本發(fā)明屬于電容式微機(jī)電超聲換能器，具體涉及一種磁性薄膜mems超聲換能器。

背景技術(shù)：

1、微機(jī)電超聲換能器（micro-electromechanical?systems?ultrasonictransducer），一般簡(jiǎn)稱為mut，是指通過(guò)微電子系統(tǒng)和微機(jī)械加工方式制成的一種新型超聲換能器，具有體積小、重量輕、成本低、低功耗、易于陣列化和集成化等傳統(tǒng)超聲換能器所不能比擬的優(yōu)勢(shì)，mut根據(jù)工作原理又可以分為壓電式（pmut）和電容式（cmut）兩種，其中cmut因其較高的工作頻率、較大的工作帶寬以及與人體組織阻抗匹配性好等特點(diǎn)，使其在超聲醫(yī)學(xué)成像、生物特征識(shí)別、無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域備受關(guān)注，也是近年來(lái)超聲換能器領(lǐng)域的重要研究方向之一。

2、cmut利用電容的變化來(lái)發(fā)射和接收超聲波，它的結(jié)構(gòu)通常包括一個(gè)可振動(dòng)的薄膜，下方有一個(gè)固定的基板，兩者之間形成電容。cmut在工作時(shí)，需要施加直流偏置電壓，直流偏置電壓使薄膜處于預(yù)位移狀態(tài)，確保交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)振動(dòng)處于線性區(qū)域，這減少了非線性失真（如諧波），尤其在高頻下對(duì)信號(hào)保真度至關(guān)重要。較大的偏置電壓擴(kuò)展了動(dòng)態(tài)范圍，允許更大的交流電壓擺幅，從而增強(qiáng)輸出聲壓。然而，在較大的直流偏置電壓下，cmut也存在以下問(wèn)題：功耗增加，直流偏置電壓越高，cmut的功耗就越大，這會(huì)導(dǎo)致設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)發(fā)熱量增加，進(jìn)而影響設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。噪聲水平提高，隨著直流偏置電壓的增加，cmut的噪聲水平也會(huì)提高，這會(huì)導(dǎo)致信噪比（snr）降低，從而影響超聲波成像的質(zhì)量。器件故障概率增加，較大的直流偏置電壓可能增加cmut的器件故障概率，例如，薄膜可能因過(guò)大的應(yīng)力而破裂或變形，導(dǎo)致設(shè)備失效。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種磁性薄膜mems超聲換能器，本發(fā)明磁性薄膜mems超聲換能器是一種電容式超聲換能器，其具有較高靈敏度，同時(shí)相比于現(xiàn)有技術(shù)，所需的直流偏置電壓相對(duì)較小。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種磁性薄膜mems超聲換能器，包括第一磁性絕緣薄膜，第一磁性絕緣薄膜的上表面設(shè)有支柱層，支柱層的上表面設(shè)有作為振動(dòng)薄膜的第二磁性絕緣薄膜，第一磁性絕緣薄膜、支柱層和第二磁性絕緣薄膜之間形成真空空腔，第二磁性絕緣薄膜的上表面在真空空腔的上方設(shè)有上電極，第一磁性絕緣薄膜的下表面設(shè)有作為下電極的硅基底，第一磁性絕緣薄膜和第二磁性絕緣薄膜通過(guò)磁性相互吸引。

4、優(yōu)選的，第一磁性絕緣薄膜包括下電極絕緣層和底部永磁薄膜，下電極絕緣層設(shè)置于底部永磁薄膜的上表面，硅基底設(shè)置于底部永磁薄膜的下表面，支柱層設(shè)置于下電極絕緣層的上表面。

5、優(yōu)選的，底部永磁薄膜的材料采用鐵磁性材料。

6、優(yōu)選的，底部永磁薄膜的材料采用亞鐵磁性材料。

7、優(yōu)選的，第二磁性絕緣薄膜包括上電極絕緣層和頂部永磁薄膜，上電極絕緣層設(shè)置于頂部永磁薄膜的上表面，上電極設(shè)置于上電極絕緣層上表面，頂部永磁薄膜設(shè)置于支柱層上表面。

8、優(yōu)選的，頂部永磁薄膜的材料采用鐵磁性材料。

9、優(yōu)選的，頂部永磁薄膜的材料采用亞鐵磁性材料。

10、優(yōu)選的，當(dāng)上電極的材料為永磁性材料時(shí)，將第二磁性絕緣薄膜替換為非磁性的絕緣薄膜，且上電極和第一磁性絕緣薄膜通過(guò)磁性相互吸引。

