基于直流偏置的接收压电微机械超声换能器系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于直流偏置的接收压电微机械超声换能器系统及方法，通过设置直流信号源，且使得直流信号源的相对两端分别连接于接收压电微机械超声换能器的顶电极引出端及底电极引出端，从而可通过直流信号源提供直流偏置信号，使接收压电微机械超声换能器产生初始应力形变，改变压电微机械超声换能器的性能参数，使接收压电微机械超声换能器在不同偏置电压下的带宽相互重叠，实现单一阵列覆盖较大的带宽。本发明专利技术可在不改变接收压电微机械超声换能器基本结构的条件下，实现对接收压电微机械超声换能器的性能参数的调节，且可增加接收压电微机械超声换能器的带宽，降低了接收压电微机械超声换能器系统的复杂度及成本。微机械超声换能器系统的复杂度及成本。微机械超声换能器系统的复杂度及成本。

【技术实现步骤摘要】
基于直流偏置的接收压电微机械超声换能器系统及方法


[0001]本专利技术涉及换能器领域，特别是涉及一种基于直流偏置的接收压电微机械超声换能器系统及方法。

技术介绍

[0002]超声换能器是既可以用来发射又可以用来接收超声波的换能元件。当工作在发射模式时，电能转换为换能器的振动从而向外辐射声波；工作在接收模式时，声压作用在换能器表面使其振动，换能器再将振动转换为电信号。
[0003]目前应用最广的超声波传感器主要基于体压电换能器，体压电换能器主要利用压电陶瓷的厚度振动模式产生超声波，由于厚度模式的谐振频率只与换能器的厚度相关，在同一平面上很难制作不同谐振频率的超声换能器。当其应用于较高频率时，厚度需要控制在亚微米级精度，其加工难度较高。而基于微机电系统(Micro
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Electro
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Mechanical
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System，MEMS)制作的微机械超声换能器(Micromachined
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Ultrasonic
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Transducer，MUT)工作在弯曲模式，具有刚度较低的振动薄膜。并且其谐振频率通过平面内尺寸控制，对加工精度要求较小。随着MEMS超声换能器技术的逐渐成熟，由于其兼具高性能、低成本、容易实现大规模生产的优点，微机械超声换能器将逐步取代传统的体压电换能器。
[0004]微机械超声换能器主要分两种：电容式微机械超声换能器(Capacitance MUT，CMUT)和压电式微机械超声换能器(Piezoelectric MUT，PMUT)。CMUT利用上下极板间形成的电容，通过金属电极间的直流偏置电压使振动薄膜向下弯曲，再通过施加一定频率的交流电压，驱动薄膜上下振动，推动介质辐射超声波。反之，振动薄膜在直流偏置电压的作用下保持静态弯曲平衡，当超声波推动薄膜振动时，电极间距的改变引起电容值的得改变，从而产生与声波相关的电信号。根据CMUT的工作原理，为了维持较高的输出压力和灵敏度，其需要数百伏的偏置电压和亚微米的极板间间隙。其中，较小的间隙导致了复杂的制造流程，以及极板间的粘连问题；数百伏的偏置电压进一步增加了系统的复杂性，也带来了安全隐患。PMUT基于压电薄膜的压电效应/逆压电效应实现电能和声能的相互转换，相较于CMUT，PMUT结构简单，容易制造，并且不需要数百伏的偏置电压。但是，PMUT由于其较低的机电耦合系数，存在带宽低，品质因数(Quality factor，Q)高的问题，限制了其在实际生活中的应用。
[0005]因此，提供一种基于直流偏置的接收压电微机械超声换能器系统及方法，实属必要。

