CN107511318A - 压电超声换能器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压电超声换能器及其制备方法，所述压电超声换能器包括中心设有空腔的基底、固定在所述基底上的振膜以及自所述基底往振膜的方向依次沉积在振膜上的第一电极、压电膜和第二电极，其特征在于，所述振膜包括位于中央的第一振膜和位于所述第一振膜外侧的第二振膜，所述第一振膜与第二振膜间隔设置并通过弹性结构层连接，所述压电超声换能器在对应所述弹性结构层的位置还设有贯穿第二电极、压电膜以及第一电极的贯通孔。本发明的压电超声换能器能够提高声压的输出。

Description

压电超声换能器及其制备方法

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，通过电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膜、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，因此在很多场合得到了应用。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。因此如何提高MEMS压电式超声换能器的声压输出，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

本发明提供一种压电超声换能器可以提高声压的输出。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种压电超声换能器，所述压电超声换能器包括中心设有空腔的基底、固定在所述基底上的振膜以及自所述基底往振膜的方向依次沉积在振膜上的第一电极、压电膜和第二电极，所述振膜包括位于中央的第一振膜和位于所述第一振膜外侧的第二振膜，所述第一振膜与第二振膜间隔设置并通过弹性结构层连接，所述压电超声换能器在对应所述弹性结构层的位置还设有贯穿第二电极、压电膜以及第一电极的贯通孔。

优选的，所述弹性结构层为具有低弹性系数的结构层。

优选的，所述弹性结构层的厚度小于振膜的厚度。

优选的，所述弹性结构层由低杨氏模量材料制成。

优选的，所述振膜和基底之间设有阻挡层。

优选的，所述基底采用硅、蓝宝石、陶瓷、玻璃或聚合物中的任意一种制备而成。

优选的，所述振膜采用二氧化硅、多晶硅、氮化硅或聚合物中的任意一种制备而成。

优选的，所述压电膜采用氮化铝、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：

提供基底基材，所述基底基材包括上表面和下表面，在所述基底基材的上表面沉积振膜基材；

在振膜基材上蚀刻凹槽，所述凹槽将所述振膜基材分为位于中央的第一振膜基材和位于所述第一振膜基材外侧的第二振膜基材；

在所述凹槽中填充弹性结构层基材；

在振膜基材和弹性结构层基材的表面依次制备第一电极、压电膜及第二电极；

在所述第一电极、压电膜和第二电极上蚀刻与凹槽相对应设置的贯穿所述第一电极、压电膜和第二电极的贯通孔，以使所述弹性结构层基材露出；

刻蚀基底基材的下表面以形成空腔，并且释放位于基底基材的上表面的振膜基材以形成第一振膜和第二振膜，释放弹性结构层基材以形成弹性结构层。

相较于现有技术，相较于现有技术，本发明的压电超声换能器的振膜对应所述空腔处设置有弹性结构层，所述弹性结构层将所述振膜分割成固定区域和振动区域，所述振动区域相对所述固定区域呈活塞状振动，相对于传统的具有四边固支振动膜的压电超声换能器，这种结构由于振膜的部分区域弹性系数降低，振膜中存在的应力得到释放。换能器在工作时，会具有更大的动态范围，从而可以工作在更高的驱动电压条件下，获得更大的位移；另一方面，振膜的振动形态由传统的高斯分布转换成活塞式分布，振动时的有效区域面积也得到了增大，进一步增大了超声传感器的声压输出。

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、固定在基底1上的振膜3以及自所述基底1往振膜3的方向依次沉积在振膜上的第一电极5、压电膜6和第二电极7。基底1中心设置有空腔10，振膜3覆盖所述空腔10。

所述振膜3包括位于中央的第一振膜31和位于所述第一振膜外侧的第二振膜32，所述第一振膜31与第二振膜32间隔设置并通过弹性结构层4连接，所述弹性结构层4为中空环状结构。所述压电超声换能器在对应所述弹性结构层4的位置还设有贯穿第二电极7、压电膜6以及第一电极5的贯通孔8，以使所述弹性结构层4外露。

