CN107520110A - 压电超声换能器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种压电超声换能器及其制备方法，压电超声换能器包括基底以及固定在基底上的复合振膜，复合振膜包括层叠设置的被动结构层和压电材料层，压电材料层上设置有第一电极和第二电极，基底包括固定复合振膜的上表面和与之相对的下表面，基底上包括自上表面向下表面方向凹陷的凹槽，复合振膜包括与上表面相贴设的平面部和自平面部向凹槽内部延伸的曲面部，复合振膜覆盖并密封凹槽。本发明压电超声换能器能够提高声压输出并且可以实现波束自聚焦，具有较好的性能。
Description
技术领域
本发明涉及超声传感器领域，尤其涉及一种压电超声换能器及其制备方法。
背景技术
超声传感器在社会生产生活中具有广泛的应用，包括超声加工、超声定位、超声探测、超声成像等各方面。作为电能和机械能相互转换的器件，超声换能器是超声传感器的重要组成部件。传统的超声换能器通常基于机械加工制成，因而具有体积较大，加工精度较低，加工成本较高，难以形成阵列结构等缺点。基于MEMS(MicroelectromechanicalSystems，微机电系统)技术的超声换能器因采用微电子工艺加工而成，直径尺寸可降低到微米级别，谐振频率可达到几百兆赫兹，较高的谐振频率大幅增加了成像和探测的精度。另外，由MEMS工艺加工成的超声换能器单元可组成大规模阵列，单元一致性较好，便于运用相位控制技术实现超声波束的聚焦、离散、定向扫描等功能，大大增强了超声技术应用的灵活性。
目前的MEMS超声换能器主要有电容式和压电式两种，其中MEMS电容式超声换能器由上下两个电极板构成，通过极板之间的静电力驱动，具有机电耦合系数较大、谐振频率较高的优点，但是也存在驱动电压较高、受寄生电容影响较大、电学输出阻抗较大难以匹配、接收效率和发射效率难以兼顾等缺点；与电容式超声换能器相比，压电式超声换能器由压电层、振动层及上下金属电极构成，具有驱动电压低、输出阻抗低、发射接收效率兼顾等优点，但是由于换能器工作时先依靠压电层产生横向应变，再经过振动层的协助转换成垂直于衬底方向的纵向形变，整个过程的机电耦合系数较低，电能和机械能的转换效率较低，限制了超声传感器的声压输出。另一方面，生物高分辨率成像需要超声传感器工作频率在兆赫兹以上，由于频率越高，超声波在组织中衰减越大，因此需要将超声波束进行聚焦以达到更好的成像深度。因此如何同时提高MEMS压电式超声换能器的声压输出和实现波束自聚焦，是本领域急需解决的技术问题。
因此，实有必要提供一种新的压电超声换能器解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种能够提高声压输出和实现波束自聚焦的压电超声换能器，以解决现有技术中电能和机械能的转换效率较低，限制了超声传感器的声压输出的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种压电超声换能器，包括基底以及固定在所述基底上的复合振膜，所述复合振膜包括层叠设置的被动结构层、与所述被动结构层相连的压电材料层，所述压电材料层包括靠近所述被动结构层的第一表面及远离所述被动结构层的第二表面，所述压电超声换能器还包括设置于所述第一表面的第一电极及设置于所述第二表面的第二电极，所述基底包括靠近所述复合振膜的上表面和与之相对的下表面，所述基底包括自上表面向下表面方向凹陷的凹槽，所述复合振膜包括与所述上表面相贴设的平面部和自所述平面部向所述凹槽内部凹陷的曲面部，所述复合振膜覆盖并密封所述凹槽。
优选的，所述曲面部位于所述平面部的中央。
优选的，所述第一电极和所述第二电极为贴设在所述压电材料层上的金属膜。
优选的，所述被动结构层为玻璃膜层。
优选的，被所述复合振膜覆盖并密封的所述凹槽内设置为真空。
优选的，所述压电材料层采用氮化铝、氧化锌、或锆钛酸铅中的任意一种制备而成。
优选的，所述第一电极、第二电极采用钼、铂或铝中的任意一种导电材料制备而成。
为解决上述问题，本发明还提供一种如上所述的压电超声转换器的制备方法，其包括如下步骤：
提供硅材料制备的基底，所述基底包括上表面和与之相对的下表面，并在基底的上表面上蚀刻凹槽；
在基底上设置被动结构层，并实现基底与被动结构层的阳极键合；
将基底与被动结构层进行高温回流制备向凹槽内凹设的曲面部；
在所述被动结构层远离基底的一侧表面自下而上依次沉积第一电极、压电材料层和第二电极。
优选的，曲面部的制备方法为在高温炉内冲入氮气进行回流，使得玻璃膜层在密封凹槽内外气压差的作用下向内凹入，回流完成后先进行快速降温再自然冷却降温。
