本发明涉及超声换能器领域，特别涉及一种压电微机械超声换能器及其制备方法。
背景技术：
超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声信号转换为电信号的能量转换器件。在众多的超声换能器类型中，压电超声换能器因其高频特性好，结构简单易于激励，以及易于成型和加工等特性，应用最为广泛。
作为常规压电超声换能器的替代品—压电微机械超声换能器(piezoelectricmicromachinedultrasonictransducers，pmut)已经被广泛研究。与传统超声换能器相比，pmut具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、频率控制灵活、频带宽、灵敏度高以及易于与电路集成和实现智能化等特点。是压电超声换能器的重要的研究方向之一。
超声换能器不论是用作发射还是接收，声波传输本身都具有一定的方向特性和振动模式。通常来说，压电效应产生的弹性波，根据其传播方向与振动方向之间的关系，可分为纵波和横波两种。当质点的振动方向和弹性波的传播方向一致时，称为纵波；当质点的振动方向和弹性波的传播方向垂直时，则称为横波。不同应用的换能器对声波方向特性和振动模式的要求也不相同。例如，超声波液位计、风速风向仪换能器、水下测距换能器等上下测量的，通常利用纵波来测量；而在地形地貌、地形扫描、铁轨等大范围的测量时，一般会选择横波测量。如何调节和控制换能器发射声波的方向特性和振动模式，满足实际应用的多样化需求(材料结构和不连续可能存在的位置和取向将决定选择波束的方向和振动的模式)具有重要的现实意义。
对于传统的或者尺寸较大的压电超声换能器，通常在换能器与被测构件之间引入斜楔材料，通过改变斜楔角度来调节声波的方向特性和振动模式。超声波在材料中的传播角度(从被检表面的法线量起)和振动模式将根据斜楔角度、斜楔中的超声声速和被检材料中的超声声速来定。采用斜楔对基于微机械加工技术的pmut压电超声换能器，存在加工工艺复杂，加工难度和加工成本相对较大，且器件容易因为机械振动或热应力等原因造成斜楔结构变形或磨损，导致声波方向和振动模式调节能力的下降甚至失效。
另一个有效调控声波方向和振动模式的方法是基于超声波阵列的相控技术。该技术通常按照一定的规则和时序激发一组换能器晶片，通过调整激发晶片的序列、数量、时序来控制声波波束的形状、轴线偏转角度及焦点位置等。但是超声相控技术通常需要精密复杂的相控器件布局和功能强大的软件系统做支撑，制造工艺复杂，对相控阵仪器激发能力要求高且设备昂贵。
如何简易且高效地调节和控制换能器发射声波的方向特性和振动模式，成为一个亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种压电微机械超声换能器及其制备方法，以实现换能器发射声波的方向特性和振动模式的简易且高效地调节和控制。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种压电微机械超声换能器，所述换能器包括：衬底层、下电极层、压电薄膜层和上电极层；
所述下电极层设置在所述衬底层的上部、所述压电薄膜层设置在所述下电极层的上部，所述上电极层设置在所述压电薄膜层的上部；被测构件放置在所述上电极层的上部；
所述上电极层包括第一上电极和第二上电极，所述第一上电极和所述第二上电极呈环状交叉设置，形成一对叉齿电极，所述第一上电极上和所述下电极层之间施加有第一交流电信号，所述第二上电极和所述下电极层之间施加有第二交流电信号，通过调节所述第一交流电信号和所述第二交流电信号的相位差，调节压电薄膜层的振动状态，进而调节被测构件中声波的方向特征和振动模式。
可选的，所述换能器还包括机械支撑层，所述机械支撑层设置在所述衬底层和所述下电极层之间，所述机械支撑层用于限制所述压电薄膜层的横向振动。
可选的，所述上电极层的上部还设置有声耦合层，所述被测构件放置在所述声耦合层的上部。
可选的，所述衬底层为带有空腔的圆柱体。
可选的，所述叉齿电极的形状为圆形。
可选的，所述衬底层为带有空腔的长方体。
可选的，所述叉齿电极的形状为方形。
可选的，所述压电薄膜层的内部电畴的自发极化方向与所述压电薄膜层的上表面垂直。
一种压电微机械超声换能器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
选取soi片作为衬底层；
在所述soi片的上边面通过磁控溅射的方式从下往上依次生长下电极层、压电薄膜层和上电极层；
在所述上电极层上刻蚀叉齿图案，形成叉齿电极。
可选的，所述在所述上电极层上刻蚀叉齿图案，形成叉齿电极，之后还包括：
采用深反应离子刻蚀法在所述soi片刻蚀出空腔；
在上电极层上沉淀隔离层；所述隔离层为二氧化硅层或氮化硅层；
在所述隔离层上生长一层金属作为信号线。
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：
