阅读说明：本技术 一种压电微机械声波换能器阵列耦合隔离方法 (Piezoelectric micro-mechanical acoustic wave transducer array coupling isolation method ) 是由 刘利芳 杜亦佳 计炜梁 孙翔宇 邢占强 于 2020-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种压电微机械声波换能器阵列耦合隔离方法。所述压电微机械声波换能器阵列耦合隔离方法包括：在加工压电微机械声波换能器阵列时,在底硅上刻蚀多个隔离槽,从而将底硅划分为多个换能区域；在各换能区域内刻蚀至少一个空腔。本发明采用在底硅上刻蚀出隔离槽的方法来阻断声波的传播,从而达到隔离换能器间耦合的目的,能够提高换能器阵列的性能。(The invention discloses a piezoelectric micro-mechanical acoustic wave transducer array coupling isolation method. The piezoelectric micro-mechanical acoustic wave transducer array coupling isolation method comprises the following steps: when the piezoelectric micro-mechanical acoustic wave transducer array is processed, a plurality of isolation grooves are etched on the bottom silicon, so that the bottom silicon is divided into a plurality of transduction areas; at least one cavity is etched in each transduction region. The invention adopts the method of etching the isolation groove on the bottom silicon to block the transmission of the sound wave, thereby achieving the purpose of isolating the coupling between the transducers and improving the performance of the transducer array.)

一种压电微机械声波换能器阵列耦合隔离方法

技术领域

本发明涉及换能器领域，特别是涉及一种压电微机械声波换能器阵列耦合隔离方法。

背景技术

压电微机械声波换能器是一种可利用压电材料的逆压电效应将电能转换为声能，或利用压电效应将声能转换为电能的换能器，分别对应其发射和接收状态，可用于扬声器、麦克风或超声传感器。在实际应用中，常使用换能器阵列，传统压电微机械声波换能器阵列存在耦合现象，改善阵列中阵元的耦合可以提高阵列的性能。

目前常见的压电微机械声波换能器结构如图1所示，从上至下主要由顶电极、压电薄膜、底电极、顶硅、二氧化硅及底硅组成，通过在底硅刻蚀形成空腔，在换能器的顶电极和底电极施加脉冲激励后，压电材料由于逆压电效应产生形变，从而形成周期性振荡，发出声波。

在常见的压电微机械声波换能器阵列工艺中，通常直接在底硅上刻蚀多个背腔从而形成换能器阵列，如图2所示。

在对阵列中某一换能器单元或某些换能器单元进行激励后，该(部分)换能器单元产生周期振荡发出声波。但由于声波传播方向是朝着各个方向的，通过顶硅及底硅横向传播的声波会引起其他换能器振荡并发出声波，即阵元间互相耦合。图3为激励左侧列，右侧两列产生的耦合振动。进一步的，其他换能器振荡产生的声波会反过来干扰初始激励阵元产生的声波，导致阵列性能变差。

因此，亟待一种压电微机械声波换能器阵列耦合隔离方法出现。

发明内容

基于此，有必要提供一种压电微机械声波换能器阵列耦合隔离方法，采用在底硅上刻蚀出隔离槽的方法来阻断声波的传播，从而达到隔离换能器间耦合的目的，提高换能器阵列的性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种压电微机械声波换能器阵列耦合隔离方法，包括：

在加工压电微机械声波换能器阵列时，在底硅上刻蚀多个隔离槽，从而将所述底硅划分为多个换能区域；

在各所述换能区域内刻蚀至少一个空腔。

可选的，在所述底硅上由下到上依次设置二氧化硅层、顶硅层和多个压电结构；所述压电结构的位置与所述空腔的位置相对应；所述压电结构的尺寸与所述空腔的尺寸相匹配。

可选的，所述压电结构由下到上依次为底电极、压电薄膜和顶电极，当在所述底电极和所述顶电极施加脉冲激励后，所述压电薄膜产生形变，从而形成周期性振荡，发出声波。

可选的，所述空腔的尺寸由设定的谐振频率确定。

可选的，所述底硅上的多个所述换能区域呈阵列式排列。

可选的，所述换能区域内刻蚀的多个所述空腔呈阵列式排列，且多个所述空腔的尺寸均相同。

可选的，所述换能区域内刻蚀第一空腔列和第二空腔列；所述第一空腔列包括多个第一尺寸的空腔；所述第二空腔列包括多个第二尺寸的空腔。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种压电微机械声波换能器阵列耦合隔离方法，在加工压电微机械声波换能器阵列时，在底硅上刻蚀多个隔离槽，从而将底硅划分为多个换能区域；在各换能区域内刻蚀至少一个空腔。本发明在底硅上刻蚀出隔离槽，由于隔离槽中间为空气，可以阻断激励换能器产生的声波向四周其他换能器单元传播，减少激励声波对其他换能器的影响，从而解决阵元间耦合严重的问题，提高换能器阵列的性能。

