【技术实现步骤摘要】
技术介绍
1、超声换能器作为一种可将电能与机械声能相互转换的超声波器件，在超声波的产生与检测领域都起到了关键性作用。得益于mems技术的发展，超声换能器得以实现微型化，其中pmut只需要几伏特的激励电压，这使得pmut具有更高的应用安全性与生物相容性。
2、压电超声换能器包含的主要性能参数包括谐振频率、机电耦合系数、频带宽度、工作效率以及发射与接收灵敏度等。根据换能器不同的应用场景，需要着重考虑的性能参数也存在不同。
3、长久以来，探索pmut灵敏度等参数的研究较为成熟，但相比之下，关于如何有效拓宽pmut单元及阵列工作频带的研究却相对较少。较窄的工作频带，极大地限制了pmut单元及阵列的分辨率，使得pmut在诸多领域的应用受到擎制。目前国内外学者对于pmut频带宽度的研究取得了一系列的成果，如复旦大学(cn202110235018.x)，基于传统pmut器件，在pmut单元背部开设盲孔式空腔，并在空腔内填充背衬材料，成功将pmut单元及其阵列带宽提高一倍以上。但该pmut单元及阵列造价昂贵，不利于转化到工程应用之中，应用场景极大受限。武汉大学研制出一款阵列式宽频超声换能器(cn202011621958.4)，但该超声换能器阵列器件指向性的统一度差，应用领域受到约束。
4、现有技术背景下，宽频pmut阵列及单元的设计存在缺陷，包括：
5、(1)多频激励源或多驱动的方式无法实现实际有效宽频，且器件设计过程繁琐。
6、(2)低稳定性与低容错率。工作频带范围内存在一或多个逼
7、(3)所用材料昂贵、新工艺开发周期长。本专利技术使用氧化片基底与成熟的压电薄膜制备工艺。
技术实现思路
1、基于以上问题，本专利技术的提出了一种新型宽频pmut单元及阵列。
2、本专利技术可以通过以下技术方案来实现：
3、一种新型宽频pmut单元及阵列。结构从下至上依次包括基底层，驱动层，多梯度振动层；所述基底层包括支撑体、背部空腔、背部负载与二氧化硅绝缘层；驱动层包括底电极、顶电极与粘附层，粘附层用于固定底电极与顶电极；多梯度振动层包括多梯度压电薄膜。
4、pmut单元的形状为柱体、环形体、正方体、长方体中的一种。
5、背部负载位于背部空腔的内部，且背部负载的分布形式包括对称分布与非对称分布；背部负载(1-3)的形状为柱体、椎体、环形体、正方体、长方体中的一种。
6、多梯度振动层包括多梯度压电薄膜，压电薄膜的材料包括压电陶瓷、压电晶体、复合压电材料、pvdf、aln、zno。
7、多梯度压电薄膜的梯度由厚度变化引导，且多梯度压电薄膜的厚度为0.1-10μm。
8、多梯度压电薄膜的形状包括呈多级阶梯状的非等厚振动层，呈同心环状的等厚或非等厚振动层。
9、协同控制多梯度振动层(3)与背部负载(1-3)实现频带耦合，进一步实现人为可控的谐振频率与频带范围。
10、进一步地，二氧化硅绝缘层经热氧化工艺形成；
11、进一步地，单个pmut单元内，顶电极面积对pmut单元的覆盖率大于50％。
12、进一步地，单个pmut单元内，多梯度振动层面积对pmut单元的覆盖率大于50％。
13、进一步地，多梯度振动层选用多级阶梯状的非等厚振动层，即选择由厚度变化引导的梯度。
14、进一步地，选择二级阶梯状非等厚振动层，制备方法包括以下步骤，：
15、s1、在所述底电极上生长出一层压电薄膜。
16、s2、在s1中所述压电薄膜上旋涂光刻胶，利用掩膜版进行第一次光刻，之后对所述第一次光刻后的压电薄膜进行干法刻蚀，去胶，完成第一阶振动层的制备。
17、s3、在s2中所述压电薄膜(第一阶振动层)上旋涂光刻胶，利用掩膜版进行第二次光刻，之后对所述第二次光刻后的压电薄膜进行干法刻蚀，去胶后完成二级阶梯状振动层的制备。
18、更多级阶梯状振动层的制备重复以上操作步骤。
19、与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益的技术效果：
