CN117019605A

CN117019605A - 压电微机械超声换能器阵列

Info

Publication number: CN117019605A
Application number: CN202310833568.0A
Authority: CN
Inventors: 卢奕鹏; 赵雷; 高毓风; 杨冲
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2023-07-07
Filing date: 2023-07-07
Publication date: 2023-11-10

Abstract

本发明涉及电声换能器技术领域，公开了一种压电微机械超声换能器阵列，包括：第一阵列结构，第一阵列结构包括多个阵列排布的第一阵元，每个第一阵元是一个第一压电微机械超声换能器；第一阵列结构中第一阵元的行间距和列间距相等；第一阵列结构中的第一阵元的数量、行间距和列间距满足第一预设条件，第一预设条件包括第一阵列结构的第一方向角与预设的第一目标方向角的差值小于第一预设误差值。

Description

压电微机械超声换能器阵列

技术领域

本发明涉及电声换能器技术领域，尤其涉及一种压电微机械超声换能器阵列。

背景技术

超声换能器在非破坏性测试、工业自动化、目标识别、医学成像与速度距离检测等领域有着广泛的应用。出于传统方式中普遍采用的基于体压电陶瓷材料的超声换能器具有声学耦合性能较差(对于水或空气)、在加工成三维成像所需的二位阵列成本昂贵等一系列的缺点，基于日益成熟微机电系统(MEMS)技术的微机械超声换能器(MUTs)应运而生。相较于传统的超声换能器，微机械超声换能器除了拥有更好的声学耦合性能、更低的成本之外，还具有诸如小体积、低功耗、大带宽，易于被加工成紧凑设计的大容量阵列以及易于与电子系统集成等一系列优势。

基于驱动方式的不同，微机械超声换能器可被分为电容微机械超声换能器(CMUT)与压电微机械超声换能器(PMUT)。相较于较早发展且较为成熟的电容微机械超声换能器，压电微机械超声换能器不具有前者需要较高驱动电压以达到目标灵敏度的缺点。同时，压电超声换能器拥有更大的电容值，使得该类型的超声换能器与工作电路的适配程度更高，且对寄生电容更不敏感。

目前，压电微机械超声换能器已被应用于成像、传感等诸多领域，以其小体积、低成本与优良的工作性能在超声应用领域发挥着重要作用。然而，当压电超声换能器尺寸减小至所应用声波的波长量级时，单个换能器的辐射声场表现出各向同性的特点，即在各个方向上产生相近强度的声波。这种特性在小于1MHz的应用频率范围内尤为显著，这使得现有的压电微机械超声换能器无法满足某些低频超声应用的高指向性要求。传统基于厚度模式的超声换能器通过切割方式实现阵列化与高指向性，但是具有频率单一、填充因子小(指有效换能面积与总面积的比值)等缺点。

发明内容

本发明提供一种压电微机械超声换能器阵列，通过合理设置压电微机械超声换能器阵列中的阵元数量和相邻阵元之间的间距实现了压电超声换能器半径减小至声波波长量级时换能器阵列能满足高指向性的要求。

一种压电微机械超声换能器阵列，包括：

第一阵列结构，所述第一阵列结构包括多个阵列排布的第一阵元，每个所述第一阵元是一个第一压电微机械超声换能器；

所述第一阵列结构中所述第一阵元的行间距和列间距相等；所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量、行间距和列间距满足第一预设条件，所述第一预设条件包括所述第一阵列结构的第一方向角与预设的第一目标方向角的差值小于第一预设误差值。

上述方案中，所述第一压电微机械超声换能器包括支撑层，设置在所述支撑层上的底电极层，设置在所述底电极层上的压点层，设置在所述压点层上的顶电极，所述支撑层背离所述顶电极一侧设有空腔。

上述方案中，根据所述第一压电微机械超声换能器的空腔尺寸、声波数量和第一目标方向角确定所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量、行间距和列间距。

