CN109092649A - 静电-压电混合驱动收发一体化cmut及其使用方法和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了静电‑压电混合驱动收发一体化CMUT及其使用方法和制备方法，其支柱采用压电材料，可在正反极性电压作用下产生伸缩变形或振动；CMUT从上至下依次包括上电极、振动薄膜、压电支柱、绝缘层及下电极。下电极和上电极覆盖整个空腔和压电支柱区域。用作超声波发射换能器时，加载正向极性直流偏置电压，压电支柱拉伸，空腔高度增加，可增大振动薄膜位移空间、提高输出声压，叠加交流电压后，振动薄膜及压电支柱均发生振动，发射超声波；用作超声波接收换能器时，加载反向极性直流偏置电压，压电支柱压缩，空腔高度减小，可提高电容变化量及接收灵敏度，当超声波入射时，振动薄膜和压电支柱均发生振动，产生可探测的电信号，实现超声波接收。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS超声换能器技术领域，特别涉及一种静电-压电混合驱动收发一体化CMUT及其使用方法和制备方法。
背景技术
基于MEMS技术的微型超声换能器(Micromachined Ultrasonic Transducer,MUT)因具有微型化、与流体阻抗匹配特性好、可实现批量化制备、易于实现二维阵列加工以及易于与ICs集成等特点，在即时超声成像与治疗(Point of Care Diagnostics,POC)、超声生物特征识别、3D超声姿态识别与非接触控制等前沿应用领域具有巨大应用潜力。微型超声换能器主要包括电容式微加工超声换能器(Capacitive Micromachined UltrasonicTransducer,CMUT)和压电式微加工超声换能器(Piezoelectric MicromachinedUltrasonic Transducer,PMUT)两大类。相对于CMUT，基于AlN、ZnO等压电材料、采用弯曲振动模式的PMUT在低功耗应用领域具有突出优势，但由于AlN、ZnO材料的压电系数远小于PZT材料，导致PMUT机电耦合系数、带宽、发射以及接收灵敏度等性能还远落后于CMUT。虽然部分研究者通过结构设计来提高PMUT性能，但仍未获得根本性改善。相比之下，CMUT具有更多性能优势，已被广泛用于超声成像与治疗、超声指纹识别等领域的实验研究，其可行性得到很好验证。
尽管CMUT在带宽、机电耦合系数、发射和接收灵敏度等性能方面具有突出优势，然而其在即时超声成像与治疗、超声生物特征识别、3D超声姿态识别与非接触控制等前沿技术领域仍面临亟待解决的技术难题：
(1)即时超声成像、3D超声姿态识别等技术要求超声换能器具有低工作电压、低功耗和便携性。例如，超声指纹识别技术需要超声换能器的功耗在mW甚至更低级别，以便与手机等电子器件集成使用后降低整机功耗，提高待机时间，而目前常规的CMUT工作电压大、功耗高，工作时所需加载的高直流偏置电压(几十至几百伏不等)限制了其在便携式、低功耗以及长期在线检测方面的应用；
(2)理想的超声换能器应同时具有很好的超声波发射和超声波接收性能。但目前常规的CMUT需要分离设计以获得优越的超声波发射或接收性能。CMUT用作超声波发射器时需要设计大空腔高度，以增大超声波输出声压，而用作超声波接收器时需要设计小空腔高度，以增大接收灵敏度。同一CMUT超声波输出声压和接收灵敏度相互制约，无法同时实现高性能超声波发射与接收。
发明内容
为一并解决上述技术难题，本发明提出一种静电-压电混合驱动收发一体化CMUT及其使用方法和制备方法，本发明CMUT相较于现有CMUT降低了工作电压，减小了功耗，能够实现高性能超声发射和接收换能器的一体化设计与制备。
