CN107138380A - 多方向的压电超声发生器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多方向的压电超声发生器及其制备方法，是一种结构简单，操作容易，方向性可调，且便于集成的超声发生器及其制备方法。该超声发生器以硅为衬底，在衬底上设有三角形桥墩、三个独立的MEMS悬臂梁、压电材料、MEMS悬臂梁下拉电极。本发明既可以对三个MEMS悬臂梁下拉电极同时施加相同大小的电压，也可以通过选择不同组合方式对MEMS悬臂梁下拉电极单独的施加电压，共有七种组合方式来实现压电超声发生器的方向性选择。
Description
技术领域
本发明涉及一种多方向的压电超声发生器及其制备方法，属于超声、微电子机械系统技术领域。
背景技术
超声波发生器，通常称为超声波发生源，超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。近20多年来，随着MEMS技术的飞速发展，对MEMS悬臂梁结构进行了深入的研究，使得MEMS悬臂梁技术应用于超声发生器成为可能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多方向的压电超声发生器及其制备方法，通过采用MEMS悬臂梁技术设计三个相互之间成1200的MEMS悬臂梁，从而实现超声发生器的方向性选择。该超声发生器具有结构小型化，操作简单，易集成等特点。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种多方向的压电超声发生器，该压电超声发生器以硅为衬底，在硅衬底上设有三角形桥墩，在所述三角形桥墩的三个侧面分别设有一个MEMS悬臂梁；每个所述MEMS悬臂梁的一端固定在三角形桥墩上，另一端为自由端；每个所述MEMS悬臂梁的下方的硅衬底上分别设有一个MEMS悬臂梁下拉电极；每个MEMS悬臂梁下拉电极上设有压电材料层。
作为本发明的进一步技术方案，相邻两个所述MEMS悬臂梁之间呈120°角。
作为本发明的进一步技术方案，所述压电材料为ZnO。
作为本发明的进一步技术方案，所述硅衬底为高阻硅SOI衬底。
另一方面，本发明还提供一种多方向的压电超声发生器的制备方法，该制备方法包括以下具体步骤：
（1）准备硅衬底；
（2）去除在MEMS悬臂梁下拉电极、三角形MEMS悬臂梁桥墩处的光刻胶；
（3）溅射金，形成MEMS悬臂梁下拉电极和三角形MEMS悬臂梁桥墩；
（4）用等离子体增强化学气相淀积法工艺在MEMS悬臂梁下拉电极上生长压电材料层；
（5）在硅衬底上涂覆聚酰亚胺牺牲层，并光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS悬臂梁下的牺牲层；
（6）电镀金，形成MEMS悬臂梁；
（7）用显影液释放MEMS悬臂梁下方的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬浮的MEMS悬臂梁结构。
作为本发明的进一步技术方案，步骤（1）中硅衬底为高阻硅SOI衬底。
作为本发明的进一步技术方案，步骤（3）中溅射金的厚度为0.5μm，步骤（4）中压电材料层的厚度为1μm，步骤（5）中聚酰亚胺牺牲层的厚度为1μm，步骤（6）中电镀金的厚度为1μm。
作为本发明的进一步技术方案，步骤（4）中压电材料为ZnO。
作为本发明的进一步技术方案，步骤（6）中形成的MEMS悬臂梁中相邻两个之间呈120°角。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、由于该超声发生器的三个MEMS悬臂梁呈120°分布，故而相比较于单个MEMS悬臂梁的超声发生器，该压电超声发生器可以产生多方向的超声波；
2、三个MEMS悬臂梁下拉电极是独立的，既可以对个MEMS悬臂梁下拉电极同时施加相同大小的电压，也可以选择不同组合方式对三个MEMS悬臂梁下拉电极单独的施加电压，共有七种组合方式来选择压电超声发生器的方向性；
3、该多方向性的压电超声发生器是基于MEMS技术，具有体积小、功耗低、质量轻的优点，具有良好的动态范围。
附图说明
图1是多方向性的压电超声发生器的俯视图。
图2为单方向性的压电超声发生器的截面图。
图中：1为硅衬底，2为三角形桥墩、3为MEMS悬臂梁、4为压电材料、5为MEMS悬臂梁下拉电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明提供一种多方向性的压电超声发生器，以硅为衬底，在硅衬底1上设计有三角形桥墩2、三个独立的MEMS悬臂梁3、压电材料ZnO4、MEMS悬臂梁下拉电极5。如图1所示，在三角形桥墩的三个侧面分别设有三个MEMS悬臂梁，互相之间呈120°分布，三个MEMS悬臂梁一端固定在三角形桥墩上，另一端是可以上下移动的自由端。三个MEMS悬臂梁与三个MEMS悬臂梁下拉电极，两者之间具有一定间距，在三个MEMS悬臂梁下拉电极上设有压电材料ZnO。MEMS悬臂梁与MEMS悬臂梁下拉电极类似于一个平行板电容器，它们分别作为平行板电容器上极板和下极板。
如果在MEMS悬臂梁3和MEMS悬臂梁下拉电极5之间施加电压，MEMS悬臂梁3在静电力作用下会发生弯曲。当弯曲足够大时，MEMS悬臂梁3的自由端会接触到压电材料ZnO 4上，此时MEMS悬臂梁3和MEMS悬臂梁下拉电极5之间的电势差减小，静电力减小，在MEMS悬臂梁3的弹性回复力作用下，MEMS悬臂梁3恢复到初始位置。然后，静电力又再次将MEMS悬臂梁3向下拉动，反复此过程。
