CN110508474A - 一种混合驱动mut单元结构及其参数化激励方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合驱动MUT单元结构及其参数化激励方法，其将传统CMUT单元的塌陷工作模式与PMUT单元的驱动方式进行结合。在超声发射状态，通过施加偏置电压使得振动薄膜处于塌陷状态。同时在塌陷偏置电压基础上叠加周期信号，使得振动薄膜塌陷区域与传感器基底的贴合状态发生周期性变化，实现对振动薄膜弯曲刚度的周期性调控。同时，对其余未贴合部分薄膜，采用PMUT基于逆压电效应的超声发射方法，实现MUT单元在变刚度条件下的振动增幅，实现MUT单元的参数化激励，增加MUT单元的发射灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于超声换能器技术领域，具体涉及一种混合驱动MUT单元结构及其参数化激励方法。
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 MicromachinedUltrasonicTransducer,CMUT)和压电式微加工超声换能器(PiezoelectricMicromachinedUltrasonic 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。
尽管CMUT在带宽、机电耦合系数和接收灵敏度等性能方面具有突出优势，然而其受制于静电驱动模式，对其结构设计造成很大的限制，同时也限制了其在发射灵敏度方面的提高。
因此基于MEMS技术的微型超声换能器(Micromachined Ultrasonic Transducer,MUT)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PMUT所适用压电材料性能限制了其接收灵敏度的提高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种混合驱动MUT单元结构及其参数化激励方法，该混合驱动MUT单元结构，能够调整发射频率，参数化激励方法大幅提高输出性能。
一种混合驱动MUT单元结构，包括自上至下依次设置的振动薄膜、支柱和基底，基底上设置有凸台，基底和凸台上表面覆盖有电容下电极，电容下电极上覆盖有绝缘层，绝缘层、支柱以及振动薄膜围合形成空腔；振动薄膜包括压电上电极，压电上电极包括自内向外依次设置的外层圆环电极、中心圆环电极和内层圆环电极，中心圆环电极与内层圆环电极之间的间隙以及中心圆环电极与外层圆环电极之间的间隙始终处于空腔的平面投影区域内。
进一步的，振动薄膜包括自上至下依次设置的压电上电极、电介质层、压电下电极、薄膜结构层以及电容上电极。
进一步的，电容上电极根据所需静电作用力图形化得到。
进一步的，振动薄膜包括自上至下依次设置的薄膜结构层、压电上电极、电介质层以及压电-电容公共电极。
进一步的，电介质层采用单一压电材料AlN，PZT，ZnO或者PVDF制成。
进一步的，凸台的几何中心在压电上电极的几何中心的正下方。
进一步的，绝缘层由多层绝缘材料薄膜叠加而成。
进一步的，凸台与基底均采用单晶硅材料通过干法刻蚀工艺由整体单晶硅刻蚀而成。
一种混合驱动MUT单元结构的参数化激励方法，在电容下电极加载薄膜弯曲刚度调节信号V，薄膜弯曲刚度调节信号在偏置直流电压VDC所产生的静电吸引力的作用下，振动薄膜发生塌陷，其几何中心周围区域将与绝缘层的表面贴合，该贴合区域平面投影范围内的振动薄膜称为塌陷区域，振动薄膜除塌陷区域外的其他区域称为振动区域；同时在周期信号V0的作用下，受静电力作用塌陷区域周期性变化，带动振动区域的弯曲刚度在振动薄膜内部张力作用下周期性变化，实现结构弯曲刚度的调节；
在压电上电极的外层圆环电极、中心圆环电极和内层圆环电极上加载频率相同的周期激励信号，通过逆压电效应，实现振动区域的弯曲振动。
进一步的，中心圆环电极加载的信号为外层圆环电极与内层圆环电极均加载的信号为
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果:
1)其将传统CMUT单元的塌陷工作模式与PMUT单元的驱动方式进行结合，使本发明提出的MUT的单元具有发射频率可调控的优点。主要实现方法如下：首先施加偏置电压使得振动薄膜处于塌陷状态，通过在塌陷偏置电压基础上继续叠加周期交流电压，使得振动薄膜塌陷区域与传感器基底的贴合面积发生周期性变化，实现对振动薄膜弯曲刚度的周期性调控，从而使薄膜工作频率可调控。
2)本发明所述MUT结构简单，便于实现，采用键合工艺以及多层复合薄膜淀积工艺，是目前MEMS加工的成熟工艺；单元平面尺寸小于200um，易于排布，组成阵列，易于电连接；相对于常规超声换能器，具有尺寸小(封装后平面尺寸小于10mm*10mm)的特点，可实现便携式测量。