本发明采用的技术方案如下：
静电-压电混合驱动收发一体化CMUT，包括上电极、振动薄膜、空腔、压电支柱、绝缘层和下电极，压电支柱由压电材料制成，空腔沿压电支柱的厚度方向贯穿压电支柱，振动薄膜、压电支柱和下电极自上而下依次设置并一道将空腔密封；绝缘层设置于下电极的上表面并处于空腔对应的区域内，绝缘层的外边缘与压电支柱的内侧面之间具有间隙。
优选的，压电支柱采用PZT压电材料、AlN压电材料、PVDF压电材料或ZnO压电材料。
优选的，绝缘层的外边缘与压电支柱内侧面之间的间隙为压电支柱工作过程中最大横向应变的至少一半。
优选的，下电极为低阻导电材料，电阻率不大于0.001Ω·cm；绝缘层采用SiO2绝缘材料或Si3N4绝缘材料。
优选的，当振动薄膜不导电时，上电极覆盖整个振动薄膜区域，该区域包括空腔上侧悬空的振动薄膜区域以及固定于压电支柱上侧的振动薄膜区域。
优选的，当振动薄膜能够导电时，振动薄膜同时用作上电极。
优选的，下电极应覆盖整个空腔区域以及压电支柱区域。
静电-压电混合驱动收发一体化CMUT的使用方法：
所述静电-压电混合驱动收发一体化CMUT用作超声波发射换能器，使用过程如下：
对静电-压电混合驱动收发一体化CMUT加载正向极性直流偏置电压，此时压电支柱拉伸，空腔的高度增大，空腔的高度大于在无电压作用下的初始空腔高度，再对静电-压电混合驱动收发一体化CMUT叠加交流电压，振动薄膜发生振动，实现超声波的发射；
所述静电-压电混合驱动收发一体化CMUT用作超声波接收换能器，使用过程如下：
对静电-压电混合驱动收发一体化CMUT加载反向极性直流偏置电压，此时压电支柱压缩，空腔高度减小，空腔高度小于在无电压作用下的初始空腔高度，在入射超声波作用下，振动薄膜发生振动，产生可探测的电信号，实现超声波的接收。
静电-压电混合驱动收发一体化CMUT的制备方法，包括如下步骤：
(1)取一低阻单晶硅片，采用氧化技术或化学气相沉积技术在单晶硅片表面生成二氧化硅层，剩余单晶硅则形成下电极；
(2)光刻，图形化单晶硅上表面二氧化硅层；再刻蚀二氧化硅，刻蚀停止于单晶硅上表面，形成绝缘层；
(3)在单晶硅上表面生成压电材料层，压电材料覆盖绝缘层和裸露的单晶硅表面；
(4)光刻，图形化压电材料层，再刻蚀压电材料层，刻蚀停止于二氧化硅层和单晶硅表面，形成压电支柱；另取一SOI片，清洗备用；
(5)对SOI片顶层硅以及压电支柱表面进行活化处理，将SOI片顶层硅和压电支柱进行真空熔融键合，此时将空腔密封；
(6)采用化学机械抛光法首先去除80％的SOI片基底硅，再用湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术，刻蚀剩余20％的基底硅，刻蚀停止于SOI片埋层二氧化硅；再采用湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术刻蚀SOI片埋层二氧化硅，释放SOI片顶层硅，形成振动薄膜；
(7)再在振动薄膜表面溅射金属层，光刻，刻蚀形成上电极和电极焊盘。
优选的，所述步骤(4)和步骤(5)的另一变化工艺为：
所述步骤(4)中，取一SOI片，清洗，再在SOI片顶层硅表面溅射氧化铝过渡层；
所述步骤(5)中，对SOI片顶层硅表面的氧化铝过度层与压电支柱表面进行活化处理，再将SOI片顶层硅上表面氧化铝过度层和压电支柱进行真空熔融键合，此时将空腔密封。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明静电-压电混合驱动收发一体化CMUT的支柱采用压电材料，支柱即为压电支柱；压电支柱可在正反极性偏置电压作用下产生伸缩变形；从而可使得用于超声波发射器时，空腔高度增大以提高发射声压；用于超声波接收器时，空腔高度减小以提高接收灵敏度，实现高性能超声波发射和接收CMUT的一体化设计；