单方向性的压电超声发生器装置如图2所示，在上下极板之间加上电压激励，当电压到达一定值时，MEMS悬臂梁自由端会在静电力作用下开始弯曲。当弯曲达到一定程度时，悬臂梁自由端会接触到压电材料ZnO，这时就相当于将电容器正负极板接通，电容器放电，静电力消失。在弹性回复力的作用下，MEMS悬臂梁会恢复到初始位置。然后，静电力又再次将MEMS悬臂梁向下拉动，反复此过程，从而产生与MEMS悬臂梁特征频率相同的超声波。
本发明多方向性的压电超声发生器在三角形桥墩2的三个侧面分别设有三个MEMS悬臂梁，互相之间呈120°分布，与之对应在硅衬底上设有三个MEMS悬臂梁下拉电极，从而实现压电超声的多方向性。另外，三个MEMS悬臂梁下拉电极是独立的，既可以对三个MEMS悬臂梁下拉电极同时施加大小相同的电压，也可以选择不同组合方式对三个MEMS悬臂梁下拉电极单独的施加电压，来实现压电超声发生器的方向性选择。
本发明的多方向性的压电超声发生器是一种可以产生不同方向机械振动的超声发生器，以高阻硅Si为衬底，具体实施方案如下：
在Si衬底1上设计有三角形桥墩2、三个方向不同的MEMS悬臂梁3，三个方向不同的压电材料ZnO 4，三个方向不同的MEMS悬臂梁下拉电极5。
如果在MEMS悬臂梁3和MEMS悬臂梁下拉电极5之间施加电压，MEMS悬臂梁3在静电力作用下会发生弯曲。当弯曲足够大时，MEMS悬臂梁3的自由端会接触到压电材料ZnO 4上，此时MEMS悬臂梁3和MEMS悬臂梁下拉电极5之间的电势差减小，静电力减小，在MEMS悬臂梁3的弹性回复力作用下，MEMS悬臂梁3恢复到初始位置。然后，静电力又再次将MEMS悬臂梁3向下拉动，反复此过程。
由于在三角形桥墩2的三个侧面分别设有三个MEMS悬臂梁3，互相之间呈120°分布。三个MEMS悬臂梁下拉电极5是独立的，既可以对三个MEMS悬臂梁下拉电极5同时施加相同大小的电压，也可以选择不同组合方式对MEMS悬臂梁下拉电极5单独施加电压，共有七种组合方式来实现压电超声发生器的方向性选择。
多方向性的压电超声发生器的制备方法为：
（1）准备硅衬底：选用的是高阻硅SOI衬底；
（2）光刻：去除在MEMS悬臂梁下拉电极，三角形MEMS悬臂梁桥墩上的光刻胶；
（3）溅射金：形成MEMS悬臂梁下拉电极和三角形MEMS悬臂梁桥墩，厚度为0.5μm；
（4）淀积压电材料ZnO层：用等离子体增强化学气相淀积法工艺在MEMS悬臂梁下拉电极上生长1μm厚度的压电材料ZnO层；
（5）淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：涂覆1μm厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满凹坑，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了不同长度MEMS悬臂梁与MEMS悬臂梁下拉电极之间的高度，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留悬臂梁下的牺牲层；
（6）电镀金；电镀不同方向的MEMS悬臂梁，金的厚度为1μm；
（7）释放牺牲层；用显影液释放不同方向的MEMS悬臂梁结构下方的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬浮的不同方向的MEMS悬臂梁结构。
区分是否为该结构的标准如下：
该多方向性的压电超声发生器采用三角形桥墩和三个独立的MEMS悬臂梁结构。工作原理为：通过对三个方向互相呈120°的MEMS悬臂梁和MEMS悬臂梁下拉电极施加直流电压，这样在静电力作用下不同方向性的MEMS悬臂梁就会有不同程度的弯曲。当弯曲达到一定程度时，就会与压电材料ZnO接触，静电力减小甚至消失，弹性力使得MEMS悬臂梁恢复到初始位置。然后静电力逐渐恢复，重复上述过程，这三个独立的MEMS悬臂梁产生振动，产生多方向性的超声波。
既可以对三个MEMS悬臂梁下拉电极同时施加相同大小的电压，也可以通过选择不同组合方式对MEMS悬臂梁下拉电极单独的施加电压，共有七种组合方式来实现压电超声发生器的方向性选择。
满足以上条件的结构即视为本发明的多方向性的压电超声发生器。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.多方向的压电超声发生器，其特征在于，该压电超声发生器以硅为衬底，在硅衬底上设有三角形桥墩，在所述三角形桥墩的三个侧面分别设有一个MEMS悬臂梁；每个所述MEMS悬臂梁的一端固定在三角形桥墩上，另一端为自由端；每个所述MEMS悬臂梁的下方的硅衬底上分别设有一个MEMS悬臂梁下拉电极；每个MEMS悬臂梁下拉电极上设有压电材料层。
2.根据权利要求1所述的多方向的压电超声发生器，其特征在于，相邻两个所述MEMS悬臂梁之间呈120°角。
3.根据权利要求1所述的多方向的压电超声发生器，其特征在于，所述压电材料为ZnO。
4.根据权利要求1所述的多方向的压电超声发生器，其特征在于，所述硅衬底为高阻硅SOI衬底。
5.多方向的压电超声发生器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下具体步骤：
