CN117563930A - 基于压电效应的微机械超声换能器及医学成像装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于压电效应的微机械超声换能器及医学成像装置，微机械超声换能器包括衬底，衬底上形成阵元，阵元包括多个空腔，间隔形成在衬底上；多个耦合腔，分别形成在衬底上并与多个空腔连通；响应组件，设置在衬底上；电极组件，设置在响应组件上，响应组件适用于接收并响应于通过电极组件施加的交流的激励信号，在阵元内振动并向外部辐射声波；或者，响应组件适用于接收来自外部的声波信号，在阵元内振动，产生电压信号并通过电极组件输出；其中，设置不同尺寸的空腔使得对应的响应组件具有不同的本征谐振频率，设置多个耦合腔使得响应组件在本征谐振频率附近发生不同程度的偏移，以产生与本征谐振频率不同的谐振频率。

Description

基于压电效应的微机械超声换能器及医学成像装置

技术领域

本公开涉及微机械超声换能器技术领域，尤其涉及一种基于压电效应的微机械超声换能器及医学成像装置。

背景技术

与传统超声换能器相比，结合微机电系统(MEMs，Micro-Electro-MechanicalSystem)工艺的微机械超声换能器(MUT)具有微尺寸、低功耗、可集成等优势，在介入式心血管内超声成像领域有广阔的应用场景。

MUT通常分为两大类，一类是基于电容式的微机械超声换能器(CMUT)，另一类是基于压电效应的微机械超声换能器(PMUT)，PMUT相较于CMUT的优势在于不需要大偏置电压及工艺简单，但是PMUT最大的不足在于带宽窄。

PMUT实现多频、宽带宽常用的做法是改变微机械超声换能器的半径或者宽长比等横向尺寸和纵向尺寸中至少之一(即在同一衬底上同时放置不同横向尺寸和纵向尺寸中至少之一的微机械超声换能器)，由于PMUT的谐振频率对微机械超声换能器的横向尺寸和纵向尺寸的敏感性，通过改变横向尺寸和纵向尺寸中至少之一得到的两个不同谐振频率间距较大，难以实现频率的“微调节”，也不易通过相邻工作频段间的谐振频率耦合实现宽带宽。

发明内容

为解决现有技术中的技术问题中的至少之一，本公开提供一种基于压电效应的微机械超声换能器，可以将相邻工作频段间的谐振频率进行耦合，实现宽带宽。

本公开实施例的一个方面，提供了一种基于压电效应的微机械超声换能器，包括衬底、响应组件和电极组件。所述衬底上形成阵元，所述阵元包括多个空腔和多个耦合腔。多个所述空腔间隔形成在所述衬底上；多个耦合腔分别形成在所述衬底上并与多个所述空腔连通；响应组件，设置在所述衬底上。电极组件设置在所述响应组件上，所述响应组件适用于接收并响应于通过所述电极组件施加的交流的激励信号，在所述阵元内振动并向外部辐射声波；或者，所述响应组件适用于接收来自外部的声波信号，在所述阵元内振动，产生电压信号并通过所述电极组件输出；其中，设置多个所述耦合腔使得所述响应组件在每个所述空腔对应的本征谐振频率附近发生不同程度的偏移，以产生与所述本征谐振频率不同的谐振频率，拓宽所述微机械超声换能器的带宽。

根据本公开的实施例，所述响应组件包括弹性层和压电层。弹性层设置在所述衬底上，压电层设置在所述弹性层上，适用于在所述激励信号的激励下产生内应力，驱使所述弹性层产生弯曲振动并向外辐射声波；或者，接收来自外部的所述声波信号，振动并产生所述电压信号。

根据本公开的实施例，所述电极组件包括第一电极和第二电极。第一电极设置在所述响应组件上，第二电极与所述第一电极间隔地设置在所述响应组件上，且所述第二电极与所述第一电极相匹配的位于每个所述空腔的上方，以接收来自外部的激励信号或来自所述响应组件的电压信号，使所述第一电极和所述第二电极之间形成电场。

根据本公开的实施例，所述第一电极包括第一叉指部和第一连接部。第一叉指部设置在所述压电层上，第一连接部与所述第一叉指部电连接。所述第二电极包括第二叉指部和第二连接部。第二叉指部与所述第一叉指部间隔的设置在所述压电层上，并与所述第一叉指部对应设置在所述阵元的上方，第二连接部与所述第二叉指部电连接，适用于与所述第一连接部协作，以接收所述激励信号或输出所述电压信号。