相较于现有技术，本发明的压电超声换能器，基底包括自上表面向下表面方向凹陷的凹槽，复合振膜包括与上表面相贴设的平面部和自平面部向凹槽内部延伸的曲面部，复合振膜覆盖并密封凹槽。在工作时压电材料层产生的应变存在一个向下的分量，无需被动结构层的协助就可以实现振动膜的纵向振动，整个过程的机电耦合系数较高，电能和机械能的转换效率较高，提高了声压输出。与此同时，具有曲面部的复合振动膜结构使压电超声换能器发出的超声波产生定向自聚焦，增强了超声波在焦点处的声压强度，获得较好的穿透深度。此外，复合振膜覆盖并密封凹槽，在凹槽内部形成真空条件，可以消除压电超声换能器向芯片背面发出无用的超声波信号，降低压电超声换能器的工作能耗。
附图说明
图1为本发明压电超声换能器的结构示意图；
图2为本发明压电超声换能器制备方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施方式的压电超声换能器，包括基底1以及固定在基底1上的复合振膜。
基底1包括靠近复合振膜的上表面11和与上表面11相对的下表面12。基底1包括自上表面11向下表面12方向凹陷的凹槽10，复合振膜固定在基底1的上表面11上且覆盖并密封凹槽10，使得凹槽10内形成真空密闭的结构。
复合振膜包括被动结构层2、压电材料层4、设置在压电材料层4上的电极。
被动结构层2贴设在基底1的上表面11并覆盖凹槽10；压电材料层4包括与被动结构层2相贴设的第一表面41及远离被动结构层2的第二表面42。电极为贴设在压电材料层4上的金属膜，具体的，包括贴设在压电材料层4第一表面41的第一电极3和贴设在压电材料层4第二表面42的第二电极5。在本实施方式中，复合振膜包括自下而上为分别层叠设置的被动结构层2、第一电极3、压电材料层4和第二电极5。
基底1的制备材料可以采用硅、蓝宝石、陶瓷、玻璃或聚合物等，优选的，在本实施方式中，为硅基底；被动结构层2为玻璃膜层；压电材料层4的制备材料可以采用AlN(氮化铝)、ZnO(氧化锌)、或PZT(piezoelectric ceramic transducer，锆钛酸铅压电陶瓷)；电极的制备材料采用Mo(钼)、Pt(铂)或Al(铝)，其中第一电极3和第二电极5可以采用相同的材料制备，也可以采用不同的材料制备。
复合振膜包括与上表面11相贴设的平面部61和自平面部61向所述凹槽10内部方向凹陷的曲面部62。优选的，曲面部62设置在复合振膜的中央，平面部61环绕曲面部设置，曲面部62与平面部61为一体结构。曲面部62容置在凹槽10内部，并与凹槽10相密封形成密闭的空腔，且所述空腔设置为真空结构，可以消除压电超声换能器向芯片背面发出无用的超声波信号，降低压电超声换能器的工作能耗。曲面部的设置，使压电超声换能器发出的超声波产生定向自聚焦，增强了超声波在焦点处的声压强度，获得较好的穿透深度。还可以使得压电超声换能器在工作时压电材料层产生的应变存在一个向下的分量，无需被动结构层的协助就可以实现振动膜的纵向振动，整个过程的机电耦合系数较高，电能和机械能的转换效率较高，提高了声压输出。
如图2所示，为本发明压电超声换能器的制备方法，具体包括如下步骤：
a.提供硅材料制备的基底1，该基底1包括上表面11和与之相对的下表面12，并在基底1的上表面12上蚀刻凹槽10，具体方法为：先分别用酸性清洗液和碱性清洗液清洗基底1，之后再用去离子水将基底1冲洗干净；接着利用低压化学气相沉积设备在基底1上表面沉积厚度为的二氧化硅膜层作为掩膜层；并涂光刻胶，光刻曝光，在需要刻蚀凹槽10的地方形成光刻图形，将显影烘干后的基底1放入二氧化硅腐蚀液，湿法刻蚀出需要的掩膜窗口。完成后将基底1放入干法深硅刻蚀设备中刻蚀出1-500μm深度的凹槽10。当然，在这个步骤中，在基底1上表面形成二氧化硅层并不是必要的，也可直接对基底1进行刻蚀形成凹槽10，设置二氧化硅是为了通过二氧化硅更好的控制刻蚀的深度。
b.在加工了凹槽的基底1上设置被动结构层2，所述被动结构层2为玻璃膜层。在键合机中实现基底1与被动结构层2的阳极键合，并将形成的基底-被动结构层键合结构放入机械减薄设备进行减薄和抛光，其中键合温度为400摄氏度，键合电压为1000V，键合时凹槽10内保持高真空状态。键合完成后对玻璃膜层的上表面减薄玻璃厚度为为止。接着进行化学机械抛光，使被动结构层2的表面粗糙度降低到
c.将基底1与被动结构层2进行高温回流制备向凹槽10内凹设的曲面部62，具体方法为：将上一步骤所得抛光后的基底-被动结构层键合结构放入高温炉中进行回流，回流时温度为600-850摄氏度，炉内冲入氮气，回流时间为10分钟到半小时，使得被动结构层在密封空腔内外气压差的作用下向内凹入，回流完成后先进行快速降温再自然冷却降温使得形状固定。