本发明公开了一种压电微机械超声换能器及其制备方法，所述换能器从下往上依次包括：衬底层、下电极层、压电薄膜层和上电极层；所述上电极层包括第一上电极和第二上电极，所述第一上电极和所述第二上电极呈环状交叉设置，形成一对叉齿电极，在使用时，被测构件放置在所述上电极层的上部，所述第一上电极上和所述下电极层之间施加有第一交流电信号，所述第二上电极和所述下电极层之间施加有第二交流电信号，通过调节所述第一交流电信号和所述第二交流电信号的相位差，即可调节压电薄膜层的振动状态，进而调节被测构件中声波的方向特征和振动模式，实现了换能器发射声波的方向特性和振动模式的简易且高效地调节和控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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为通过改变斜楔角度来调节声波的方向特性和振动模式的原理图；
图2为超声相控扫描的原理图；
图3为本发明提供的一种压电微机械超声换能器的结构图示意图；
图4为本发明提供的圆形叉齿电极的结构示意图；
图5为本发明提供的方形叉齿电极的结构示意图；
图6为本发明提供的机械支撑层限制压电薄膜层的横向振动的原理图；
图7本发明提供的一种压电微机械超声换能器的制备方法的流程图；
图8为本发明提供的第一交流电信号和第二交流电信号的相位差为0°时，声波的方向特性和振动模式示意图；
图9为本发明提供的第一交流电信号和第二交流电信号的相位差为180°时，声波的方向特性和振动模式示意图。
具体实施方式
对于通过改变斜楔角度来调节声波的方向特性和振动模式的调节方式，如图1所示，斜楔块使超声换能器晶片和被检工件表面形成一个严格的夹角，以保证晶片发射的超声波按照入射角倾斜入射到分界面，从而在分界面处产生波形转换，在工件内得到特定形式和角度的声束。根据snell定理，对于给定的材料，斜楔块的角度决定着转换声波的类型与折射角度。如图1所示，换能器所在楔块平面与分界面的夹角为α，晶片发射的超声纵波以入射角α倾斜入射到分界面上，对于小角度纵波探头，其入射角α很小，一般小于第一临界角，在分界面处发生波形转换，产生折射纵波和折射横波，纵波折射角为βl，横波折射角为βs，而且在固体介质中，纵波声速大于横波声速，所以有βl＞βs。在超声波倾斜入射的情况下，工件中的声场由折射横波声场和折射纵波声场两部分组成。以有机玻璃中探头楔块的角度举例，楔块角度0°—30°时，折射横波声场和折射纵波声场同时存在，主要以折射纵波为主。随着楔块角度进一步增加，折射纵波变弱直到消失，与此同时共存的折射横波随之增强。且纵波折射角βl和横波折射角βs均随斜楔角度α增大而增大。然而，采用斜楔对基于微机械加工技术的pmut压电超声换能器，存在加工工艺复杂，加工难度和加工成本相对较大，且器件容易因为机械振动或热应力等原因造成斜楔结构变形或磨损，导致声波方向和振动模式调节能力的下降甚至失效。且横波/纵波之间的转换需要依靠更换不同倾角的斜楔进行，限制了应用。
对于超声相控阵扫描的原理如图2所示，xoy平面内m个压电元件沿z轴等间距均匀排列成一个线阵，各压电阵元之间的间距为d，点p(ρ，θ)为监测远场区任意一点。以压电阵列的中心位置为原点建立坐标系，则第i号压电元件的坐标为(xi，0)。阵元发射信号时，远场区p点接收到的信号为各个激励信号在板中传播一定距离后信号的累加。对每个阵元激励附加相应的时间延迟，可实现各阵元产生的激励信号同时到达p点，实现相控聚焦，此时p点接收到的信号能量达到最大，即此时波束的最大值指向为θ。然而，超声相控技术通常需要精密复杂的相控器件布局和功能强大的软件系统做支撑，制造工艺复杂，对相控阵仪器激发能力要求高且设备昂贵。
本发明的目的是提供一种压电微机械超声换能器及其制备方法，以实现换能器发射声波的方向特性和振动模式简易且高效地调节和控制。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细的说明。
实施例1
本发明实施例1提供了一种压电微机械超声换能器。
如图3所示，所述换能器包括：衬底层1、下电极层3、压电薄膜层4和上电极层5；所述下电极层3设置在所述衬底层1的上部、所述压电薄膜层4设置在所述下电极层3的上部，所述上电极层5设置在所述压电薄膜层4的上部；被测构件放置在所述上电极层5的上部；所述上电极层5包括第一上电极和第二上电极，所述第一上电极和所述第二上电极呈环状交叉设置，形成一对叉齿电极，所述第一上电极上和所述下电极层3之间施加有第一交流电信号，所述第二上电极和所述下电极层3之间施加有第二交流电信号，通过调节所述第一交流电信号和所述第二交流电信号的相位差，调节压电薄膜层4的振动状态，进而调节被测构件中声波的方向特征和振动模式。
实施例2
本发明实施例2提供一种压电微机械超声换能器的优选的实施方式，但是本发明的实施不限于本发明实施例2所限定的实施方式。