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为常见的压电微机械声波换能器的结构图；

图2为常见的压电微机械声波换能器阵列的底硅刻蚀示意图；

图3为常见的压电微机械声波换能器阵列，激励左侧列时，右侧两列产生的耦合振动示意图；

图4为普通面阵的底硅的隔离槽刻蚀示意图；

图5为换能器组阵列的底硅的隔离槽刻蚀示意图；

图6为多频率线阵的底硅的隔离槽刻蚀示意图；

图7为采用本发明的压电微机械声波换能器阵列耦合隔离方法对线阵进行刻槽优化后，激励中间列时两侧列的振动情况示意图。

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，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种压电微机械声波换能器阵列耦合隔离方法，以解决压电微机械声波换能器阵列在激励时，不同换能器单元间耦合严重的问题。

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本发明作进一步详细的说明。

针对压电微机械声波换能器阵列的耦合问题，对底硅层的刻蚀进行了优化，通过增加隔离槽的方法，以阻断激励换能器产生声波向四周的传播。隔离槽的刻蚀可以在顶硅和底硅上，其中由于声波大部分通过底硅传播，因而底硅中的隔离槽效果更加明显。

本实施例提供的压电微机械声波换能器阵列耦合隔离方法，包括：

在加工压电微机械声波换能器阵列时，在底硅上刻蚀多个隔离槽，从而将所述底硅划分为多个换能区域；在各所述换能区域内刻蚀至少一个空腔。

作为一种可选的实施方式，在所述底硅上由下到上依次设置二氧化硅层、顶硅层和多个压电结构；所述压电结构的位置与所述空腔的位置相对应；所述压电结构的尺寸与所述空腔的尺寸相匹配。

作为一种可选的实施方式，所述压电结构由下到上依次为底电极、压电薄膜和顶电极，当在所述底电极和所述顶电极施加脉冲激励后，所述压电薄膜产生形变，从而形成周期性振荡，发出声波。

作为一种可选的实施方式，所述空腔的尺寸由设定的谐振频率确定。

作为一种可选的实施方式，所述底硅上的多个所述换能区域呈阵列式排列。

作为一种可选的实施方式，所述换能区域内刻蚀的多个所述空腔呈阵列式排列，且多个所述空腔的尺寸均相同。图4和图5为两种不同类型压电微机械声波换能器阵列的底硅的隔离槽刻蚀示意图，其中图4为普通面阵的底硅的隔离槽刻蚀示意图，图5为换能器组阵列的底硅的隔离槽刻蚀示意图。图4中四个隔离槽1围成一个换能区域，多个换能区域呈阵列式排列，换能区域内刻蚀有一个空腔2。图5中四个隔离槽1围成一个换能区域，多个换能区域呈阵列式排列，每个换能区域内均刻蚀有多个阵列式排布的空腔，换能区域内的多个空腔构成了空腔阵列3。

作为一种可选的实施方式，所述换能区域内刻蚀第一空腔列和第二空腔列；所述第一空腔列包括多个第一尺寸的空腔；所述第二空腔列包括多个第二尺寸的空腔。图6为多频率线阵的底硅的隔离槽刻蚀示意图，图中包括两种类型的换能器，左侧为多个第一尺寸的空腔4构成的第一空腔列，右侧为多个第二尺寸的空腔5构成的第二空腔列。

图7为采用本发明的压电微机械声波换能器阵列耦合隔离方法对线阵进行刻槽优化后，激励中间列时两侧列的振动情况示意图。相比图3，可以看出在开槽之后耦合列的振幅有了明显减小。

本发明对压电微机械声波换能器阵列的硅层刻蚀进行优化，通过在硅层，特别是底硅中刻蚀出隔离槽的方法，解决了阵元间耦合的问题，优化了换能器阵列性能。其中，阵列可以是多种的，隔离槽也可以是多种的，本发明不对阵列和隔离槽的种类进行限制，只要在压电微机械声波换能器阵列的底硅层中刻蚀了隔离槽即可。

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本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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。