CN110434044B - 一种电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs。常规CMUTs的上电极为圆形或多边形，至少覆盖悬空薄膜的中心区域；与常规CMUTs的上电极结构不同，本发明CMUTs的中空电极中心区域设置通孔，电极未覆盖悬空薄膜的中心区域。本发明所述中空电极设计可通过静电软化效应减小悬空薄膜中心与固支于支柱区域之间的薄膜区域的刚度，保持薄膜中心区域刚度不变，使得悬空薄膜发生类活塞式振动，从而增大整个悬空薄膜的平均位移，提高超声波的发射强度和接收灵敏度。本发明所提出的中空电极CMUTs解决了常规CMUTs超声发射与接收性能相互制约的问题，能有效实现超声波发射和接收性能的同时提高，且结构与工艺简单，可用于超声生物特征识别、3D超声姿态识别等空气耦合应用领域。

Description

一种电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs

技术领域

本发明涉及MEMS超声换能器技术，特别涉及一种通过电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs。

背景技术

电容式微加工超声换能器(Capacitive Micromachined UltrasonicTransducers,CMUTs)在机电耦合系数、与流体阻抗匹配、带宽、工作温度范围以及二维换能器阵列制备等方面的性能优于传统PZT超声换能器，因而成为可取代传统超声换能器的新一代超声换能器，获得广泛关注。过去20年左右的研究中，CMUTs已广泛用于3D超声成像、超声无损检测、水下超声以及超声治疗等领域，实验研究结果表明了CMUTs在实际应用中的可行性和性能优势。近年来，人工智能的迅速发展使得研发可运用于空气环境中、具有高超声波发射强度和接收灵敏度的CMUTs尤为迫切。CMUTs可利用超声波的传播特征实现超声3D生物特征识别，3D超声姿态识别以及非接触控制，在人机接口、智能机器人等领域具有可观的应用前景和不可替代的优势。由于超声波在空气中传播容易发生能量衰减，这就需要超声换能器具有高超声发射强度和高接收灵敏度。然而，目前常规CMUTs无法满足上述应用要求，因而急需发展具有高超声收发性能的CMUTs。

在开展高超声波收发性能CMUTs研究方面，斯坦福大学A.Nikoozadeh等人通过将支柱设置成窄而长、类似弹簧的柔性结构，使得CMUTs薄膜振动时形成类似活塞的运动以增大机电耦合系数，提高接收灵敏度。B.T.Khuri-Yakub等人在振动薄膜中心设计了质量块以增大薄膜的平均位移来提高输出声压和接收灵敏度。B.G.Jeong等人基于功能单元分离的思想实现了CMUT上电极和振动薄膜的分离设计，增大了输出声压和静电激励设计的灵活性。T.C.Cheng等人设计了π形CMUT结构来增大机电耦合系数，提高接收灵敏度。A.Emadi等人设计了双振动薄膜CMUT结构以提高发生功率。上述设计在一定程度上都能提高CMUT发射和接收性能，但复杂的薄膜结构会减小薄膜运动空间范围、薄膜厚度的均匀性以及单元结构的一致性，增加制备工艺复杂性。因此，有必要探索一种结构与制备工艺简单，单元一致性好，且可有效提高超声波发射与接收性能的CMUTs结构。

发明内容

为解决上述技术难题，本发明提出一种电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs，以期在实现有效提高超声波发射强度以及接收灵敏度的同时，提高单元一致性及可靠性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs，包括从上至下依次设置的中空电极、悬空薄膜、空腔、下电极绝缘层以及下电极，所述中空电极的中心区域设置从厚度方向贯穿整个中空电极的通孔，所述通孔的中心轴与空腔的中心轴重合。

所述中空电极的外圈形状与空腔的横截面形状相同，为圆形或正多边形。

所述通孔的形状为圆形或正多边形。

所述通孔的横向尺寸大于零，小于空腔的横向尺寸。

所述下电极采用低阻硅或低阻多晶硅这些导电材料。

悬空薄膜采用绝缘材料。

悬空薄膜采用导体或半导体，悬空薄膜与中空电极之间设有绝缘层。

所述绝缘层为二氧化硅或氮化硅。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)常规CMUT结构中中空电极至少覆盖悬空薄膜中心区域，薄膜中心区域变形大，刚度软化程度高，致使薄膜中心区域变形远大于薄膜中心与支柱之间薄膜区域的变形，薄膜平均位移小(不大于薄膜中心点位移的1/3)，限制了CMUTs发射声场强度和接收灵敏度的提高；本发明电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs中，中空电极中心区域设置通孔，该中空电极能够有效软化薄膜中心与支柱之间区域的薄膜刚度，增大该区域薄膜变形；同时保持薄膜中心区域刚度不变，相对地减小了中心区域薄膜变形，从而使得整个薄膜在电压激励或入射超声作用下发生类活塞式振动，因而可实现CMUTs超声发射强度和超声波接收灵敏的同时提高；