根据本公开的实施例，所述第一电极设置在所述压电层上，所述第二电极设置在所述弹性层与所述压电层之间，其中，所述第一电极包括多个本体部和第三连接部。多个本体部分别设置在多个所述空腔的上方；以及第三连接部将多个所述本体部连接，适用于与所述第二电极协作，接收所述激励信号或输出所述电压信号。

根据本公开的实施例，每个所述第一电极覆盖面积为对应的所述空腔面积的70％。

根据本公开的实施例，所述衬底上与所述阵元间隔形成有本征空腔，所述本征空腔适用于与所述响应组件配合提供基准谐振频率。

根据本公开的实施例，所述阵元中相邻的两个所述空腔的间距为所述阵元对应的声波波长的一半，以减小栅瓣效应。

根据本公开的实施例，所述阵元中的多个所述空腔的尺寸被配置为不同，以使对应的响应组件具有不同的本征谐振频率。

作为本公开实施例的另一个方面，提供了一种医学成像装置，包括：换能器阵列，所述换能器阵列包括多个上述任一种所述的微机械超声换能器。

根据本公开实施例的基于压电效应的微机械超声换能器，通过设置多个耦合腔可以使得响应组件在本征谐振频率附近发生不同程度的偏移，以产生与空腔对应的本征谐振频率不同的谐振频率，拓宽所述微机械超声换能器的带宽。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开的一个实施例的基于压电效应的微机械超声换能器的分解图；

图2示意性示出了图1所示的基于压电效应的微机械超声换能器的衬底的俯视图；

图3a-图3d示意性示出了根据本公开的四个实施例的基于压电效应的微机械超声换能器的衬底的俯视图；

图4示意性示出了根据本公开的实施例的基于压电效应的微机械超声换能器的局部俯视图；

图5示意性示出了图4所示的基于压电效应的微机械超声换能器沿A-A线的剖视图；

图6示意性示出了根据本公开的另一个实施例的基于压电效应的微机械超声换能器的分解图；

图7示意性示出了根据本公开的实施例的基于压电效应的微机械超声换能器的局部剖视图；

图8示意性示出了根据本公开的又一实施例的基于压电效应的微机械超声换能器的局部俯视图；

图9示意性示出了图8所示的基于压电效应的微机械超声换能器沿A-A线的剖视图；

图10示意性示出了存在耦合腔与无耦合腔的两种情形下的对比；

图11a-11c示意性示出了根据本公开实施例的基于压电效应的微机械超声换能器的制备流程图；

图12示意性示出了根据本公开实施例的基于压电效应的微机械超声换能器的仿真结果；以及

图13示意性示出了根据本公开实施例的基于压电效应的微机械超声换能器在空气域中进行声场仿真的计算结果。

附图标记说明：

1-衬底；

11-空腔；12-耦合腔；13-本征空腔；

2-响应组件；

21-弹性层；22-压电层；

3-电极组件；

31-第一电极；

311-第一叉指部；312-第一连接部；313-主体部；

32-第二电极；

321-第二叉指部；312-第二连接部；

4-刻蚀孔。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。但是，本公开能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本公开的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在医学超声成像领域，微机械超声换能器的工作带宽对超声图像的分辨率有重要的影响，工作带宽越大，图像的分辨率越高。在医学超声成像领域，微机械超声换能器的谐振频率对图像分辨率也有影响，谐振频率越高，图像的分辨率越高，但超声波衰减更快，传输距离更短。实际应用中对于工作频率的选择需要在成像距离和分辨率之间进行折中，因此可多频工作且具有宽带宽的微机械超声换能器具有广阔的应用前景。

需要说明的是，基于压电效应的微机械超声换能器的厚度(高度)方向是指位于第一平面内的器件的生长方向，即与第一平面垂直的方向(如图1所示的Z轴所指的方向)，横向方向为第一平面内图1所示的X轴所指的方向，纵向方向为第一平面内图1所示的Y轴所指的方向。