除了通过正反极性电压来调节空腔高度外，本发明静电-压电混合驱动收发一体化CMUT在交流电压激励和入射超声波作用下，压电支柱也发生振动，薄膜振动为悬空于空腔区域上侧的振动薄膜在静电力作用下弯曲振动和压电支柱一维振动的叠加，从而相比于只有振动薄膜弯曲振动的常规CMUT，本发明一体化CMUT的薄膜振动位移可得到有效提高，因此，本发明CMUT用作超声波发射器时可进一步增大发射声压，用于超声波接收器时可进一步提高接收灵敏度；因此，本发明解决了现有CMUT均采用SiO2、Si3N4等非压电材料，其支柱高度固定不变，无法同时作用高性能超声波发射和高性能超声接收，需分离设计与制备的难题；
本发明静电-压电混合驱动收发一体化CMUT的压电支柱在上下电极间电场作用下可发生振动产生有效能量转化，从而将常规CMUT支柱区域的寄生电容转化为有效电容，进而可有效提高机电耦合系数，提高换能器发射和接收灵敏度；解决了常规CMUT支柱采用SiO2、Si3N4等非压电材料，支柱在上下电极间电场作用下不产生有效能量转化，支柱区域电容为寄生电容，从而致使机电耦合系数低的难题；
由于本发明静电-压电混合驱动收发一体化CMUT可有效提高机电耦合系数，其在低电压作用下就可获得常规CMUT在偏置电压为塌陷电压的90％以上时的机电耦合系数，因此，可在保证机电耦合系数与常规CMUT机电耦合系数相当的条件下降低偏置电压、减小功耗；
由于本发明一体化CMUT的绝缘层的外边缘与压电支柱的内侧面之间具有间隙，该间隙能够避免绝缘层对压电支柱在电压激励下的变形产生影响；
本发明上电极覆盖于整个振动薄膜区域，该区域包括空腔上侧悬空的振动薄膜区域以及固定于压电支柱上侧的振动薄膜区域，因此，能够利用压电支柱可产生有效能量转化的特点，提高机电耦合系数及发射和接收灵敏度；与采用SiO2、Si3N4等非压电材料的常规CMUT不同，即常规CMUT需要图形化上电极，仅覆盖空腔上侧振动薄膜区域，以减小支柱区域上下电极引起无效电容(寄生电容)。
由本发明静电-压电混合驱动收发一体化CMUT得有益效果可知，本发明的静电-压电混合驱动收发一体化CMUT的使用方法简便，可操作性强，使得本发明CMUT在不同使用条件下可被用作超声波发射换能器或超声波接收换能器，扩展了本发明CMUT的用途。
由本发明静电-压电混合驱动收发一体化CMUT的有益效果可知，本发明制备的静电-压电混合驱动收发一体化CMUT，相较于现有CMUT降低了工作电压，减小了功耗，能够实现高性能超声发射和接收换能器的一体化设计与制备。
附图说明
图1为本发明压电-静电混合驱动收发一体化CMUT的结构示意图(纵向剖面图)；
图2为本发明压电-静电混合驱动收发一体化CMUT的一种变化结构示意图(纵向剖面图)；
图3为本发明压电-静电混合驱动收发一体化CMUT的工作原理图，其中(a)为在无外力作用时简化力学原理示意图，(b)为正向电压作用下压电支柱拉伸、空腔高度增加的示意图，(c)为反向压力作用下压电支柱压缩、空腔高度减小的示意图；
图4为本发明压电-静电混合驱动收发一体化CMUT的制备工艺流程图；
图5为本发明压电-静电混合驱动收发一体化CMUT的制备工艺流程中步骤(4)和步骤(5)的变化工艺方案流程图。
图中的标号如下表示：
| 1 | 上电极 | 2 | 振动薄膜 |
| 3 | 空腔 | 4 | 压电支柱 |
| 5 | 绝缘层 | 6 | 下电极 |
| 7 | 二氧化硅层 | 8 | 压电材料层 |
| 9 | 电极焊盘 | 10 | 氧化铝过渡层 |
| 11 | SOI片 |
具体实施方式
以下，结合附图和实施例来对本发明进行详细说明：