(2)相对已有研究中使用质量块、双层振动薄膜、π形CMUT结构这些设计来提高CMUTs发射声场强度或接收灵敏度的方法，本发明中在位于空腔正上方区域设有中心通孔的中空电极设计除了能够同时实现超声波发射强度和接收灵敏度的提高外，还具有结构与工艺简单、薄膜单元一致性好、可靠性高等优点。

附图说明

图1为本发明一种电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs结构，其中，图1(a)为电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs的俯视结构示意图，图1(b)为图1(a)中沿A-A剖面线的纵剖图；

图2为CMUTs工作原理示意图，其中，图2(a)为现有CMUT电场分布示意图；图2(b)为图2(a)所示CMUT薄膜变形示意图；图2(c)为本发明一实施例电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs电场分布示意图；图2(d)为图2(c)所示电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs薄膜变形示意图；

图3为本发明一种电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs环形电极的一变化结构示意图；其中，图3(a)为中空电极外圈为正方形，通孔为圆孔的结构示意图，图3(b)为中空电极外圈为正方形，通孔为正方形孔的结构示意图；

图4为本发明一种电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs环形电极的另一变化结构示意图；其中，图4(a)为中空电极内、外圈均为正六边形(对应边平行)的结构示意图，图4(b)为中空电极外圈为正六边形，内圈为圆形的结构示意图。

图5为本发明一种电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs的一变化结构示意图。

图中，1-振动薄膜，2-中空电极，2-1-通孔，3-空腔，4-支柱，5-下电极绝缘层，6-下电极，7-上电极间电极连线，8-上电极绝缘层，9-传统上电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明：

参照图1(a)和图1(b)，本发明电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs整体结构由上而下依次包括中空电极2、悬空薄膜1、空腔3、下电极绝缘层5以及下电极6，中空电极2用作上电极，中空电极2的中心区域设置有贯穿电极厚度的通孔2-1，通孔2-1的中心轴与空腔3的中心轴重合；悬空薄膜1与中空电极2一同形成CMUTs的振动薄膜，空腔3周围为支柱4，各个CMUTs单元的中空电极2之间由电极连线7连接。

参照图1所示实施例，该实施例中，单个中空电极2的整体形状为圆环形，其外径小于等于空腔3的横向尺寸，内径大于0；也即，与现有CMUTs结构(参照图2(a)和图2(b))中的电极至少覆盖悬空薄膜中心区域的设计方法不同，本发明中，中空电极2只覆盖悬空薄膜1的中心与固定于支柱4区域之间的环形区域，悬空薄膜中心区域未设置电极。中空电极2的厚度设计依据其材料导电性能，应在保证电极具有足够导电性时取最小值；中空电极2的内径和外径设计以提高整个薄膜的平均位移为目标，同时考虑对塌陷电压的影响，进行优化设计。

悬空薄膜1是指悬空于空腔3上侧的可动薄膜区域，其厚度及半径依据所需谐振频率及工作电压进行设计；其材料应选用二氧化硅、氮化硅以及碳化硅这些绝缘材料，以使得环形电极起到软化薄膜中心与固支于支柱之间区域的薄膜刚度的目的，以免整个薄膜因导电而失去了中空电极2对悬空薄膜1刚度乃至整个薄膜平均位移的调节作用。

空腔3为真空腔，其高度设计依据CMUTs所需工作电压、最大输出声波强度以及具体工艺条件而定。

绝缘层5用于实现上下电极之间的电绝缘，一般采用二氧化硅、氮化硅以及碳化硅这些绝缘材料，其厚度设计取决CMUTs工作时上下电极之间的最大电场强度，所设计的绝缘层5厚度应能保证在最大电场强度条件下不发生击穿。