技术实现思路

[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于直流偏置的接收压电微机械超声换能器系统及方法，用于解决现有技术中难以调节接收PMUT性能参数的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于直流偏置的接收压电微机
械超声换能器系统，所述接收压电微机械超声换能器系统包括：
[0008]接收压电微机械超声换能器；
[0009]直流信号源，所述直流信号源的相对两端分别连接于所述接收压电微机械超声换能器的顶电极引出端及底电极引出端，所述直流信号源提供直流偏置信号，使所述接收压电微机械超声换能器产生初始应力形变，调节所述接收压电微机械超声换能器的性能参数，且所述接收压电微机械超声换能器在不同的所述直流偏置信号下的带宽相互重叠，增加所述接收压电微机械超声换能器的带宽；
[0010]超声信号处理电路，所述超声信号处理电路的相对两端分别连接于所述接收压电微机械超声换能器的顶电极引出端及底电极引出端，且所述超声信号处理电路设置有防止所述直流偏置信号直通的元器件，以通过所述超声信号处理电路分析和处理所述接收压电微机械超声换能器接收到的超声信号。
[0011]可选地，所述接收压电微机械超声换能器为由N≥2个接收压电微机械超声换能器阵元所构成的接收压电微机械超声换能器阵列。
[0012]可选地，所述接收压电微机械超声换能器阵元的压电层包括AlN压电层、ZnO压电层、PZT压电层及压电陶瓷层中的一种或组合。
[0013]可选地，所述接收压电微机械超声换能器具有2个以上的所述顶电极引出端及2个以上的底电极引出端。
[0014]本专利技术还提供一种基于直流偏置的接收压电微机械超声换能器系统的调节方法，包括以下步骤：
[0015]提供基于直流偏置的接收压电微机械超声换能器系统，所述基于直流偏置的接收压电微机械超声换能器系统包括接收压电微机械超声换能器、直流信号源及超声信号处理电路，所述直流信号源的相对两端分别连接于所述接收压电微机械超声换能器的顶电极引出端及底电极引出端；所述超声信号处理电路的相对两端分别连接于所述接收压电微机械超声换能器的顶电极引出端及底电极引出端，且所述超声信号处理电路设置有防止所述直流偏置信号直通的元器件；
[0016]通过所述直流信号源向所述接收压电微机械超声换能器提供直流偏置信号，使所述接收压电微机械超声换能器产生初始应力形变，调节所述接收压电微机械超声换能器的性能参数，且所述接收压电微机械超声换能器在不同的所述直流偏置信号下的带宽相互重叠，扩大所述接收压电微机械超声换能器接收的超声波频率的范围，增加所述接收压电微机械超声换能器的带宽；并通过所述超声信号处理电路分析和处理所述接收压电微机械超声换能器接收到的超声信号。
[0017]可选地，调整所述直流信号源所输出的直流偏置电压的大小以及所述直流信号源的相对两端的极性中的一种或组合，实现对所述接收压电微机械超声换能器的性能参数的调整。
[0018]可选地，所述接收压电微机械超声换能器为由N≥2个接收压电微机械超声换能器阵元所构成的接收压电微机械超声换能器阵列；所述接收压电微机械超声换能器阵元的压电层包括AlN压电层、ZnO压电层、PZT压电层及压电陶瓷层中的一种或组合。
[0019]可选地，所述接收压电微机械超声换能器具有2个以上的所述顶电极引出端及2个以上的底电极引出端。
[0020]如上所述，本专利技术的基于直流偏置的接收压电微机械超声换能器系统及方法，通过设置直流信号源，且使得直流信号源的相对两端分别连接于接收压电微机械超声换能器的顶电极引出端及底电极引出端，从而可通过直流信号源提供直流偏置信号，使接收压电微机械超声换能器产生初始应力形变，改变压电微机械超声换能器的性能参数，使接收压电微机械超声换能器在不同偏置电压下的带宽相互重叠，实现单一阵列覆盖较大的带宽。本专利技术可在不改变接收压电微机械超声换能器基本结构的条件下，实现对接收压电微机械超声换能器的性能参数的调节，且可增加接收压电微机械超声换能器的带宽，降低了接收压电微机械超声换能器系统的复杂度及成本。
附图说明
[0021]图1显示为实施例中基于直流偏置的接收压电微机械超声换能器系统的结构示意图。
[0022]图2显示为实施例中接收压电微机械超声换本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于直流偏置的接收压电微机械超声换能器系统，其特征在于，所述接收压电微机械超声换能器系统包括：接收压电微机械超声换能器；直流信号源，所述直流信号源的相对两端分别连接于所述接收压电微机械超声换能器的顶电极引出端及底电极引出端，所述直流信号源提供直流偏置信号，使所述接收压电微机械超声换能器产生初始应力形变，调节所述接收压电微机械超声换能器的性能参数，且所述接收压电微机械超声换能器在不同的所述直流偏置信号下的带宽相互重叠，增加所述接收压电微机械超声换能器的带宽；超声信号处理电路，所述超声信号处理电路的相对两端分别连接于所述接收压电微机械超声换能器的顶电极引出端及底电极引出端，且所述超声信号处理电路设置有防止所述直流偏置信号直通的元器件，以通过所述超声信号处理电路分析和处理所述接收压电微机械超声换能器接收到的超声信号。2.根据权利要求1所述的接收压电微机械超声换能器系统，其特征在于：所述接收压电微机械超声换能器为由N≥2个接收压电微机械超声换能器阵元所构成的接收压电微机械超声换能器阵列。3.根据权利要求2所述的接收压电微机械超声换能器系统，其特征在于：所述接收压电微机械超声换能器阵元的压电层包括AlN压电层、ZnO压电层、PZT压电层及压电陶瓷层中的一种或组合。4.根据权利要求1所述的接收压电微机械超声换能器系统，其特征在于：所述接收压电微机械超声换能器具有2个以上的所述顶电极引出端及2个以上的底电极引出端。5.一种基于直流偏置的接收压电微机械超声换能器系统的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：提供基于直流偏置的接收压电微机械超声换能器系统，所述基于直流偏置的接收压电微机械超声换能器系统包括接...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄亮，吴志鹏，
申请(专利权)人：上海新微技术研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：