另外，在本实施例中，所述第二振膜32与基底1之间还设有阻挡层2，所述阻挡层2为中空环状结构，所述第二振膜32通过阻挡层2固定在基底上。

其中，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；阻挡层2的制备材料可以采用二氧化硅、多晶硅、氮化硅或聚合物等，具体在本实施方式中，为二氧化硅；振膜3的制备材料可以采用二氧化硅、多晶硅、氮化硅或聚合物等，具体在本实施方式中，为二氧化硅；压电膜6的制备材料可以采用AlN、ZnO、或PZT(piezoelectric ceramic transducer，锆钛酸铅压电陶瓷)；电极的制备材料采用Mo、Pt或Al，其中第一电极5和第二电极7可以采用相同的材料制备，也可以采用不同的材料制备。

弹性结构层4位于振膜对应空腔10的位置上，第二振膜32为固定区域通过阻挡层2固定在基底1上，第一振膜31为振动区域，第一振膜31和第二振膜32通过弹性结构层4连接，使得振动区域相对固定区域呈活塞状振动。优选的，弹性结构层4位于传统振膜的表面压缩应力和拉伸应力的分界区，通过设置弹性结构层4，可以避免如现有技术结构而产生的应力集中，使得振膜具有更大的动态范围，提高电能和机械能的转换效率，从而可以工作在更高驱动电压下，获得更大的线性位移；同时也增加了振膜振动的有效面积。

其中弹性结构层4的实现方式包括但不限于使用折叠结构、使用厚度较薄材料、使用低杨氏模量材料等。

当采用折叠结构时，弹性结构层4的两侧分别与振膜的其他部位相连，其两侧可以在一定程度上产生相对位移，从而释放应力集中；当使用厚度较薄材料时，弹性结构层4的厚度小于振膜3其他部分的厚度，使得在弹性结构层4处可以产生一定量的形变，从而释放应力集中；当采用低杨氏模量材料时，由于杨氏模量的差异，同样可以产生一定量的形变，从而释放应力集中。

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.提供基底基材1a，所述基底基材包括上表面1a1和下表面1a2，在基底基材1a上设置绝缘层，在本实施方式中，绝缘层为二氧化硅膜层，该绝缘层最终形成阻挡层2，具体方法为：先分别用酸性清洗液和碱性清洗液清洗基底基材1a，之后再用去离子水将基底基材1a冲洗干净；接着利用低压化学气相沉积设备在基底基材1a的上表面淀积厚度为0.1～2μm的二氧化硅膜层作为绝缘层2a。

b.在绝缘层2a上设置振膜基材3a，并在振膜基材3a上蚀刻形成第一凹槽3a1，在本实施方式中，振膜基材3a为多晶硅膜层，具体方法为：利用低压化学气相沉积设备在绝缘层的表面上淀积厚度为0.1～5μm的多晶硅膜层，形成振膜基材，接着在振膜基材上涂光刻胶，光刻曝光，形成光刻图形；用腐蚀液腐蚀未被光刻胶保护的形成的多晶硅层，形成所需的第一凹槽3a1，第一凹槽3a1为环状结构，并将振膜基材3a分为位于中央的第一振膜基材31a和位于所述第一振膜基材31a外侧的第二振膜基材32a。

c.在所述第一凹槽3a1内填充弹性结构层基材4a，具体在本实施方式中，弹性结构层基材4a材料为二氧化硅，具体方法为：利用低压化学气相沉积设备淀积厚度为0.1～5μm的二氧化硅层，该层材料将凹槽填满。接着使用化学机械抛光设备对第一凹槽3a1内的二氧化硅层进行研磨抛光，获得平滑的表面。

d.在所述振膜基材3a和弹性结构层基材4a上依次沉积第一电极5、压电膜6和第二电极7，具体方法为：

利用真空蒸镀设备或溅射设备在振膜基材和弹性结构层基材上制备0.01～1μm厚度的Mo电极层，形成Cr/Au第一电极5a；或者利用真空蒸镀设备或溅射设备在振膜基材和弹性结构层基材上依次制备0.01～0.1μm厚度的Ti和Pt层，形成Ti/Pt电极层5a；利用图形化技术对Mo电极层、或Ti/Pt电极层进行图形化制得图形化的第一电极5，完成第一电极5的制备；

在第一电极5的表面上利用真空蒸镀设备或溅射设备制备0.01～2μm厚度的AlN压电材料层6a，接着涂光刻胶，光刻曝光，形成压电膜光刻图形；用腐蚀液腐蚀压电膜，形成所需图形的压电膜6，去除残余光刻胶，完成压电膜6的制备；

