CN107920313A - 一种微型压电超声换能器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型压电超声换能器及其制作方法，在硅衬底上设置至少一个震膜结构，该震膜结构由凸出于硅衬底的中空结构和凸出于中空结构外表面的至少一个拖尾结构构成。通过将震膜结构从二维平面结构变更为三维立体的中空结构，使换能器无需设置支撑层，凭借震膜结构即可完成超声换能工作。并且，由于震膜结构具有三维立体的曲面，换能器工作时依靠震膜结构产生的应变方向从横向变为了与横向具有一定角度的倾斜方向，因此，震膜结构产生的应变可以直接贡献为垂直于硅衬底方向的形变和震动，无需经过横向应变到垂直方向应变的转换过程，这样可以提高微型压电超声换能器的机电耦合系数，从而提高换能器能量转换效率，降低工作能耗。

Description

一种微型压电超声换能器及其制作方法

技术领域

本发明涉及换能器技术领域，尤其涉及一种微型压电超声换能器及其制作方法。

背景技术

目前，常见的微型压电超声换能器是采用二维平面的震膜结构，即如图1所示，换能器包括：设置在硅衬底1上的支撑层2，以及依次设置在支撑层2上的第一电极层3、压电层4和第二电极层5；其中，第一电极层3、压电层4和第二电极层5构成了二维平面的震膜结构，换能器通过震膜结构的震动将输入的电信号转换成超声能量输出。换能器工作时依靠压电层4产生横向应变，经过支撑层2的协助，横向应变再通过应力不平衡而围绕应力中性面产生垂直于硅衬底1方向的形变。此种换能方式经过了应变的横向-垂直转换过程，因此机电耦合系数低，换能器产生一定超声声压时消耗的电能高，电能转换成机械能(振动)的效率低。

因此，如何提高微型压电超声换能器的机电耦合系数，以提高换能器能量转换效率且降低工作能耗，是本领域技术亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种微型压电超声换能器及其制作方法，用以解决现有的换能器机电耦合系数较低的问题。

因此，本发明实施例提供的一种微型压电超声换能器，包括：硅衬底，设置在所述硅衬底上的至少一个震膜结构，所述震膜结构由凸出于所述硅衬底的中空结构和凸出于所述中空结构外表面的至少一个拖尾结构构成。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述拖尾结构中空且与所述中空结构的中空部位导通。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述中空结构和所述拖尾结构为一体结构。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述震膜结构具体包括：层叠设置的第一电极层、压电层和第二电极层。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述拖尾结构远离所述中空结构的侧端面具有开孔或封闭。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述中空结构和所述拖尾结构在垂直于所述硅衬底方向上的截面为圆拱形。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述中空结构为球拱型、椭球拱型或半圆柱型；所述拖尾结构为半圆柱型。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述中空结构为锥型或凸台型；所述拖尾结构为凸台型。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，所述中空结构和所述拖尾结构在所述硅衬底上的正投影为圆形、椭圆形或多边形。