图1示意性示出了根据本公开的一个实施例的基于压电效应的微机械超声换能器的分解图，图2示意性示出了图1所示的基于压电效应的微机械超声换能器的衬底的俯视图。

作为本公开实施例的一个方面，提供了一种基于压电效应的微机械超声换能器，如图1所示，包括衬底1、响应组件2和电极组件3。如图1和图2所示，衬底1上形成阵元，阵元包括多个空腔11和多个耦合腔12。多个空腔11间隔形成在衬底1上，多个耦合腔12分别形成在衬底1上并与多个空腔11连通。响应组件2设置在衬底1上，电极组件3设置在响应组件2上。响应组件2适用于接收并响应于通过电极组件3施加的交流的激励信号，在阵元内振动并向外部辐射声波；或者，响应组件2适用于接收来自外部的声波信号，在阵元内振动，产生电压信号并通过电极组件3输出。其中，设置多个耦合腔12使得响应组件2在每个空腔对应的本征谐振频率附近发生不同程度的偏移，以产生与本征谐振频率不同的谐振频率，拓宽微机械超声换能器的带宽。

根据本公开实施例的基于压电效应的微机械超声换能器设置多个耦合腔可以使得响应组件在空腔对应的本征谐振频率附近发生不同程度的偏移，以产生与本征谐振频率不同的谐振频率，拓宽微机械超声换能器的带宽。

本领域技术人员可以理解，对于不同的微机械超声换能器，通过调整耦合腔的尺寸，可以改变响应组件的刚度，从而调控响应组件在阵元的谐振频率。

根据本公开的实施例，本征谐振频率为在未设置耦合腔12的情况下，响应组件2响应于通过电极组件3交替施加的来自外部的正负相位的激励信号(也就是交流的激励信号)，或者接收来自外部的声波信号的情况下，在每个空腔11处产生的振动频率。

在一种示意性的实施例中，多个空腔的尺寸被配置为至少部分不同，不同尺寸的空腔对应的响应组件具有不同的本征谐振频率。设置多个耦合腔可以使得响应组件在不同的本征谐振频率附近发生不同程度的偏移，分别产生与多个与本征谐振频率不同的多个谐振频率，拓宽微机械超声换能器的带宽。

根据本公开的实施例，耦合腔的形状可以包括矩形、弧形、S型等中的任一种。图3a-图3d示意性示出了根据本公开的四个实施例的基于压电效应的微机械超声换能器的衬底的一个俯视图。

在一种示意性的实施例中，如图3a所示，衬底1上形成阵元，阵元包括两个尺寸不同的矩形的空腔11，每个空腔对应的本征谐振频率不同，两个空腔之间通过一个耦合腔12连接，其中，耦合腔12被构造成长方形，并连接在两个空腔11的中部，使响应组件在每个不同的本征谐振频率附近发生偏移，产生不同的谐振频率。可以理解的是，耦合腔12还可以连接在两个矩形空腔的端部。

在另一种示意性的实施例中，如图3b所示，衬底1上形成阵元，阵元包括两个尺寸相同的矩形的空腔11，每个空腔对应的本征谐振频率相同，两个空腔之间通过一个耦合腔12连接，其中，耦合腔12可以被构造成弧形结构。可以理解的是，两个空腔11之间的耦合腔的数量还可以为多个。

在又一种示意性的实施例中，如图3c所示，衬底1上形成阵元，阵元可以包括1个空腔11，通过设置耦合腔12，使响应组件2在空腔11对应的本征谐振频率附近发生偏移，产生与本征谐振频率不同的谐振频率。

在还一种示意性的实施例中，如图3d所示，衬底上形成阵元，阵元包括三个尺寸相同的矩形空腔，其中第一空腔和第二空腔之间通过一个第一耦合腔连接，第二空腔和第三空腔之间通过两个第二耦合腔连接，三个耦合腔的尺寸可以设置为相同。可以理解的是，在其他实施例中，三个耦合腔的尺寸和形状还可以设置为部分不同或完全不同。

在一种示意性的实施例中，多个耦合腔可以连通在相邻的两个空腔之间。

在另一种示意性的实施例中，至少一个耦合腔可以与一个空腔连通。

在又一种示意性的实施例中，多个耦合腔可以将多个空腔两两连通。

在一种可替换的实施例中，多个空腔的尺寸被配置为相同，相同尺寸的空腔11对应的本征谐振频率相同。

在一种示意性的实施例中，参见图1和图2，多个空腔11中，相邻的两个空腔11在纵向方向上的间距相等，可以通过设置不同尺寸的多个耦合腔12，将相邻的两个空腔111连通。不同尺寸的耦合腔12降低了响应组件2的刚度，使响应组件2在多个空腔11处具有不同的谐振频率。