在压电膜6上直接制备第二电极7：在压电膜上涂光刻胶，光刻曝光，形成第二电极反图形；再依次真空蒸镀或磁控溅射0.01～1μm厚度的Mo层；或利用真空蒸镀设备或溅射设备制备0.01～1μm厚度的Al或Pt层以形成第二电极金属膜层7a；用丙酮去光刻胶，完成第二电极7的制备。

e.在所述第一电极5、压电膜6和第二电极上7蚀刻与凹槽相对应设置的贯穿所述第一电极层5a、压电材料层6a和第二电极层7a的贯通孔，具体方法为：首在第二电极7上涂光刻胶，光刻曝光，在需要刻蚀凹槽的地方形成光刻图形；反应离子刻蚀设备中对第二电极7的表面未被光刻胶保护的第二电极7、压电膜6和第一电极5进行干法刻蚀，形成所需要的贯通孔。

f.在基底基材1a上蚀刻以形成空腔并释放所述绝缘部，由此使得振膜基材3a形成第一振膜31和第二振膜32，弹性结构层基材4a以形成弹性结构层4，具体方法为：首先使用光刻胶将基底基材1a上表面的结构保护起来，然后放入干法深硅刻蚀设备中进行下表面释放孔的刻蚀，刻蚀深度为200～500μm，刻蚀完成后放入低浓度的氢氟酸溶液中去除残余的二氧化硅层，完成振膜3和弹性结构层4的释放。

相较于现有技术，本发明的压电超声换能器的振膜3对应所述空腔10处设置有弹性结构层4，所述弹性结构层4将所述振膜3分割成固定区域和振动区域，所述振动区域相对所述固定区域呈活塞状振动，相对于传统的具有四边固支振动膜的压电超声换能器，这种结构由于振膜的部分区域弹性系数降低，振膜中存在的应力得到释放。换能器在工作时，会具有更大的动态范围，从而可以工作在更高的驱动电压条件下，获得更大的位移；另一方面，振膜3的振动形态由传统的高斯分布转换成活塞式分布，振动时的有效区域面积也得到了增大，进一步增大了超声传感器的声压输出。

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 (10)

1.一种压电超声换能器，所述压电超声换能器包括中心设有空腔的基底、固定在所述基底上的振膜以及自所述基底往振膜的方向依次沉积在振膜上的第一电极、压电膜和第二电极，其特征在于，所述振膜包括位于中央的第一振膜和位于所述第一振膜外侧的第二振膜，所述第一振膜与第二振膜间隔设置并通过弹性结构层连接，所述压电超声换能器在对应所述弹性结构层的位置还设有贯穿第二电极、压电膜以及第一电极的贯通孔。

2.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述弹性结构层为具有低弹性系数的结构层。

3.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述弹性结构层的厚度小于振膜的厚度。

4.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述弹性结构层由低杨氏模量材料制成。

5.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述振膜和基底之间设有阻挡层。

6.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述基底采用硅、蓝宝石、陶瓷、玻璃或聚合物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，所述振膜采用二氧化硅、多晶硅、氮化硅或聚合物中的任意一种制备而成。

8.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述压电膜采用氮化铝、氧化锌、或锆钛酸铅中的任意一种制备而成。

9.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。

10.一种如权利要求1所述的压电超声转换器的制备方法，其包括如下步骤：

提供基底基材，所述基底基材包括上表面和下表面，在所述基底基材的上表面沉积振膜基材；

在振膜基材上蚀刻凹槽，所述凹槽将所述振膜基材分为位于中央的第一振膜基材和位于所述第一振膜基材外侧的第二振膜基材；

在所述凹槽中填充弹性结构层基材；

在振膜基材和弹性结构层基材的表面依次制备第一电极、压电膜及第二电极；

在所述第一电极、压电膜和第二电极上蚀刻与凹槽相对应设置的贯穿所述第一电极、压电膜和第二电极的贯通孔，以使所述弹性结构层基材露出；

刻蚀基底基材的下表面以形成空腔，并且释放位于基底基材的上表面的振膜基材以形成第一振膜和第二振膜，释放弹性结构层基材以形成弹性结构层。