔室中的至少一部分纳腔室并置或级联。

4.根据权利要求3所述的新型电容式微机械超声换能器，其特征在于，

5.根据权利要求3所述的新型电容式微机械超声换能器，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的新型电容式微机械超声换能器，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的新型电容式微机械超声换能器，其特征在于，至少一个所述谐振极板的至少一面为共形面。

8.根据权利要求1所述的新型电容式微机械超声换能器，其特征在于，设置于所述衬底上表面的电极具有共形面，和或，所述衬底至少一部分上表面为共形面。

9.根据权利要求7或8所述的新型电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述共形面包括三维的曲面、多台阶、斜坡或组合结构，所述组合结构为三维的曲面、多台阶和斜坡三种中至少一种结构的组合。

10.根据权利要求1-8任一项所述的新型电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述衬底上设置有一个或多个通孔，和或，所述衬底位于腔室内的部分设置有微流体通道。

11.根据权利要求1-8任一项所述的新型电容式微机械超声换能器，其特征在于，至少部分谐振极板上，设置有一个或多个通孔；或者，至少部分谐振极板为镂空结构。

12.根据权利要求1-8任一项所述的新型电容式微机械超声换能器，其特征在于，每一腔室对应一对引出电极，相邻腔室间共用同一引出电极。

13.根据权利要求12所述的新型电容式微机械超声换能器，其特征在于，

14.根据权利要求13所述的新型电容式微机械超声换能器，其特征在于，

15.根据权利要求13所述的新型电容式微机械超声换能器，其特征在于，

16.根据权利要求13所述的新型电容式微机械超声换能器，其特征在于，

17.根据权利要求13所述的新型电容式微机械超声换能器，其特征在于，

18.根据权利要求13所述的新型电容式微机械超声换能器，其特征在于，

19.一种新型电容式微机械超声换能器的控制方法，其特征在于，基于如权利要求1-18任一项所述的新型电容式微机械超声换能器，

技术总结
本发明公开一种新型电容式微机械超声换能器和控制方法，涉及微纳传感器件技术领域。该新型电容式微机械超声换能器包括：衬底、设置在衬底上的多个腔室以及多个谐振极板；其中，每一腔室至少在顶部设置有谐振极板，上下相邻的腔室之间共用谐振极板；所述多个腔室中的至少两个腔室在自然状态下高度不相同，和或，至少部分上下相邻的腔室所共用的谐振极板，能够发生形变，进而引起相应腔室高度的变化。这样，可在接收超声波信号的场景下，令自然状态下或变形后高度相对较小的腔室作为接收腔，而在发送超声波信号的场景下，令自然状态下或变形后高度较大的腔室作为发送腔。因此，能够支持提高接收灵敏度的同时提升发送声压。

技术研发人员：马波,尤政
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/29