如图3所示，所述换能器还包括机械支撑层2，所述机械支撑层2设置在所述衬底层1和所述下电极层3之间，如图6所示，所述机械支撑层2用于限制所述压电薄膜层的横向振动。为了更好的调节谐振频率以及保护压电薄膜层，压电薄膜层下方设置一机械支撑层，机械支撑层的存在阻碍压电薄膜层在x方向及y方向(其中，z轴垂直于压电薄膜层，x方向和y方向相互垂直，并与z轴垂直)的位移改变，反而带动压电薄膜产生弯曲形变，最终压电薄膜层的振动方向以z方向振动为主。
所述上电极层5的上部还设置有声耦合层6，所述被测构件放置在所述声耦合层6的上部；声耦合层6通常由声衰减系数比较小，声阻抗率介于压电薄膜层3和被测构件之间的材料制造，确保被测构件与压电薄膜层之间紧密贴合，且促进压电薄膜层的机械振动顺利传输到被测构件中。
所述衬底层为带有空腔的圆柱体。衬底层为整个振膜提供机械支撑。本发明的衬底层设置空腔结构，保证了d31模式的激发。d31模式：dmn是表征压电薄膜材料压电效应好坏的重要的压电应变常数，物理意义是指施加单位机械应力所产生的电极化的比率。指标记法下，压电应变常数dmn表示所有外部应力保持恒定条件下，压电材料沿m轴施加单位电场时，沿n轴所产生的应变。例如，d31表示压电薄膜在无应力场中，沿方向3施加单位电场时，方向1上产生的应变。本发明中方向3即z方向，方向1即x或者y方向。所以工作在d31模式下的压电薄膜层受电场方向与其自身的振动方向是垂直的。加了机械支撑层之后，限制压电薄膜在x方向及y方向的位移改变，反而带动压电薄膜产生弯曲形变，最终压电薄膜层的振动方向以z方向振动为主。
此时，如图4所示，所述叉齿电极的形状为圆形。所述叉齿电极的齿对数n、叉齿宽度w和间距g均根据实际测试需求可调，以改变发射声波的幅度，相位，空间分布等。
所述压电薄膜层的内部电畴的自发极化方向与所述压电薄膜层的上表面垂直。压电薄膜层是核心功能层，压电薄膜层内部电畴的自发极化方向沿z方向(与所述压电薄膜层的上表面垂直)，所谓电畴就是自发极化方向一致的小区域。当外界电场方向也是z方向，即与压电薄膜材料的极化方向相同时，若器件工作以d13模式为主，则压电薄膜层的振动方向与电场方向垂直，压电薄膜层内各质点沿x/y方向产生振动。
实施例3
本发明实施例3提供一种压电微机械超声换能器的优选的另一种实施方式，但是本发明的实施不限于本发明实施例3所限定的实施方式。
与实施例2的不同之处在于，所述衬底层为带有空腔的长方体。此时，如图5所示，所述叉齿电极的形状为方形。
实施例4
本发明实施例4提供一种压电微机械超声换能器的制备方法。
所述制备方法包括如下步骤：
选取soi片作为衬底层；在所述soi片的上边面通过磁控溅射的方式从下往上依次生长下电极层、压电薄膜层和上电极层；在所述上电极层上刻蚀叉齿图案，形成叉齿电极。采用深反应离子刻蚀法在所述soi片刻蚀出空腔；在上电极层上沉淀隔离层；所述隔离层为二氧化硅层或氮化硅层；在所述隔离层上生长一层金属作为信号线。
具体的，如图7所示，选用带有顶层硅的soi圆片，上表面通过磁控溅射生长pzt压电陶瓷(锆钛酸铅压电陶瓷，其中p是铅元素pb的缩写，z是锆元素zr的缩写，t是钛元素ti的缩写)的压电薄膜层、pzt压电陶瓷的下电极和上电极，下电极和上电极使用金属pt。随后图形化pzt压电陶瓷的上电极为叉齿图案。pzt被局部刻蚀通过湿法腐蚀后，露出下电极(接地)。随后，一层二氧化硅或氮化硅被沉积作为隔离层，该隔离层覆盖除了电极垫(electrodepad)以外的全部区域。在隔离层上方生长一层金属作为顶层电极来走信号线。因此，二氧化硅被用来隔离下方的上电极和上方的信号线。然后drie刻蚀(deepreactiveionetching，深反应离子刻蚀)soi底层硅形成空腔结构。
实施例5
本发明实施例5提供一种压电微机械超声换能器的使用方法。
压电微机械超声换能器作为超声波发射器时，将下电极3接地信号，第一上电极501和第二上电极502上施加有一定相位差
为了有效调节pmut发射到被测构件中声波的方向特性和振动模式，可以通过简单地设定不同的相位差
当
当
本发明公开了一种压电微机械超声换能器及其制备方法，所述换能器从下往上依次包括：衬底层、下电极层、压电薄膜层和上电极层；所述上电极层包括第一上电极和第二上电极，所述第一上电极和所述第二上电极呈环状交叉设置，形成一对叉齿电极，在使用时，被测构件放置在所述上电极层的上部，所述第一上电极上和所述下电极层之间施加有第一交流电信号，所述第二上电极和所述下电极层之间施加有第二交流电信号，通过调节所述第一交流电信号和所述第二交流电信号的相位差，即可调节压电薄膜层的振动状态，进而调节被测构件中声波的方向特征和振动模式，实现了换能器发射声波的方向特性和振动模式简易且高效地调节和控制。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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做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。