支柱4用于支持悬空薄膜1，其高度取决于空腔3以及绝缘层5的厚度，采用二氧化硅、氮化硅以及碳化硅这些绝缘材料。

基底6为整个结构提供支撑，采用低阻材料，同时用作CMUTs下电极。

电极间连线7用于实现CMUTs各单元中空电极2之间的电连接，其厚度与环形电极2相同，宽度应在保证足够导电性能的条件下取最小值。

参照图2，本发明电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs的设计原理在于：如附图2(a)和图2(b)所示，常规CMUTs上电极至少覆盖悬空薄膜中心区域，在加载偏置电压后，至少薄膜中心区域受到静电力作用，在静电力作用下薄膜至少中心区域发生静电刚度软化效应，中心区域薄膜刚度减小，周围薄膜区域刚度大于中心区域薄膜刚度，又由于周围区域变形受到支柱的束缚，因此中心区域薄膜变形远大于周围区域薄膜变形，对于圆形薄膜，一般薄膜平均位移仅为中心区域位移的1/3，这限制了薄膜平均位移的提高；如附图2(c)所示，本发明电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs的上电极采用中空设计，中空电极覆盖悬空薄膜的中心与固定于支柱之间的区域(也即中空电极未覆盖悬空薄膜的中心区域)，在加载电压后，悬空薄膜上覆盖中空电极的区域在静电力作用下产生静电软化效应，刚度减小，而悬空薄膜中心区域未受到静电力作用，刚度保持不变，如此，则悬空薄膜上覆盖中空电极的区域刚度小于悬空薄膜中心区域的刚度，与现有CMUTs结构相比，如图2(c)、图2(d)在相同电压作用下，本发明电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs有利于增大悬空薄膜周围区域的变形，相对的减小悬空薄膜中心区域的变形，从而使得整个悬空薄膜形成近活塞式振动，最终得以提高整个悬空薄膜的平均位移，增大声波输出强度及接收灵敏度。

图1(a)和图1(b)所示的结构特征为本发明一种电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs的基本结构，在该基本结构基础上，本发明电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs还有如下结构变化。

如图3(a)所示，为本发明一种电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs的另一种变化结构，该结构中，中空电极2的外圈形状为方形，内圈为圆形；如图3(b)所示，为本发明一种电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs的中空电极2另一种变化结构，该结构中，中空电极2的外圈形状为方形，内圈(即通孔2-1)为方形；图3(a)和图3(b)所示结构的CMUTs中，空腔3的横截面形状与中空电极2外圈形状相同，均为方形，其它结构部分与图1(a)和图1(b)所示CMUTs的结构相同。

如图4所示，为本发明一种电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs的中空电极2另两种变化结构，该结构中，环形电极2的外圈形状为正六边形，内圈形状为正六边形(如图4(a))或圆形(如图4(b))，空腔3的形状与中空电极2外圈形状相同，均为正六边形，其它结构部分与图1(a)和图1(b)所示CMUTs的结构相同。

如图5所示，为本发明一种电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs的另一种变化结构，该结构中悬空薄膜1为导电材料，而上电极绝缘层8采用绝缘材料，以防止中空电极2与悬空薄膜1导通致使设计失效。该结构其它部分设计与图1(a)和图1(b)所示结构相同。

本发明所提出的一种电极形状调控的高超声波收发性能CMUTs结构解决了常规CMUTs超声发射与接收性能相互制约的问题，能有效实现超声波发射和接收性能的同时提高，且结构与工艺简单，可用于超声生物特征识别、3D超声姿态识别等空气耦合应用领域。

以上所述仅为本发明的几种实施方式，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 (8)

1.一种利用中空电极提高CMUTs悬空薄膜平均位移的方法，其特征在于，所述CMUTs包括从上至下依次设置的中空电极(2)、悬空薄膜(1)、空腔(3)、下电极绝缘层(5)以及下电极(6)，所述中空电极(2)在其中心区域设置从厚度方向贯穿整个中空电极的通孔(2-1)，所述通孔(2-1)的中心轴与空腔(3)的中心轴重合；

通过加载电压，所述中空电极(2)能够软化悬空薄膜(1)中心与CMUTs的支柱之间区域的悬空薄膜(1)的刚度，增大悬空薄膜(1)在该区域的变形；同时保持悬空薄膜(1)中心区域刚度不变，减小了悬空薄膜(1)中心区域的变形，从而使得整个悬空薄膜形成近活塞式振动。

2.根据权利要求1所述的一种利用中空电极提高CMUTs悬空薄膜平均位移的方法，其特征在于，中空电极(2)的外圈形状与空腔(3)的横截面形状相同，为圆形或正多边形。

3.根据权利要求1所述的一种利用中空电极提高CMUTs悬空薄膜平均位移的方法，其特征在于，通孔(2-1)的形状为圆形或正多边形。

4.根据权利要求1所述的一种利用中空电极提高CMUTs悬空薄膜平均位移的方法，其特征在于，通孔(2-1)的横向尺寸大于零，小于空腔(3)的横向尺寸。

5.根据权利要求1所述的一种利用中空电极提高CMUTs悬空薄膜平均位移的方法，其特征在于，所述下电极(6)采用低阻硅或低阻多晶硅。

6.根据权利要求1所述的一种利用中空电极提高CMUTs悬空薄膜平均位移的方法，其特征在于，悬空薄膜(1)采用绝缘材料。

7.根据权利要求1所述的一种利用中空电极提高CMUTs悬空薄膜平均位移的方法，其特征在于，悬空薄膜(1)采用导体或半导体，悬空薄膜(1)与中空电极(2)之间设有绝缘层。

8.根据权利要求7所述的一种利用中空电极提高CMUTs悬空薄膜平均位移的方法，其特征在于，所述绝缘层为二氧化硅或氮化硅。

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