如图1所示，本发明的静电-压电混合驱动收发一体化CMUT，包括上电极1、振动薄膜2、空腔3、压电支柱4、绝缘层5和下电极6；
其中，压电支柱4由压电材料制成，压电支柱4采用PZT压电材料、AlN压电材料、PVDF压电材料或ZnO压电材料；且主要使用其d33压电系数，也即压电支柱区域电场方向和支柱伸缩振动方向一致。采用压电支柱4的目的是：在正反极性电压作用下可产生伸缩变形进而改变空腔高度，调节输出声压和接收灵敏度，其高度尺寸设计以该CMUT所要达到的超声波输出声压和接收灵敏度的调节范围为依据，其宽度设计需综合考虑空腔横向尺寸，以提高整个CMUT机电耦合系数；
下电极6为低阻导电材料，电阻率不大于0.001Ω·cm，且需同时覆盖压电支柱区域和空腔区域；下电极6覆盖整个空腔3区域以及压电支柱4区域；
空腔3沿压电支柱4的厚度方向贯穿压电支柱4，振动薄膜2、压电支柱4和下电极6自上而下依次设置并一道将空腔3密封；振动薄膜2不导电，上电极1为金属电极并覆盖整个振动薄膜2区域，该区域包括空腔3上侧悬空的振动薄膜区域以及固定于压电支柱4上侧的振动薄膜区域；上电极1和振动薄膜2的设计需综合考虑塌陷电压、谐振频率等因素；
绝缘层5设置于下电极6的上表面并处于空腔3对应的区域内，绝缘层5的外边缘与压电支柱4的内侧面之间具有间隙，绝缘层5的外边缘与压电支柱4内侧面之间的间隙为压电支柱4工作过程中最大横向应变的至少一半，绝缘层5采用SiO2绝缘材料或Si3N4绝缘材料，其厚度尺寸应该保证在工作过程中不发生击穿而致使上下电极短路；
空腔3的形状为圆形、长方形或正多边形，绝缘层5的形状与空腔3的形状相同，绝缘层5的中心与空腔3的中心重合。
图2所示为本发明压电-静电混合驱动收发一体化CMUT的一种变化结构，该变化结构与图1所示结构的不同之处在于：振动薄膜2采用低阻导电材料，此时无需在振动薄膜2上表面设置上电极1，即振动薄膜2同时作用振动薄膜和上电极，该变化结构的其余部分与图1所示结构相同。
参照图3(a)～图3(c)，本发明静电-压电混合驱动收发一体化CMUT的使用方法，其过程如下：
参照图3(a)，当未对本发明静电-压电混合驱动收发一体化CMUT加载电压时，空腔3的初始空腔高度为d0；参照图3(b)，当本发明静电-压电混合驱动收发一体化CMUT用作超声波发射换能器时，对CMUT加载正向极性偏置直流电压，此时压电支柱4拉伸(图3(b)中将压电支柱4看作可被拉伸的弹簧)，空腔3的高度增大为d1，d1大于在无电压作用下的初始空腔高度d0，因而可增大振动薄膜2的最大位移空间，从而可提高振动薄膜振动幅值及输出声压，再对静电-压电混合驱动收发一体化CMUT叠加交流电压，振动薄膜2在空腔区域的静电场和支柱区域的逆压电效应的共同驱动下发生振动，发射超声波；
参照图3(c)，当本发明静电-压电混合驱动收发一体化CMUT用作超声波接收换能器时，仅需对CMUT加载反向极性直流偏置电压，此时压电支柱4压缩(图3(c)中将压电支柱4看作可被压缩的弹簧)，空腔3高度减小为d2，d2小于在无电压作用下的初始空腔高度d0，电容增大，因而可提高接收灵敏度，在入射超声波作用下，振动薄膜2以及压电支柱均发生振动，产生可探测的电信号，实现超声波的接收。
参照图4和图5，本发明的静电-压电混合驱动收发一体化CMUT的制备方法，本方法是以图1所示的结构为例进行说明，具体包括如下步骤：
(1)取一低阻单晶硅片(电阻率小于0.001Ω·cm)，采用氧化技术或化学气相沉积(CVD)技术在单晶硅片表面生成二氧化硅层7，剩余单晶硅则形成下电极6；
(2)光刻，图形化单晶硅上表面二氧化硅层7；再刻蚀二氧化硅，刻蚀停止于单晶硅上表面，形成绝缘层5；
