Многочастотная матрица ультразвуковых преобразователей

Предлагаемая полезная модель относится к области микросистемной техники, а конкретно к ультразвуковым датчикам.
Известен аналог заявляемого объекта двухчастотная матрица пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей [Lifang Liu, Weiliang Ji, Zhanqiang Xing, Xiangyu Sun, Yu Chen, Yijia Du, Feng Qin. A dual-frequency piezoelectric micromachined ultrasound transducer array with low inter-element coupling effects // Journal of Micromechanics and Microengineering, 2021, 31, 045005], содержащая матрицу многослойных жёсткозакрепленных мембран круглой формы с разными диаметрами, состоящую из полупроводниковой подложки (кремний на изоляторе), металлических электродов (платина) и пьезоэлектрического слоя между ними (цирконат-титанат свинца).
Данная матрица преобразователей позволяет датчику работать на двух частотах.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: полупроводниковая подложка, металлические электроды и пьезоэлектрический слой.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: использование круглых мембран разного диаметра, что приводит к усложнению схемы обработки сигналов в связи с тем, что у мембран с разными диаметрами разные значения ёмкости электрических преобразователей, а также приводит к усложнению процесса проектирования фотошаблонов для изготовления матрицы мембран.
Известен аналог заявляемого объекта матрица пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей с несколькими рабочими частотами [US 20200156109 A1], содержащая матрицу многослойных жёсткозакреплённых изогнутых мембран круглой формы с разными диаметрами, состоящую из полупроводниковой подложки, металлических электродов и пьезоэлектрического слоя между ними.
Данная матрица преобразователей позволяет работать датчику как на низких, так и на высоких частотах.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: полупроводниковая подложка, металлические электроды и пьезоэлектрический слой.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: использование в качестве конструкции мембран форму купола, что приводит к усложнению технологии изготовления матрицы преобразователей, использование мембран разного диаметра, что может приводить к усложнению схемы обработки сигналов в связи с тем, что у мембран с разными диаметрами разные значения ёмкости электрических преобразователей, а также может приводить к усложнению процесса проектирования фотошаблонов для изготовления матрицы мембран.
Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является матрица пьезоэлектрических микроэлектромеханических акустических и ультразвуковых преобразователей [US 20200358420 A1], содержащая матрицу многослойных мембран круглой формы на подвесах, состоящих из полупроводниковой подложки (кремний на изолятор), металлических электродов (алюминий) и пьезоэлектрического слоя (нитрид алюминия).
Данная матрица преобразователей позволяет работать устройству на одной частоте.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: тип крепления мембран с помощью подвесов, полупроводниковая подложка, металлические электроды и пьезоэлектрический слой.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: использование одинаковых мембран круглой формы с фиксированным количеством подвесов, что приводит к работе датчика в узком диапазоне частот.
Технический результат полезной модели – увеличение диапазона рабочих частот матрицы пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей с одинаковыми значениями собственной ёмкости. Это достигается за счёт применения одинаковых мембран квадратной формы, зафиксированных на подложке разным количеством подвесов, что позволяет матрице работать в широком диапазоне частот при одинаковых значениях ёмкости электрических преобразователей.
Для достижения необходимого технического результата в многочастотную матрицу пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей, состоящую из полупроводниковой подложки, изоляционного слоя, нижнего металлического слоя, пьезоэлектрического слоя и верхнего металлического слоя, мембраны имеют квадратную форму, одинаковые геометрические параметры и зафиксированы на подложке разным количеством подвесов, таким образом, что каждая строка матрицы состоит из мембран с одинаковым количеством подвесов, тогда как каждый столбец матрицы состоит из мембран с разным количеством подвесов.
Спроектирована матрица одинаковых квадратных мембран с фиксированными геометрическими параметрами (длина стороны и толщина мембраны) зафиксированных на подложке подвесами. Мембраны зафиксированы по углам и по каждой стороне подвесами с размерами, позволяющими расположить их максимальное количество, с учётом шага между ними равного половине ширины подвеса. На этапе создания фотошаблона для дальнейшего изготовления предлагаемой матрицы все элементы матрицы идентичные, что позволяет упростить проектирование фотошаблона. Для расширения диапазона рабочих частот после изготовления матрицы пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей для каждой строки матрицы, кроме первой, подвесы удаляются симметрично с каждой стороны с помощью любого доступного метода микроэлектронной технологии. В последней строке удаляются все подвесы, кроме угловых. Таким образом, в конечном варианте конструкции каждая строка матрицы пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей состоит из мембран с одинаковым количеством подвесов, тогда как в каждом столбце матрицы мембраны имеют разное количество подвесов, что позволяет расширить диапазон рабочих частот, но при этом сохранить одинаковые значения ёмкости электрических преобразователей за счёт фиксированных размеров квадратных мембран.
На фиг. 1 приведено изображение матрицы пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей, состоящей из одинаковых мембран квадратной формы 1, зафиксированных на подложке разным количеством подвесов 2. На фиг. 2 изображено сечение одной мембраны.
Приведенная на фиг.1 матрица пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей состоит из 49 элементов. Каждая строка работает на одной частоте, тогда как столбцы различны по этому параметру. Матрица пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей включает в себя одинаковые мембраны квадратной формы с разным количеством подвесов и состоит из полупроводниковой подложки 3, изоляционного слоя 4, нижнего металлического слоя 5, пьезоэлектрического слоя 6 и верхнего металлического слоя 7 (фиг. 2).
Работает матрица пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей следующим образом.
При воздействии ультразвуковой волны на матрицу пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей максимальная амплитуда колебаний происходит у мембран, у которых резонансная частота совпадает с частотой воздействующей ультразвуковой волны. Далее пьезоэлектрический материал под воздействием механического прогиба генерирует на поверхности ЭДС, который передается через верхний металлический слой в систему обработки сигналов.
Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемая матрица пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей позволяет расширить диапазон рабочих частот, при этом, не усложняя схему обработки сигналов, что обусловлено одинаковыми значениями ёмкости преобразователей.