图4示意性示出了根据本公开的实施例的基于压电效应的微机械超声换能器的局部的俯视图，图5示意性示出了图4所示的基于压电效应的微机械超声换能器沿A-A线的剖视图。

根据本公开的实施例，如图4和图5所示，本征频率与空腔11的横向和纵向尺寸有关，在横向尺寸相同的情况下，空腔11的纵向尺寸越大，对应的本征频率越低；在纵向尺寸相同的情况下，空腔11的横向尺寸越大，对应的本征频率越低。

根据本公开的实施例，多个空腔11的形状包括且不限于矩形、圆形、六边形等中的一种。改变空腔11的横向尺寸和纵向尺寸中的至少之一可通过改变长宽比、圆形半径等方式实现。

在一种示意性的实施例中，如图4和图5所示，阵元的多个空腔11的形状为方形，改变空腔11的横向尺寸和纵向尺寸，即改变方形边长w，可以调整空腔11对应的本征频率。

根据本公开的实施例，如图1至图5所示，响应组件2包括弹性层21和压电层11。弹性层21设置在衬底1上，压电层22设置在弹性层21上，压电层22适用于在激励信号的激励下产生内应力，驱使弹性层21产生弯曲振动并向外辐射声波；或者，接收来自外部的声波信号，振动并产生电压信号。

根据本公开的实施例，弹性层21的材料包括但不限于二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)、硅(Si)等中的任一种。

根据本公开的实施例，弹性层21与压电层22一起形成微机械超声换能器的振膜，弹性层21可以作为衬底1背部刻蚀的阻止层。

根据本公开的实施例，弹性层21可以通过薄膜生长的方式生长在衬底1上，或者在刻蚀衬底1时，在靠近压电层22的一侧保留部分衬底，作为弹性层21。

在一些实施例中阵元可以被构造成由多个耦合腔12将多个空腔11两两连接形成环状结构。

在另一些实施例中，多个空腔11可以在衬底1上阵列排布，并通过多个耦合腔12将相邻的两个空腔11连通。

根据本公开的实施例，衬底的材质可以包括硅(Si)，衬底为微机械超声换能器提供支撑。可以通过刻蚀在衬底1上形成多个空腔11，来释放振膜结构，每个空腔11与对应空腔11处的振膜形成一个振动单元。

根据本公开的实施例，基于压电效应的微机械超声换能器的衬底1上可以形成多个阵元。例如，每个阵元中的空腔对应的本征谐振频率不同，通过分别在每个阵元内设置耦合腔12，将每个阵元内的相邻的空腔11两两连通，分别拓宽了每个阵元所对应的本征谐振频率附近的带宽，实现多频和宽带宽中的至少一种。

根据本公开的实施例，基于压电效应的微机械超声换能器的衬底上可以形成的阵元的个数可以包括但不限于1个、2个、3个、5个或10个等中的任一种。

在一种示意性的实施例中，基于压电效应的微机械超声换能器的衬底1上可以形成的4个阵元，4种不同尺寸(横向尺寸和纵向尺寸中至少之一不同)的多个空腔11集成在同一衬底1上，使每个阵元对应的工作频率范围相近耦合，实现大带宽。

在一种示意性的实施例中，基于压电效应的微机械超声换能器的衬底1上可以形成两种不同尺寸的阵元(也就是这两个阵元的空腔11的尺寸不同)，使每个阵元对应的工作频率范围不同，分别对应第一工作频率范围(例如1-2MHz)和高于第一工作频率范围的第二工作频率(例如10-15MHz)这两种工作模式。

根据本公开的实施例，对衬底11的背部进行刻蚀释放振膜结构时，对同一阵元的两两相邻的空腔11之间进行刻蚀形成耦合腔12，耦合腔12会减小振膜刚度，进而降低振动单元的谐振频率。相较于改变空腔11的横向尺寸和纵向尺寸中的至少之一，耦合腔12对器件谐振频率的影响属于“微调节”。增大耦合腔12宽度会进一步减小振膜刚度，降低与该耦合腔12相连接的两个空腔11分别对应的谐振频率。