另一方面，本发明实施例还提供了一种上述微型压电超声换能器的制作方法，包括：

在硅衬底上制作至少一个用于形成震膜结构的模具结构；

在所述模具结构上形成震膜结构；

在所述震膜结构的至少一个拖尾结构远离中空结构的侧端面开孔；

通过所述开孔去除所述模具结构。

在一种可能的实现方式中，本发明实施例提供的上述制作方法中，在硅衬底上制作至少一个用于形成震膜结构的模具结构，具体包括：

在所述硅衬底上形成一模具材料层；

对所述模具材料层进行构图工艺，形成具有特定形状的模具结构。

在一种可能的实现方式中，本发明实施例提供的上述制作方法中，在形成具有特定形状的模具结构之后，还包括：

对所述模具结构加热回流，使所述模具结构的外表面曲面化。

在一种可能的实现方式中，本发明实施例提供的上述制作方法中，在所述模具结构上形成震膜结构，具体包括：

在所述模具结构上依次形成第一电极层、压电层和第二电极层。

在一种可能的实现方式中，本发明实施例提供的上述制作方法中，通过所述开孔去除所述模具结构，具体包括：

通过所述开孔采用刻蚀工艺去除所述模具结构。

本发明实施例的有益效果包括：

本发明实施例提供的一种微型压电超声换能器及其制作方法，在硅衬底上设置至少一个震膜结构，该震膜结构由凸出于硅衬底的中空结构和凸出于中空结构外表面的至少一个拖尾结构构成。通过将震膜结构从二维平面结构变更为三维立体的中空结构，使换能器无需支撑层的协助，凭借震膜结构即可完成超声换能工作，因此，可以省去在硅衬底与震膜结构之间设置的支撑层。并且，由于震膜结构具有三维立体的曲面，换能器工作时依靠震膜结构产生的应变方向从横向变为了与横向具有一定角度的倾斜方向，因此，震膜结构产生的应变可以直接贡献为垂直于硅衬底方向的形变和震动，无需经过横向应变到垂直方向应变的转换过程，这样可以提高微型压电超声换能器的机电耦合系数，从而提高换能器能量转换效率，降低工作能耗。

附图说明

图1为现有技术中微型压电超声换能器的结构示意图；

图2和图3分别为本发明实施例提供的微型压电超声换能器的结构示意图；

图4a和图4b分别为本发明实施例提供的微型压电超声换能器中震膜结构的立体示意图之一；

图5a和图5b分别为本发明实施例提供的微型压电超声换能器中震膜结构的立体示意图之二；

图6a为现有技术中的圆形平面震膜结构的谐振频率与振幅的仿真图；

图6b为本发明实施例提供的震膜结构的谐振频率与振幅的仿真图；

图7为本发明实施例提供的微型压电超声换能器的制作方法的流程图；

图8a至图8c分别为本发明实施例提供的微型压电超声换能器的制作方法在执行完各步骤后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例提供的微型压电超声换能器及其制作方法的具体实施方式进行详细地说明。

附图中各层的厚度和区域形状不反映微型压电超声换能器的真实比例，目的只是示意说明本发明内容。

本发明提供的一种微型压电超声换能器，如图2所示，包括：硅衬底100，设置在硅衬底100上的至少一个震膜结构200，该震膜结构200由凸出于硅衬底100的中空结构A和凸出于中空结构A外表面的至少一个拖尾结构B构成。

本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器，通过将震膜结构200从二维平面结构变更为三维立体的中空结构，使换能器无需支撑层的协助，凭借震膜结构200即可完成超声换能工作，因此，可以省去在硅衬底100与震膜结构200之间设置的支撑层。并且，由于震膜结构200具有三维立体的曲面，换能器工作时依靠震膜结构200产生的应变方向从横向变为了与横向具有一定角度的倾斜方向，因此，震膜结构200产生的应变可以直接贡献为垂直于硅衬底100方向的形变和震动，无需经过横向应变到垂直方向应变的转换过程，这样可以提高微型压电超声换能器的机电耦合系数，从而提高换能器能量转换效率，降低工作能耗。

具体地，在本发明在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，并不限定震膜结构200具有的拖尾结构B的数量，可以设置一个拖尾结构B，也可以设置多个拖尾结构B。并且，多个拖尾结构B可以均匀分布在中空结构A外侧，也可以仅设置在中空结构A的一端，在此不做限定。

具体地，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，如图2所示，震膜结构200中的拖尾结构B也可以设置为中空，且与中空结构A的中空部位导通。

基于此，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，可以将中空结构A和拖尾结构B设置为一体结构，即通过相同的制作工艺即可制作出震膜结构200。

并且，为了便于制作出震膜结构200的内部中空结构A，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，如图3所示，在震膜结构200的拖尾结构B远离中空结构A的侧端面可以具有开孔，通过该开孔形成中空结构A之后，还可以在开孔位置填充物质，来去除该开孔，如图2所示，使拖尾结构B远离中空结构A的侧端面处于封闭状态，在此不做限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，震膜结构200如图2所示，可以具体包括：层叠设置的第一电极层201、压电层202和第二电极层203。其中，第一电极层201和第二电极层203分别加载固定电压信号和具有一定频率的电压信号，以使压电层202根据加载的信号频率发生谐振。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，压电层202的材料可以为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅等具有压电效应的材料。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，第一电极层201和第二电极层203的材料可以为钼、钽、铝、钛、金、铂金之一或以上组合材料的层状复合结构或合金等导电材料。例如，可以是钼和铝的层状复合结构。并且，第一电极层201的材料可以与第二电极层202的材料相同，也可以不同，在此不做限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，为了便于保证震膜结构可以有效谐振，组成震膜结构200的第一电极层201、压电层202和第二电极层203形状需要保证基本一致。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，由于震膜结构200的外轮廓凸出于硅衬底100，因此，如图2和图3所示，震膜结构200的中空结构A和拖尾结构B在垂直于硅衬底100方向(竖直方向)上的截面可以为圆拱形。