上述方案中，所述第一阵元是圆形压电微机械超声换能器，第一压电微机械超声换能器的空腔的截面是圆形的；

根据所述第一压电微机械超声换能器的空腔尺寸、声波数量和第一目标方向角确定所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量、行间距和列间距，包括：

根据方向角函数确定所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量、行间距和列间距，其中，所述函数的表达式为：

式中，N是所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量；

k是声波数量；

a是空腔截面的半径；

p是所述第一阵列结构中的所述第一阵元的行间距和列间距；

J₃是第一类贝塞尔函数的三阶形式。

上述方案中，所述第一阵列结构的所述第一阵元组成多个阵元环，每个所述阵元环中所述第一阵元相互连接形成一个矩形；每个所述阵元环的所有所述第一阵元的顶电极和空腔的比值相同，所述第一阵列结构的所有阵元环对应的比值满足第三预设条件，所述第三预设条件包括所述第一阵列结构的波束宽度是预设波束宽度和/或所述第一阵列结构的旁瓣级是预设旁瓣级。

上述方案中，还包括第二阵列结构，所述第二阵列结构包括多个阵列排布的第二阵元，每个所述第二阵元是一个第二压电微机械超声换能器，第二阵列结构的谐振频率和所述第一阵列结构的谐振频率不同；

所述第二阵元位于所述第一阵列结构的所述第一阵元的空隙中，所述第一阵列结构中所述第一阵元的行间距和列间距相等；所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量、行间距和列间距满足第二预设条件，所述第二预设条件包括所述第二阵列结构的第二方向角与预设的第二目标方向角的差值小于第二预设误差值。

上述方案中，所述第一阵列结构的所述第一阵元的空隙是四个相邻的所述第一阵元形成的空隙，四个相邻的所述第一阵元中每两个相邻的所述第一阵元在所述第一阵元的行方向上相邻或在所述第一阵元的列方向上相邻，所述第二阵元的排布在所述空隙的中心处。

上述方案中，所述第一阵列结构的每个所述空隙中排布有一个所述第二阵元。

上述方案中，所述第一阵列结构是包含N1行第一阵元和N1列第一阵元的方阵，所述第二阵列是包含N2行第二阵元和N2列第二阵元的方阵，其中N1和N2均为正整数。

上述方案中，所述第一阵元和所述第二阵元均是圆形压电微机械超声换能器，所述第一阵元的直径和所述第二阵元的直径不同。

上述压电微机械超声换能器阵列所实现的方案中，可以第一阵列结构，所述第一阵列结构包括多个阵列排布的第一阵元，每个所述第一阵元是一个第一压电微机械超声换能器；所述第一阵列结构中所述第一阵元的行间距和列间距相等；所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量、行间距和列间距满足第一预设条件，所述第一预设条件包括所述第一阵列结构的第一方向角与预设的第一目标方向角的差值小于第一预设误差值。在本发明中，通过对压电微机械超声换能器(PMUT)方形阵列的设计，通过设置合理的阵列中的压电微机械超声换能器(PMUT)数量和相邻压电微机械超声换能器(PMUT)的间距，实现了阵列高方向性，且拥有较小的旁瓣级，足以满足一般的超声测速的应用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明一实施例中单个PMUT的结构示意图；

图2本发明一实施例中PMUT均匀方阵的结构示意图；

图3本发明一实施例中一种经设计的PMUT均匀方阵的方向角；

图4本发明一实施例中双频PMUT均匀方阵的结构示意图；

图5本发明一实施例中一种经设计的双频PMUT均匀方阵的方向角；

图6本发明一实施例中圆形PMUT振动幅值(归一化)与顶电极/空腔半径比的变化关系；

图7本发明一实施例中一种环形幅值加权的PMUT均匀方阵；

图8本发明一实施例中一种环形幅值加权的PMUT均匀方阵的方向角；

附图编号说明：

1、支撑层；2、底电极；3、压电层；4、顶电极；11、空腔；21、第一阵元；22、第二阵元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至8所示，本发明实施例提供的压电微机械超声换能器阵列，包括：