11、優(yōu)選的，所述非磁性的絕緣薄膜采用上電極絕緣層。

12、優(yōu)選的，硅基底采用低阻硅。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

14、針對(duì)工作在高頻下的cmut需要較大的直流偏置電壓這一問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種簡(jiǎn)單有效的解決方法，即通過(guò)將cmut常規(guī)設(shè)計(jì)中由硅等非磁性材料制成的振動(dòng)薄膜替換成具有磁性第二磁性絕緣薄膜，該第二磁性絕緣薄膜為永磁薄膜，并在作為下電極的硅基底上設(shè)置了第一磁性絕緣薄膜，第一磁性絕緣薄膜也為永磁薄膜，本發(fā)明可以利用第一磁性絕緣薄膜和第二磁性絕緣薄膜之間的磁吸力，便可以實(shí)現(xiàn)振膜向下彎曲，這與施加直流偏置電壓相同后得到的效果相同，從而有效的降低所需的直流偏置電壓。

技術(shù)特征：

1.一種磁性薄膜mems超聲換能器，其特征在于，包括第一磁性絕緣薄膜，第一磁性絕緣薄膜的上表面設(shè)有支柱層（4），支柱層（4）的上表面設(shè)有作為振動(dòng)薄膜的第二磁性絕緣薄膜，第一磁性絕緣薄膜、支柱層（4）和第二磁性絕緣薄膜之間形成有真空空腔（8），第二磁性絕緣薄膜的上表面在真空空腔（8）的上方設(shè)有上電極（1），第一磁性絕緣薄膜的下表面設(shè)有作為下電極的硅基底（7），第一磁性絕緣薄膜和第二磁性絕緣薄膜通過(guò)磁性相互吸引。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁性薄膜mems超聲換能器，其特征在于，第一磁性絕緣薄膜包括下電極絕緣層（5）和底部永磁薄膜（6），下電極絕緣層（5）設(shè)置于底部永磁薄膜（6）的上表面，硅基底（7）設(shè)置于底部永磁薄膜（6）的下表面，支柱層（4）設(shè)置于下電極絕緣層（5）的上表面。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種磁性薄膜mems超聲換能器，其特征在于，底部永磁薄膜（6）的材料采用鐵磁性材料。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種磁性薄膜mems超聲換能器，其特征在于，底部永磁薄膜（6）的材料采用亞鐵磁性材料。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁性薄膜mems超聲換能器，其特征在于，第二磁性絕緣薄膜包括上電極絕緣層（2）和頂部永磁薄膜（3），上電極絕緣層（2）設(shè)置于頂部永磁薄膜（3）的上表面，上電極（1）設(shè)置于上電極絕緣層（2）上表面，頂部永磁薄膜（3）設(shè)置于支柱層（4）上表面。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種磁性薄膜mems超聲換能器，其特征在于，頂部永磁薄膜（3）的材料采用鐵磁性材料。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種磁性薄膜mems超聲換能器，其特征在于，頂部永磁薄膜（3）的材料采用亞鐵磁性材料。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁性薄膜mems超聲換能器，其特征在于，當(dāng)上電極（1）的材料為永磁性材料時(shí)，將第二磁性絕緣薄膜替換為非磁性的絕緣薄膜，且上電極（1）和第一磁性絕緣薄膜通過(guò)磁性相互吸引。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種磁性薄膜mems超聲換能器，其特征在于，所述非磁性的絕緣薄膜采用上電極絕緣層（2）。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁性薄膜mems超聲換能器，其特征在于，硅基底（7）采用低阻硅。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于電容式微機(jī)電超聲換能器技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種磁性薄膜MEMS超聲換能器，包括第一磁性絕緣薄膜，第一磁性絕緣薄膜的上表面設(shè)有支柱層，支柱層的上表面設(shè)有作為振動(dòng)薄膜的第二磁性絕緣薄膜，第一磁性絕緣薄膜、支柱層和第二磁性絕緣薄膜之間形成有真空空腔，第二磁性絕緣薄膜的上表面在真空空腔的上方設(shè)有上電極，第一磁性絕緣薄膜的下表面設(shè)有作為下電極的硅基底，第一磁性絕緣薄膜和第二磁性絕緣薄膜通過(guò)磁性相互吸引。本發(fā)明利用第一磁性絕緣薄膜和第二磁性絕緣薄膜之間的磁吸力，便可以實(shí)現(xiàn)振膜向下彎曲，這與施加直流偏置電壓相同后得到的效果相同，從而有效的降低所需的直流偏置電壓。

技術(shù)研發(fā)人員：趙一鶴,趙子龍,趙立波,李支康,李梓璇,張世旺,李嘉柱,楊萍,王永錄,盧德江
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15