基于此，具体地，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，中空结构A的具体形状可以为如图4a所示的球拱型、椭球拱型，或如图4b所示的半圆柱型；拖尾结构B可以为半圆柱型。

或者，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，由于震膜结构200的外轮廓凸出于硅衬底100，因此，中空结构A也可以为如图5a所示的锥型，或者中空结构A也可以为如图5b所示的凸台型，在此不做限定；拖尾结构B为凸台型。

并且，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，中空结构A和拖尾结构B在硅衬底100上的正投影可以如图5a所示为圆形或椭圆形，也可以如图5b所示为多边形，该多边形具体可以为三角形、四边形、五边形等。并且，多边形的各边长可以相等，也可以不等，在此不做限定。

具体地，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，如图4a和图5a所示，中空结构A在硅衬底100上正投影为圆形或椭圆形时，其正投影的最大直径d为10微米至1000微米；如图4b和图5b所示，中空结构A在硅衬底100上正投影为多边形时，其正投影的最大边长a为10微米至1000微米。拖尾结构B的尺寸随着中空结构A的尺寸增大而增大。

较佳地，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，圆形或椭圆形正投影的最大直径d为60微米为佳；多边形正投影的最大边长a为60微米为佳。

具体地，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，如图2所示，中空结构A凸出于硅衬底100的最大高度h为1微米至100微米。

较佳地，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，中空结构A凸出于硅衬底100的最大高度h为2微米为佳。

具体地，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，如图2所示，中空结构A的厚度b为0.2微米至10微米。

较佳地，在本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器中，中空结构A的厚度b为2微米为佳。

在具体实施时，采用最大直径为60微米且厚度为2微米的球拱型震膜结构为例，与直径为60微米且厚度为2微米的圆形平面震膜结构进行比较，两种震膜结构均采用同样的氮化铝材料作为压电层。仿真结果显示，如图6a所示，传统的平面震膜结构在13.01MHz频率处发生谐振，在1V电压作用下振幅为0.17nm。如图6b所示，而本发明实施例提供的球拱型震膜结构在7.46MHz频率处发生谐振，在1V电压作用下振幅达到了77nm。通过比较可以看出，本发明实施例提供的震膜结构的工作效率高出传统的平面震膜结构两个数量级，机电转换效率大大提高。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种上述微型压电超声换能器的制作方法，由于该制作方法解决问题的原理与前述一种微型压电超声换能器相似，因此该制作方法的实施可以参见微型压电超声换能器的实施，重复之处不再赘述。

本发明实施例提供的一种上述微型压电超声换能器的制作方法，如图7所示，具体包括以下步骤：

S701、在硅衬底上制作至少一个用于形成震膜结构的模具结构；

S702、在模具结构上形成震膜结构；

S703、在震膜结构的至少一个拖尾结构远离中空结构的侧端面开孔；

S704、通过开孔去除模具结构。

在具体实施时，在上述制作方法中的步骤S701在硅衬底上制作至少一个用于形成震膜结构的模具结构，具体可以采用如下方式实现：

首先，在硅衬底100上形成一模具材料层，例如可以采用硼磷硅玻璃材料实现；

之后，对模具材料层进行构图工艺，形成具有特定形状的模具结构300，如图8a所示，例如可以采用光刻-刻蚀工艺形成模具结构的具体形状，该形状与将要形成的震膜结构的中空结构和拖尾结构一致。

在具体实施时，为了使模具结构表面足够光滑，以形成光滑曲面的震膜结构，在上述制作方法中的步骤S701在形成具有特定形状的模具结构之后，还可以执行下述步骤：如图8b所示，对模具结构300加热回流，使模具结构300的外表面曲面化。