根据本公开的实施例，如图1和图2所示，可以通过设置不同宽度(横向尺寸)的多个耦合腔12，可以对阵元内的每个空腔11对应的谐振频率进行微调节。

根据本公开的实施例，如图1、图4和图5所示，电极组件3包括第一电极31和第二电极32。第一电极31设置在响应组件2上，第二电极32与第一电极31间隔地设置在响应组件2上，且第二电极32与第一电极31相匹配的位于每个空腔11的上方，以接收来自外部的激励信号或来自响应组件的电压信号，使第一电极31和第二电极32之间形成电场。

根据本公开的实施例，如图1所示，第一电极31包括第一叉指部311和第一连接部312。第一叉指部311设置在压电层22上，第一连接部312与第一叉指部311电连接。第二电极32包括第二叉指部321和第二连接部322。第二叉指部321与第一叉指部311间隔的设置在压电层22上，并与第一叉指部311设置在阵元的上方，也就是第一叉指部311和第二叉指部321相匹配的设置在每个空腔11的上方。第二连接部322与第二叉指部321电连接，适用于与第一连接部312协作，接收激励信号或输出电压信号，使第一电极31和第二电极32之间形成横向电场，具体的，使第一叉指部和第二叉指部之间形成横向电场，使压电层22在横向电场的作用下，产生横向内应力，驱使振膜产生弯曲振动并向外辐射声波，或者接收声波信号并产生电学响应。可以理解的是，第一连接部312和第二连接部322也可以设置在压电层22上。

在这样的实施例中，压电层22的材料包括且不限于铌酸锂、钽酸锂、特殊切向氮化铝材料等中的任一种。

根据本公开的实施例，电极组件3的材料为导电材料，例如可以包括但不限于铝(Al)、铂(Pt)、金(Au)等中的任一种或多种。

在一种示意性的实施例中，基于压电效应的微机械超声换能器的衬底1上形成多个阵元，每个阵元上对应设置电极组件3。多个电极组件3的第一连接部312电连接，多个第二连接部322电连接，可以通过同一个外部的电场，对多个振动单元施加激励信号，使多个振动单元同时向外辐射不同频段的声波信号。

在一种示意性的实施例中，基于压电效应的微机械超声换能器的衬底1上形成多个阵元，每个阵元上对应设置电极组件3。可以根据需要选择任意一组或多组电极施加激励信号。

图6示意性示出了根据本公开的另一个实施例的基于压电效应的微机械超声换能器的分解图，图7示意性示出了根据本公开的实施例的基于压电效应的微机械超声换能器的局部剖视图。

根据本公开的另一些实施例，如图6与图7所示，第一电极31设置在压电层22上，第二电极32设置在弹性层21上，第一电极31与第二电极32形成高度方向上的电场。其中，第一电极31包括多个本体部313和第三连接部。多个本体部313分别设置在每个空腔11的上方，第三连接部将多个本体部313电连接。第一电极31适用于与第二电极32协作，接收激励信号或输出电压信号，使第一电极31和第二电极32之间形成高度方向的电场，具体的，使每个主体部313和第二电极32之间形成高度方向的电场，使压电层22在高度方向的电场的作用下，产生内应力，驱使振膜产生弯曲振动并向外辐射声波，或者接收声波信号并产生电学响应。

在这样的实施例中，压电层的材料包括但不限于氮化铝、钪掺杂氮化铝、锆钛酸铅、氧化锌等中的任一种。

根据本公开的实施例，每个第一电极覆盖面积通常设置为对应的空腔面积的70％。

根据本公开的实施例，阵元中相邻的两个空腔的间距通常设置为为阵元对应的声波波长的一半，以减小栅瓣效应。

根据本公开的实施例，相邻的空腔11的间距设置为对应的谐振频率下的声波长的一半，如果小于对应频率下的声波长的一半，多个振动单元产生的声场互相会叠加，产生栅瓣；如果间距大于对应频率下的声波长的一半，那么阵列声场的指向性差，不够集中。