其中，方向角是指超声声波主瓣功率衰减至中心极大值一半所对应的角度，即半功率角，是标定换能器方向性最重要的指标。分析阵元个数以及阵元间距对方向角的影响。

可以理解的是，压电微机械超声换能器的优势之一是缩小其体积便可在不损害性能的情况下减小制造成本。然而，当压电超声换能器半径减小至声波波长量级时，单个压电超声换能器所产生的声波逐渐表现出各向同性的特点，在各个方向上产生几乎相同强度的声波，难以获得较高好的方向性，进而难以某些低频超声应用的高指向性要求，难以在相关领域替代大体积超声换能器。

本实施例，通过对阵元个数与间距进行设计，实现了高指向性的PMUT阵列，拥有能量集中，传播距离远，抗干扰能力强等有益效果。图2为通过调整PMUT均匀方阵中阵元个数和阵元间距以获得期望方向角的示意图。其中，阵列是多个PMUT构成的集群。PMUT的形状也不局限于圆形，也可以是矩形、方形、椭圆形等。

在一些实施例中，压电微机械超声换能器的结构通常自上而下由顶电极层、压电层、底电极层以及通常底部带有空腔的支撑层组成，如图1所示。其中电极可由Au、Pt、Mo、Al、ITO(氧化铟锡)等导电材料构成，压电层可以由PZT、AlN、ScAlN、ZnO、KNN等压电材料构成，支撑层则可以由Si、Glass、PI等薄膜构成。对于圆形PMUT结构，其谐振频率：f_01∝t/a^2；通过调整薄膜厚度和空腔面积，获得期望的谐振频率。

在一些实施例中，根据所述第一压电微机械超声换能器的空腔尺寸、声波数量和第一目标方向角确定所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量、行间距和列间距。

其中，压电微机械超声换能器是矩形、方形、椭圆形主要是指是压电微机械超声换能器的空腔是矩形、方形、椭圆形，即空腔的水平截面是矩形、方形、椭圆形。

在一些实施例中，所述第一阵元是圆形压电微机械超声换能器，第一压电微机械超声换能器的空腔的截面是圆形的；

式中，N是所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量；

k是声波数量；

a是空腔截面的半径；

p是所述第一阵列结构中的所述第一阵元的行间距和列间距；

J₃是第一类贝塞尔函数的三阶形式。

可以理解的是，对于单个PMUT构成的圆形方阵，其方向性函数可以通过归一化方向性函数来计算。其中，J3为第一类贝塞尔函数的三阶形式。通过此公式，可以发现该方向性函数近似为行/列阵元个数N与行/列阵元间距p乘积的函数。据此，便可以通过对PMUT方形阵列的设计，改变该乘积的数值，进而调整该阵列的方向性函数。

当然，压电微机械超声换能器的形状不是圆形时，归一化方向性函数是不同的，即其他形状的压电微机械超声换能器也有对应的归一化方向性函数。

在一些应用场景中，如图2所示，阵列中各阵元呈现方形排布，即行阵元个数与列阵元个数保持相等，且在各自方向上拥有相同的阵元间距。通过方向性函数公式，可以计算出不同行/列阵元个数与不同行/列阵元间距下的方向性函数，进而可确定其方向角的大小。针对所期望的高指向性12°方向角，一种经设计达到预期效果的PMUT均匀方阵的方向角如图3所示。

在一些实施例中，所述第一阵列结构的所述第一阵元组成多个阵元环，每个所述阵元环中所述第一阵元相互连接形成一个矩形；每个所述阵元环的所有所述第一阵元的顶电极和空腔的比值相同，所述第一阵列结构的所有阵元环对应的比值满足第三预设条件，所述第三预设条件包括所述第一阵列结构的波束宽度是预设波束宽度和/或所述第一阵列结构的旁瓣级是预设旁瓣级。