(3)采用磁控溅射技术在单晶硅上表面生成AlN压电材料层8，压电材料覆盖绝缘层5和裸露的单晶硅表面；
(4)光刻，图形化压电材料层8，再刻蚀压电材料层8，刻蚀停止于二氧化硅层5和单晶硅表面，形成压电支柱4；另取一SOI片，清洗备用；
(5)对SOI片顶层硅以及压电支柱4表面进行活化处理，将SOI片顶层硅和压电支柱4进行真空熔融键合，此时将空腔3密封；
(6)采用化学机械抛光法首先去除80％的SOI片基底硅，再用湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术，刻蚀剩余20％的基底硅，刻蚀停止于SOI片埋层二氧化硅；再采用湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术刻蚀SOI片埋层二氧化硅，释放SOI片顶层硅，形成振动薄膜2；
(7)再在振动薄膜2表面溅射金属层，光刻，刻蚀形成上电极1和电极焊盘9。
为提高SOI片顶层硅与AlN压电支柱之间的键合强度，上述制备方法中步骤(4)及步骤(5)还可有以下变化：
(4)光刻，图形化压电材料层8，刻蚀压电材料层8，刻蚀停止于二氧化硅层和单晶硅表面，形成压电支柱4；另取一SOI片，清洗，在SOI片顶层硅表面溅射氧化铝过渡层10；
(5)将SOI片顶层硅上表面氧化铝过度层10和压电支柱4进行真空熔融键合，此时将空腔3密封。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.静电-压电混合驱动收发一体化CMUT，其特征在于，包括上电极(1)、振动薄膜(2)、空腔(3)、压电支柱(4)、绝缘层(5)和下电极(6)，压电支柱(4)由压电材料制成，空腔(3)沿压电支柱(4)的厚度方向贯穿压电支柱(4)，振动薄膜(2)、压电支柱(4)和下电极(6)自上而下依次设置并一道将空腔(3)密封；绝缘层(5)设置于下电极(6)的上表面并处于空腔(3)对应的区域内，绝缘层(5)的外边缘与压电支柱(4)的内侧面之间具有间隙。
2.根据权利要求1所述的静电-压电混合驱动收发一体化CMUT，其特征在于，压电支柱(4)采用PZT压电材料、AlN压电材料、PVDF压电材料或ZnO压电材料。
3.根据权利要求1所述的静电-压电混合驱动收发一体化CMUT，其特征在于，绝缘层(5)的外边缘与压电支柱(4)内侧面之间的间隙为压电支柱(4)工作过程中最大横向应变的至少一半。
4.根据权利要求1所述的静电-压电混合驱动收发一体化CMUT，其特征在于，下电极(6)为低阻导电材料，电阻率不大于0.001Ω·cm；绝缘层(5)采用SiO2绝缘材料或Si3N4绝缘材料。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的静电-压电混合驱动收发一体化CMUT，其特征在于，当振动薄膜(2)不导电时，上电极(1)覆盖整个振动薄膜(2)区域，该区域包括空腔(3)上侧悬空的振动薄膜区域以及固定于压电支柱(4)上侧的振动薄膜区域。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的静电-压电混合驱动收发一体化CMUT，其特征在于，当振动薄膜(2)能够导电时，振动薄膜(2)同时用作上电极。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的静电-压电混合驱动收发一体化CMUT，其特征在于，下电极(6)覆盖整个空腔(3)区域以及压电支柱(4)区域。
8.权利要求1所述的静电-压电混合驱动收发一体化CMUT的使用方法，其特征在于：
所述静电-压电混合驱动收发一体化CMUT用作超声波发射换能器，使用过程如下：