在这样的实施例中，第二电极可以为层级结构，铺设在压电层22与弹性层21之间。第三连接部可以通过刻蚀压电层22实现。

根据本公开的实施例，衬底1上还可以与阵元间隔形成有本征空腔13，本征空腔13对应的本征谐振频率作为调控响应组件2在阵元的谐振频率的基准谐振频率，通过设置多个耦合腔可以使得响应组件在基准谐振频率附近发生不同程度的偏移。

图8示意性示出了根据本公开的又一实施例的基于压电效应的微机械超声换能器的局部的俯视图，图9示意性示出了图8所示的基于压电效应的微机械超声换能器沿A-A线的剖视图

根据本公开的实施例，如图8和图9所示，在响应组件2上从压电层沿高度方向向下延伸形成有刻蚀孔4，可以通过刻蚀孔4对衬底1刻蚀形成空腔，来释放振膜结构。

根据本公开的实施例，刻蚀孔4与第一电极31间隔设置。

图10示意性示出了存在耦合腔与无耦合腔的两种情形下的对比。

在一种示意性的实施例中，如图10所示，在没有耦合腔12的情况下，空腔为本征空腔。不同尺寸的本征空腔对应不同本征谐振频率，第一本征空腔对应的第一本征谐振频率为f₁，第二本征空腔对应的第二本征谐振频率为f₂。如图1所示的微机械超声换能器，包括两个阵元以及两个本征空腔。通过设置耦合腔，增加了第一阵元和第二阵元在各自的本征谐振频率附近的带宽。在第一本征谐振频率f₁与第二本征谐振频率f₂相差较大的情况下，通过设置耦合腔12，使微机械超声换能器可以实现双频、宽带宽；在第一本征谐振频率f₁与第二本征谐振频率f₂相差较小的情况下，通过设置耦合腔12，将两个频段耦合，微机械超声换能器可以实现大带宽。

作为本公开实施例的另一个方面，提供了一种医学成像装置，包括换能器阵列，换能器阵列包括上述任一种的微机械超声换能器。

根据本公开的实施例，通过对换能器阵列各阵元分别施加具有一定时间延迟的激励信号，结合相控阵列技术实现阵列声场的动态聚焦和扫描。

图11a-11c示意性示出了根据公开实施例的基于压电效应的微机械超声换能器的制备流程图。

作为本公开实施例的又一个方面，提供了一种制作上述任意一种基于压电效应的微机械超声换能器的制备方法，如图11a-11c所示，包括：

在衬底上依次生长弹性层、压电层。

在压电层顶部生长电极组件并图案化。

在衬底1的背部进行刻蚀形成阵元，以释放振膜结构。

在另一种示意性的实施例中，一种制作上述任意一种基于压电效应的微机械超声换能器的制作方法，包括：

在衬底1上生长第二电极。

在第二电极上生长压电层。

在压电层上生长第一电极并图案化。

在衬底1的背部进行刻蚀形成阵元并在与第二电极相邻的一侧预留部分衬底作为弹性层。

图12示意性示出了根据本公开实施例的基于压电效应的微机械超声换能器的仿真结果。

如图12所示，横坐标表示频率(MHz)，纵坐标表示位移大小(nm)。基于压电效应的微机械超声换能器包括一个阵元，阵元包括三个方形空腔11，空腔的边长为50μm，三个空腔11之间通过两个不同宽度的耦合腔12连通，其中，第一个耦合腔宽度为5μm，第二个耦合腔宽度为15μm，耦合腔长度(也就是两个相邻的空腔的之间的距离)均为20μm。如图11所示，边长为50μm的方形空腔通过不同宽度的耦合腔连接后，对应的谐振频率发生偏移，调节范围在10-10.5MHz范围内，实现了对微机械超声换能器的微调。

图13示意性示出了根据本公开实施例的基于压电效应的微机械超声换能器在空气域中进行声场仿真的计算结果。

如图13所示，横坐标表示频率(MHz)，纵坐标表示距离微机械超声换能器的中心1mm处的声压级(dB)。带耦合腔的三个空腔在空气域中发射声波时出现三个相近的谐振峰，实现了对微机械超声换能器的微调。实际应用中如果适用于水域环境，由于水的负载效应比空气更大，相近的峰会耦合形成一个较平坦的频率曲线，实现更大的带宽。