d.沉积第一电极层，用来制备第一电极3，具体方法为：利用真空蒸镀设备或溅射设备在被动结构层上制备厚度的第一电极3；所述第一电极3可以是由钼、铂或铝中的一者形成，或者可以是形成铬与金的复合层、钛与铂的复合层；接着涂光刻胶，光刻曝光，形成光刻图形；用腐蚀液腐蚀金属膜，形成所需图形的第一电极3结构，去除残余光刻胶，完成第一电极3的制备。
e.制备压电材料层，具体方法为：首先在第一电极3的表面上利用真空蒸镀设备或溅射设备制备厚度的AlN压电材料层，接着涂光刻胶，光刻曝光，形成光刻图形；用腐蚀液腐蚀形成所需图形的压电材料层4，去除残余光刻胶，完成压电材料层4的制备。
f.沉积第二电极层，用来制备第二电极5，具体方法为：在压电材料层4上涂光刻胶，光刻曝光，形成第二电极反图形，即在不需要形成第二电极5的位置处涂光刻胶；；再依次真空蒸镀或磁控溅射0.厚度的第二电极层，其材料的选择与第一电极5的材料选相同；用丙酮去光刻胶，完成第二电极6的制备。
相较于现有技术，本发明的压电超声换能器，基底1包括自上表面11向下表面12方向凹陷的凹槽10，复合振膜包括与上表面11相贴设的平面部61和自平面部61向凹槽10内部延伸的曲面部62，复合振膜覆盖并密封凹槽10。在工作时压电材料层产生的应变存在一个向下的分量，无需被动结构层的协助就可以实现振动膜的纵向振动，整个过程的机电耦合系数较高，电能和机械能的转换效率较高，提高了声压输出。与此同时，具有曲面部的复合振动膜结构使压电超声换能器发出的超声波产生定向自聚焦，增强了超声波在焦点处的声压强度，获得较好的穿透深度。此外，复合振膜覆盖并密封凹槽，在凹槽内部形成真空条件，可以消除压电超声换能器向芯片背面发出无用的超声波信号，降低压电超声换能器的工作能耗。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种压电超声换能器，包括基底以及固定在所述基底上的复合振膜，所述复合振膜包括层叠设置的被动结构层、与所述被动结构层相连的压电材料层，所述压电材料层包括靠近所述被动结构层的第一表面及远离所述被动结构层的第二表面，所述压电超声换能器还包括设置于所述第一表面的第一电极及设置于所述第二表面的第二电极，所述基底包括靠近所述复合振膜的上表面和与之相对的下表面，其特征在于，所述基底包括自上表面向下表面方向凹陷的凹槽，所述复合振膜包括与所述上表面相贴设的平面部和自所述平面部向所述凹槽内部凹陷的曲面部，所述复合振膜覆盖并密封所述凹槽。
2.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述曲面部位于所述平面部的中央。
3.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述第一电极、所述第二电极均为贴设在所述压电材料层上的金属膜。
4.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述被动结构层为玻璃膜层。
5.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，被所述复合振膜覆盖并密封的所述凹槽内设置为真空。
6.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述压电材料层采用氮化铝、氧化锌、或锆钛酸铅中的任意一种制备而成。
7.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述第一电极、第二电极采用钼、铂或铝中的任意一种导电材料制备而成。
8.一种如权利要求1所述的压电超声转换器的制备方法，其包括如下步骤：
提供硅材料制备的基底，所述基底包括上表面和与之相对的下表面，并在基底的上表面上蚀刻凹槽；
在基底上设置被动结构层，并实现基底与被动结构层的阳极键合；
将基底与被动结构层进行高温回流制备向凹槽内凹设的曲面部；
在所述被动结构层远离基底的一侧表面自下而上依次沉积第一电极、压电材料层和第二电极。
9.根据权利要求8所述的压电超声转换器的制备方法，其特征在于，曲面部的制备方法为在高温炉内冲入氮气进行回流，使得玻璃膜层在密封凹槽内外气压差的作用下向内凹入，回流完成后先进行快速降温再自然冷却降温。
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