可以理解的是，采用环形幅值加权的办法来提高阵列的方向性。外加相同的驱动电压时，PMUT的振动幅度可以通过改变顶电极的面积来调控。图6展示了圆形PMUT振动幅值(归一化)与顶电极/空腔半径比的变化关系，通过调整顶电极面积可以有效实现换能器的幅值变化，简单便捷。因此，对于环形分布的PMUT阵列，可以通过调整不同环形区域阵元顶电极的面积来实现幅值调控，进而优化阵列的方向性性能。如图7所示，由内到外将阵列分为A、B、C、D、E五环，当其振动幅度各不相同，采取一定的分布规律后，便可得到预期的方向性结果。环形幅值加权对阵列方向角的调控作用如图8所示。此外，PMUT阵列的幅值加权也可以通过相控阵技术实现。不同形式的幅值加权对方向角或旁瓣级均会起到调控作用，以适应不同的场合需要。

在一些应用场景中，如图6所示，通过环形幅值加权对PMUT阵列进行调控，不同位置的PMUT阵元环拥有不同的振动幅度值，所起到的和效果是改善PMUT阵列的方向角或旁瓣级。通过仿真分析，环形幅值加权对PMUT阵列方向角的调控结果如图7所示，对波束宽度与旁瓣级的影响如图8所示，其中正向幅值加权(A:B:C:D:E＝1:2:3:4:5)，可以获得更小的波束宽度，逆向幅值加权(A:B:C:D:E＝1:2:3:4:5)，可以获得更小的旁瓣级，具有极高的灵活性。

本实施例中，通过改变顶电极的面积，对PMUT阵列进行环形幅值调控，实现了对辐射声场波束宽度和旁瓣级的有效调节，具有极高的灵活性。同时，通过改变顶电极面积实现幅值调控的方法，简单可靠，减轻了外围电路的设计难度。以下表1是环形幅值加权的PMUT均匀方阵的波束宽度和旁瓣级。

表1

幅值加权	波束宽度(-6dB)	旁瓣级
			A:B:C:D:E＝1:2:3:4:5	10.8°	-9.74dB
A:B:C:D:E＝1:1:1:1:1	11.52°	-13.06dB
			A:B:C:D:E＝5:4:3:2:1	13.68°	-20.71dB

本实施例，提高换能器的方向性还需关注产生旁瓣的个数以及旁瓣的强度(旁瓣级)。一种经设计的PMUT均匀方阵的方向角如图3所示，实现了高方向性(例如方向角12°)，且拥有较小的旁瓣级，足以满足一般的超声测速的应用需求。

在一些实施例中，还包括第二阵列结构，所述第二阵列结构包括多个阵列排布的第二阵元，每个所述第二阵元是一个第二压电微机械超声换能器，第二阵列结构的谐振频率和所述第一阵列结构的谐振频率不同；

可以理解的是，在阵元个数一定的情况下，由于提高方向性需要增加阵元间距，方向性越大，方向角越小，则间距越大，阵列所占据的面积越大。为了迎合较小方向角的需要便需要牺牲较大的面积，即造成阵列的填充因子较小。为了解决该问题，可在同一阵列中引入不同频率的两组阵元，在满足方向性要求的同时对剩余面积加以利用，如图4所示。不同频率的PMUT阵元交错排列，具有相同的阵元间距p。采用这种设计，既能在高填充因子下满足所需的高方向性需求，又能在阵列中集成两种不同频率的阵元以实现更为全面的功能，来适应多种场合的需要。通过采用上述方法，一种将500kHz阵元与200kHz阵元综合的PMUT均匀方阵的方向角如图5所示，该阵列中不同频率的成分均实现了12°的高指向性，满足应用需求。通过在同一阵列中交叉排布两种频率的PMUT，实现了高填充因子、多频的PMUT阵列，可同时灵活满足不同工作场合的需要。

在一些实施例中，第二阵元可以是和第一阵元相同都是圆形的压电微机械超声换能器。

在一些实施例中，所述第一阵列结构的所述第一阵元的空隙是四个相邻的所述第一阵元形成的空隙，四个相邻的所述第一阵元中每两个相邻的所述第一阵元在所述第一阵元的行方向上相邻或在所述第一阵元的列方向上相邻，所述第二阵元的排布在所述空隙的中心处。