（1）准备硅衬底；
（2）去除在MEMS悬臂梁下拉电极、三角形MEMS悬臂梁桥墩处的光刻胶；
（3）溅射金，形成MEMS悬臂梁下拉电极和三角形MEMS悬臂梁桥墩；
（4）用等离子体增强化学气相淀积法工艺在MEMS悬臂梁下拉电极上生长压电材料层；
（5）在硅衬底上涂覆聚酰亚胺牺牲层，并光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS悬臂梁下的牺牲层；
（6）电镀金，形成MEMS悬臂梁；
（7）用显影液释放MEMS悬臂梁下方的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬浮的MEMS悬臂梁结构。
6.根据权利要求5所述的多方向的压电超声发生器的制备方法，其特征在于，步骤（1）中硅衬底为高阻硅SOI衬底。
7.根据权利要求5所述的多方向的压电超声发生器的制备方法，其特征在于，步骤（3）中溅射金的厚度为0.5μm，步骤（4）中压电材料层的厚度为1μm，步骤（5）中聚酰亚胺牺牲层的厚度为1μm，步骤（6）中电镀金的厚度为1μm。
8.根据权利要求5所述的多方向的压电超声发生器的制备方法，其特征在于，步骤（4）中压电材料为ZnO。
9.根据权利要求5所述的多方向的压电超声发生器的制备方法，其特征在于，步骤（6）中形成的MEMS悬臂梁中相邻两个之间呈120°角。
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Application publication date: 20170908 Assignee: Nanjing Ningqixing Information Technology Co.,Ltd. Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS Contract record no.: X2023980046580 Denomination of invention: Multidirectional piezoelectric ultrasonic generator and its preparation method Granted publication date: 20220902 License type: Common License Record date: 20231113 Application publication date: 20170908 Assignee: Nanjing Kecheng Zhijia Smart Technology Co.,Ltd. Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS Contract record no.: X2023980046578 Denomination of invention: Multidirectional piezoelectric ultrasonic generator and its preparation method Granted publication date: 20220902 License type: Common License Record date: 20231113 Application publication date: 20170908 Assignee: Nanjing Bodexin Information Technology Co.,Ltd. Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS Contract record no.: X2023980046576 Denomination of invention: Multidirectional piezoelectric ultrasonic generator and its preparation method Granted publication date: 20220902 License type: Common License Record date: 20231113 |
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Application publication date: 20170908 Assignee: NANJING YUANGAN MICROELECTRONIC CO.,LTD. Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS Contract record no.: X2023980048637 Denomination of invention: Multidirectional piezoelectric ultrasonic generator and its preparation method Granted publication date: 20220902 License type: Common License Record date: 20231201 |
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