20、(1)本专利技术的振动层采用多梯度振动层，存在梯度的振动层在相同的激励条件下由于不同的质量、刚度分布从而实现多频响应，在相同制作面积上，间接提高pmut阵列的集成度，有效克服传统pmut单元由于谐振频率单一、振动层尺寸与谐振频率之间的非线性关系等问题导致pmut单元工作频带较窄的限制，是一种新颖的多频、宽频pmut单元的结构设计与思路，为后续宽频pmut单元的设计提供一个崭新的研究方向。
21、(2)本专利技术协同采用多梯度振动层与背部负载的组合结构，背部负载结构一方面增加了pmut单元的震荡阻尼，使得pmut单元输出的声学信号更加平整，同时多梯度振动层响应出的多频频带在背部负载共同作用下耦合为完整的宽频频带。
22、(3)本专利技术将传统pmut单元的振动层优化为多梯度振动层，通过控制所述多梯度振动层的梯度、形状、材料可以实现人为可控的谐振频率与频带范围。
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1.一种新型宽频pMUT单元及阵列，其特征在于，pMUT单元结构从下至上依次包括基底层(1)，驱动层(2)，多梯度振动层(3)；所述基底层(1)包括支撑体(1-1)、背部空腔(1-2)、背部负载(1-3)与二氧化硅绝缘层(1-4)；所述驱动层(2)包括底电极(2-1)、顶电极(2-2)与粘附层(2-3)，所述粘附层(2-3)用于固定所述底电极(2-1)与顶电极(2-2)；所述多梯度振动层(3)包括多梯度压电薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种新型宽频pMUT单元及阵列，其特征在于，所述pMUT单元的形状包括但不限于柱体、环形体、正方体、长方体。
3.根据权利要求1所述的一种新型宽频pMUT单元及阵列，其特征在于，所述背部负载(1-3)位于所述背部空腔(1-2)的内部，且所述背部负载(1-3)的分布形式包括对称分布与非对称分布。
4.根据权利要求3所述的一种新型宽频pMUT单元及阵列，其特征在于，所述背部负载(1-3)的形状为柱体、椎体、环形体、正方体、长方体中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种新型宽频pMUT单元及阵列，其特征在
6.根据权利要求5所述的一种新型宽频pMUT单元及阵列，其特征在于，所述多梯度压电薄膜的梯度由厚度变化引导，且所述多梯度压电薄膜的厚度为0.1-10μm。
7.根据权利要求5所述的一种新型宽频pMUT单元及阵列，其特征在于，所述多梯度压电薄膜的形状包括呈多级阶梯状的非等厚振动层，呈同心环状的等厚或非等厚振动层。
8.根据权利要求6所述的一种新型宽频pMUT单元及阵列，其特征在于，协同控制所述多梯度振动层(3)与所述背部负载(1-3)实现频带耦合，进一步实现人为可控的谐振频率与频带范围。
...【技术特征摘要】
1.一种新型宽频pmut单元及阵列，其特征在于，pmut单元结构从下至上依次包括基底层(1)，驱动层(2)，多梯度振动层(3)；所述基底层(1)包括支撑体(1-1)、背部空腔(1-2)、背部负载(1-3)与二氧化硅绝缘层(1-4)；所述驱动层(2)包括底电极(2-1)、顶电极(2-2)与粘附层(2-3)，所述粘附层(2-3)用于固定所述底电极(2-1)与顶电极(2-2)；所述多梯度振动层(3)包括多梯度压电薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种新型宽频pmut单元及阵列，其特征在于，所述pmut单元的形状包括但不限于柱体、环形体、正方体、长方体。
3.根据权利要求1所述的一种新型宽频pmut单元及阵列，其特征在于，所述背部负载(1-3)位于所述背部空腔(1-2)的内部，且所述背部负载(1-3)的分布形式包括对称分布与非对称分布。
4.根据权利要求3所述的一种新型宽...
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