在一些实施例中，所述第一阵列结构的每个所述空隙中排布有一个所述第二阵元。

在一些实施例中，所述第一阵列结构是包含N1行第一阵元和N1列第一阵元的方阵，所述第二阵列是包含N2行第二阵元和N2列第二阵元的方阵，其中N1和N2均为正整数。

在一些实施例中，所述第一阵元和所述第二阵元均是圆形压电微机械超声换能器，所述第一阵元的直径和所述第二阵元的直径不同。

可以理解的是，第一阵元的尺寸和第二阵元的尺寸不同，也即所述第一阵元的空腔的直径和所述第二阵元的空腔的直径不同。

在一些应用场景中，如图4所示，阵列中不同频率的PMUT阵元交错排布，其中外层行/列阵元个数比内层多1。两种频率的PMUT具有相同的阵元间距。通常情况下较高频PMUT的半径小于较低频PMUT的半径，因而通常是高频PMUT处于内层的位置。一种经设计的将200kHzPMUT与500kHzPMUT交错排列的PMUT阵列的方向性指标如图5所示，均实现了12°的方向角，方向性较好，满足高指向性需要。

可见，在上述方案中，通过对压电微机械超声换能器进行一系列的阵列设计，分别通过对阵元个数与间距的调整、引入双频换能器阵列、通过调整顶电极面积来实现阵元幅值调控以获得期望的波束宽度与旁瓣级，实现高指向性、多频工作、低旁瓣级别的阵列设计，改善方向性，来满足具体场合对于强抗干扰能力与远传播距离等指标的需求。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，所述第一压电微机械超声换能器包括支撑层，设置在所述支撑层上的底电极层，设置在所述底电极层上的压点层，设置在所述压点层上的顶电极，所述支撑层背离所述顶电极一侧设有空腔。

3.如权利要求2所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，根据所述第一压电微机械超声换能器的空腔尺寸、声波数量和第一目标方向角确定所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量、行间距和列间距。

4.如权利要求3所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，所述第一阵元是圆形压电微机械超声换能器，第一压电微机械超声换能器的空腔的截面是圆形的；

式中，N是所述第一阵列结构中的所述第一阵元的数量；

k是声波数量；

a是空腔截面的半径；

p是所述第一阵列结构中的所述第一阵元的行间距和列间距；

J₃是第一类贝塞尔函数的三阶形式。

5.如权利要求4所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，所述第一阵列结构的所述第一阵元组成多个阵元环，每个所述阵元环中所述第一阵元相互连接形成一个矩形；每个所述阵元环的所有所述第一阵元的顶电极和空腔的比值相同，所述第一阵列结构的所有阵元环对应的比值满足第三预设条件，所述第三预设条件包括所述第一阵列结构的波束宽度是预设波束宽度和/或所述第一阵列结构的旁瓣级是预设旁瓣级。

6.如权利要求1所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，还包括第二阵列结构，所述第二阵列结构包括多个阵列排布的第二阵元，每个所述第二阵元是一个第二压电微机械超声换能器，第二阵列结构的谐振频率和所述第一阵列结构的谐振频率不同；

7.如权利要求6所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，所述第一阵列结构的所述第一阵元的空隙是四个相邻的所述第一阵元形成的空隙，四个相邻的所述第一阵元中每两个相邻的所述第一阵元在所述第一阵元的行方向上相邻或在所述第一阵元的列方向上相邻，所述第二阵元的排布在所述空隙的中心处。

8.如权利要求7所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，所述第一阵列结构的每个所述空隙中排布有一个所述第二阵元。

9.如权利要求6所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，所述第一阵列结构是包含N1行第一阵元和N1列第一阵元的方阵，所述第二阵列是包含N2行第二阵元和N2列第二阵元的方阵，其中N1和N2均为正整数。

10.如权利要求6所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，所述第一阵元和所述第二阵元均是圆形压电微机械超声换能器，所述第一阵元的直径和所述第二阵元的直径不同。