在具体实施时，在上述制作方法中的步骤S702在模具结构上形成震膜结构，具体可以通过如下方式实现：在模具结构300上依次形成第一电极层201、压电层202和第二电极层203。并且，在对震膜结构200的至少一个拖尾结构B远离中空结构A的侧端面开孔后，如图8c所示。

在具体实施时，在上述制作方法中的步骤S704通过开孔去除模具结构，具体可以通过如下方式实现：通过开孔采用刻蚀工艺去除模具结构300，如图3所示。

本发明实施例提供的上述微型压电超声换能器及其制作方法，在硅衬底上设置至少一个震膜结构，该震膜结构由凸出于硅衬底的中空结构和凸出于中空结构外表面的至少一个拖尾结构构成。通过将震膜结构从二维平面结构变更为三维立体的中空结构，使换能器无需支撑层的协助，凭借震膜结构即可完成超声换能工作，因此，可以省去在硅衬底与震膜结构之间设置的支撑层。并且，由于震膜结构具有三维立体的曲面，换能器工作时依靠震膜结构产生的应变方向从横向变为了与横向具有一定角度的倾斜方向，因此，震膜结构产生的应变可以直接贡献为垂直于硅衬底方向的形变和震动，无需经过横向应变到垂直方向应变的转换过程，这样可以提高微型压电超声换能器的机电耦合系数，从而提高换能器能量转换效率，降低工作能耗。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种微型压电超声换能器，其特征在于，包括：硅衬底，设置在所述硅衬底上的至少一个震膜结构，所述震膜结构由凸出于所述硅衬底的中空结构和凸出于所述中空结构外表面的至少一个拖尾结构构成。

2.如权利要求1所述的微型压电超声换能器，其特征在于，所述拖尾结构中空且与所述中空结构的中空部位导通。

3.如权利要求2所述的微型压电超声换能器，其特征在于，所述中空结构和所述拖尾结构为一体结构。

4.如权利要求3所述的微型压电超声换能器，其特征在于，所述震膜结构具体包括：层叠设置的第一电极层、压电层和第二电极层。

5.如权利要求2所述的微型压电超声换能器，其特征在于，所述拖尾结构远离所述中空结构的侧端面具有开孔或封闭。

6.如权利要求1-5任一项所述的微型压电超声换能器，其特征在于，所述中空结构和所述拖尾结构在垂直于所述硅衬底方向上的截面为圆拱形。

7.如权利要求6所述的微型压电超声换能器，其特征在于，所述中空结构为球拱型、椭球拱型或半圆柱型；所述拖尾结构为半圆柱型。

8.如权利要求1-5任一项所述的微型压电超声换能器，其特征在于，所述中空结构为锥型或凸台型；所述拖尾结构为凸台型。

9.如权利要求8所述的微型压电超声换能器，其特征在于，所述中空结构和所述拖尾结构在所述硅衬底上的正投影为圆形、椭圆形或多边形。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的微型压电超声换能器的制作方法，其特征在于，包括：

在硅衬底上制作至少一个用于形成震膜结构的模具结构；

在所述模具结构上形成震膜结构；

在所述震膜结构的至少一个拖尾结构远离中空结构的侧端面开孔；

通过所述开孔去除所述模具结构。

11.如权利要求10所述的制作方法，其特征在于，在硅衬底上制作至少一个用于形成震膜结构的模具结构，具体包括：

在所述硅衬底上形成一模具材料层；

对所述模具材料层进行构图工艺，形成具有特定形状的模具结构。

12.如权利要求11所述的制作方法，其特征在于，在形成具有特定形状的模具结构之后，还包括：

对所述模具结构加热回流，使所述模具结构的外表面曲面化。

13.如权利要求10-12任一项所述的制作方法，其特征在于，在所述模具结构上形成震膜结构，具体包括：

在所述模具结构上依次形成第一电极层、压电层和第二电极层。

14.如权利要求10-12任一项所述的制作方法，其特征在于，通过所述开孔去除所述模具结构，具体包括：

通过所述开孔采用刻蚀工艺去除所述模具结构。