本公开提供的基于压电效应的微机械超声换能器，通过设置多个不同本征谐振频率的阵元，可以实现多频工作，配合多个第一电极和第二电极，可根据实际需要切换工作模式，分别对不同的阵元进行施加激励信号，简单便捷。

相较于传统PMUT宽带宽实现方案(即将横向尺寸和纵向尺寸相差较小的空腔简单集成在同一衬底上)，本公开结合耦合腔分别优化各个工作频段带宽，再通过不同尺寸阵元间集成后可以实现更大带宽。另外，PMUT对横向尺寸和纵向尺寸的改变较为敏感，横向尺寸和纵向尺寸中至少之一不同的空腔，对应的谐振频率相差较大，不易耦合实现大带宽，本公开通过耦合腔实现微调，使不同频率的器件耦合更容易。

本公开提供的基于压电效应的微机械超声换能器，具有多频和宽带宽至少之一的特性，同时具有微尺寸、低功耗等优势，可用于介入式医学超声成像领域。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于压电效应的微机械超声换能器，其特征在于，包括：

衬底，所述衬底上形成阵元，所述阵元包括：

多个空腔，并间隔形成在所述衬底上；以及

多个耦合腔，分别形成在所述衬底上并与多个所述空腔连通；

响应组件，设置在所述衬底上；以及

电极组件，设置在所述响应组件上，所述响应组件适用于接收并响应于通过所述电极组件施加的交流的激励信号，在所述阵元内振动并向外部辐射声波；或者，所述响应组件适用于接收来自外部的声波信号，在所述阵元内振动，产生电压信号并通过所述电极组件输出；其中，设置多个所述耦合腔使得所述响应组件在每个所述空腔对应的本征谐振频率附近发生不同程度的偏移，以产生与所述本征谐振频率不同的谐振频率，拓宽所述微机械超声换能器的带宽。

2.根据权利要求1所述的微机械超声换能器，其特征在于，所述响应组件包括：

弹性层，设置在所述衬底上，

压电层，设置在所述弹性层上，适用于在所述激励信号的激励下产生内应力，驱使所述弹性层产生弯曲振动并向外辐射声波；或者，接收来自外部的所述声波信号，振动并产生所述电压信号。

3.根据权利要求2所述的微机械超声换能器，其特征在于，所述电极组件包括：

第一电极，设置在所述响应组件上；

第二电极，与所述第一电极间隔地设置在所述响应组件上，且所述第二电极与所述第一电极相匹配的位于每个所述空腔的上方，以接收来自外部的激励信号或来自所述响应组件的电压信号，使所述第一电极和所述第二电极之间形成电场。

4.根据权利要求3所述的微机械超声换能器，其特征在于，

所述第一电极包括：

第一叉指部，设置在所述压电层上；以及

第一连接部，与所述第一叉指部电连接；

所述第二电极包括：

第二叉指部，与所述第一叉指部间隔的设置在所述压电层上，并与所述第一叉指部对应设置在所述阵元的上方；以及

第二连接部，与所述第二叉指部电连接，适用于与所述第一连接部协作，以接收所述激励信号或输出所述电压信号。

5.根据权利要求3所述的微机械超声换能器，其特征在于，所述第一电极设置在所述压电层上，所述第二电极设置在所述弹性层与所述压电层之间，其中，

所述第一电极包括：

多个本体部，分别设置在多个所述空腔的上方；以及

第三连接部，将多个所述本体部连接，适用于与所述第二电极协作，接收所述激励信号或输出所述电压信号。

6.根据权利要求5所述的微机械超声换能器，其特征在于，所述第一电极的覆盖面积设置为对应的所述空腔面积的70％。

7.根据权利要求1所述的微机械超声换能器，其特征在于，所述衬底上与所述阵元间隔形成有本征空腔，所述本征空腔适用于与所述响应组件配合提供基准谐振频率。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的微机械超声换能器，其特征在于，所述阵元中相邻的两个所述空腔的间距为所述阵元对应的声波波长的一半，以减小栅瓣效应。

9.根据权利要求1所述的微机械超声换能器，其特征在于，所述阵元中的多个所述空腔的尺寸被配置为不同，以使对应的响应组件具有不同的本征谐振频率。

10.一种医学成像装置，其特征在于，包括：换能器阵列，所述换能器阵列包括多个权利要求1-9中任一项所述的微机械超声换能器。