对静电-压电混合驱动收发一体化CMUT加载正向极性直流偏置电压，此时压电支柱(4)拉伸，空腔(3)的高度增大，空腔(3)的高度大于在无电压作用下的初始空腔高度，再对静电-压电混合驱动收发一体化CMUT叠加交流电压，振动薄膜(2)发生振动，发射超声波；
所述静电-压电混合驱动收发一体化CMUT用作超声波接收换能器，使用过程如下：
对静电-压电混合驱动收发一体化CMUT加载反向极性直流偏置电压，此时压电支柱(4)压缩，空腔(3)高度减小，空腔(3)高度小于在无电压作用下的初始空腔高度，在入射超声波作用下，振动薄膜(2)发生振动，产生可探测的电信号，实现超声波的接收。
9.静电-压电混合驱动收发一体化CMUT的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取一低阻单晶硅片，采用氧化技术或化学气相沉积技术在单晶硅片表面生成二氧化硅层(7)，剩余单晶硅则形成下电极(6)；
(2)光刻，图形化单晶硅上表面二氧化硅层(7)；再刻蚀二氧化硅，刻蚀停止于单晶硅上表面，形成绝缘层(5)；
(3)在单晶硅上表面生成压电材料层(8)，压电材料覆盖绝缘层(5)和裸露的单晶硅表面；
(4)光刻，图形化压电材料层(8)，再刻蚀压电材料层，刻蚀停止于二氧化硅层和单晶硅表面，形成压电支柱(4)；另取一SOI片，清洗备用；
(5)对SOI片顶层硅以及压电支柱(4)表面进行活化处理，将SOI片顶层硅和压电支柱(4)进行真空熔融键合，此时将空腔(3)密封；
(6)采用化学机械抛光法首先去除80％的SOI片基底硅，再用湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术刻蚀剩余20％的基底硅，刻蚀停止于SOI片埋层二氧化硅；再采用湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术刻蚀SOI片埋层二氧化硅，释放SOI片顶层硅，形成振动薄膜(2)；
(7)再在振动薄膜(2)表面溅射金属层，光刻，刻蚀形成上电极(1)和电极焊盘(9)。
10.静电-压电混合驱动收发一体化CMUT的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取一低阻单晶硅片，采用氧化技术或化学气相沉积技术在单晶硅片表面生成二氧化硅层(7)，剩余单晶硅则形成下电极(6)；
(2)光刻，图形化单晶硅上表面二氧化硅层(7)；再刻蚀二氧化硅，刻蚀停止于单晶硅上表面，形成绝缘层(5)；
(3)在单晶硅上表面生成压电材料层(8)，压电材料覆盖绝缘层(5)和裸露的单晶硅表面；
(4)光刻，图形化压电材料层(8)，再刻蚀压电材料层，刻蚀停止于二氧化硅层和单晶硅表面，形成压电支柱(4)；另取一SOI片，清洗，再在SOI片顶层硅表面溅射氧化铝过渡层(10)；
(5)对SOI片顶层硅表面的氧化铝过度层(10)与压电支柱(4)表面进行活化处理，再将SOI片顶层硅上表面氧化铝过度层(10)和压电支柱(4)进行真空熔融键合，此时将空腔(3)密封；
(6)采用化学机械抛光法首先去除80％的SOI片基底硅，再用湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术刻蚀剩余20％的基底硅，刻蚀停止于SOI片埋层二氧化硅；再采用湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术刻蚀SOI片埋层二氧化硅，释放SOI片顶层硅，形成振动薄膜(2)；
(7)再在振动薄膜(2)表面溅射金属层，光刻，刻蚀形成上电极(1)和电极焊盘(9)。
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