3)本发明的激励方法，在超声发射状态，通过施加偏置电压使得振动薄膜处于塌陷状态。同时在塌陷偏置电压基础上叠加周期信号，使得振动薄膜塌陷区域与传感器基底的贴合状态发生周期性变化，实现对振动薄膜弯曲刚度的周期性调控。同时，对其余未贴合部分薄膜，采用PMUT基于逆压电效应的超声发射方法，实现MUT单元在变刚度条件下的振动增幅，实现了采用较低的激励电压而获得数倍于传统PMUT或者CMUT的超声发射灵敏度，极大降低了MUT单元的功耗。
附图说明
图1a为实施例1示意图；
图1b为实施例2示意图；
图2a为传统振动系统的质量-刚度-阻尼振动模型；
图2b为参数化激励系统的质量-变刚度-阻尼振动模型；
图3为实施例1的工作机理示意图；
图4为施例2的工作机理示意图；
图5为采用参数化激励的MUT单元与传统激励方式的MUT单元振动薄膜振动平均位移时域比较图。
附图中：1、压电上电极，2、电介质层，3、压电-电容公共电极，4、绝缘层，5、电容下电极，6、空腔，7、薄膜结构层，8、支柱，9、基底，10、凸台，11、压电驱动模块，12、静电吸引模块，13、振动薄膜，14、外层圆环电极，15、中心圆环电极，16、内层圆环电极，17、塌陷区域，18、振动区域，3-1、压电下电极，3-2、电容上电极。箭头表示向外发射超声波。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1a，一种混合驱动MUT单元，由自上至下依次设置的压电驱动模块11、薄膜结构层7，静电吸引模块12和基底9组成，基底9中部正上方设置有凸台10。
其中压电驱动模块11包括自上至下依次设置的压电上电极1，电介质层2与压电下电极3-1。其中压电上电极1与压电下电极3-1可以根据振动薄膜13所需振型图形化。电介质层2由单一压电材料形成或者由多层压电材料结合多层绝缘层复合而成。
优选的，压电上电极1包括三个同心圆环图形，自内向外依次为外层圆环电极14、中心圆环电极15和内层圆环电极16。中心圆环电极15与内层圆环电极16之间的间隙以及中心圆环电极15与外层圆环电极14之间的间隙始终处于由支柱8与凸台10所围成的平面投影区域内。以保证内层圆环电极16、中心圆环电极15与外层圆环电极14引起的变形区域在空腔范围内。优选的，压电下电极3-1未进行图形化，可以省略光刻、刻蚀、qujiao等工艺，降低加工难度。若图形化，则加大了工艺复杂度；但是，做了图形化，将降低寄生电容。
优选的，电介质层采用单一压电材料AlN，PZT，ZnO或者PVDF。
电容吸引模块12包括电容上电极3-2，绝缘层4以及电容下电极5。其中，绝缘层4和电容下电极5均设置在支柱结构8内侧，电容下电极5下端面和支柱8的下端面齐平。电容上电极3-2可以根据所需静电作用力图形化。电容下电极5覆盖在由基底9与凸台10组成结构的上表面。所述绝缘层4覆盖于电容下电极5上表面。
凸台10叠加于基底9之上，且凸台10平面投影的几何中心与振动薄膜13平面投影的几何中心重合。
优选的，凸台10与基底9均采用单晶硅材料通过干法刻蚀工艺由整体单晶硅刻蚀而成。
所述绝缘层4由多层绝缘材料薄膜叠加而成。当基底9与凸台10所用材料的电阻率均不大于0.001Ω·cm时，电容底电极5的厚度可以为零，此时，将基底9与凸台10作为底电极。
振动薄膜13由自上至下依次设置的压电驱动模块11、薄膜结构层7和电容上电极3-2与共同构成了振动薄膜13。振动薄膜13可选用多种平面图形，例如：圆形、矩形或方形。压电驱动模块11，电容上电极3-2与薄膜结构层7三者的上下堆叠顺序可以互换。
优选的，振动薄膜13采用圆形薄膜。
振动薄膜13由支柱8支撑在由基底9与凸台10组成结构的上，绝缘层4、支柱8以及振动薄膜13围合形成空腔6。振动薄膜13与绝缘层4之间由空腔6进行隔离。
如图3所示，当振动薄膜13各层沿着厚度方向从上至下的叠放顺序为：压电上电极1，电介质层2，压电下电极3-1，薄膜结构层7与电容上电极3-2时，薄膜弯曲刚度调节信号加载于静电吸引模块12上，静电吸引模块12包括电容上电极3-2、绝缘层4和电容下电极5，其中电容上电极3-2接地；电容下电极5加载的直流偏置电压VDC叠加有频率为f0的周期信号V0；在偏置直流电压VDC所产生的静电吸引力的作用下，振动薄膜13发生塌陷，其几何中心周围区域将与覆盖在凸台10上的绝缘层4的表面贴合，该贴合区域平面投影范围内的振动薄膜13称为塌陷区域17，振动薄膜13除塌陷区域17外的其他区域称为振动区域18。同时，在周期信号V0的作用下，受静电力作用塌陷区域17按周期性变化，带动振动区域18的弯曲刚度在振动薄膜13内部张力作用下按周期性变化，实现结构弯曲刚度的调节，如图3上部右侧所示，仅电容驱动力作用下的薄膜变形示意图。
优选的，加载于电容下电极5的信号为其中，
振动激励信号加载于压电驱动模块11，其中压电下电极3-1接地，在压电上电极1的外层圆环电极14、中心圆环电极15和内层圆环电极16上加载频率相同的周期激励信号，通过逆压电效应，实现振动区域18的弯曲振动，如图3上部左侧所示，仅压电驱动力作用下的薄膜变形示意图。
优选的，压电上电极1被图形化为三个同心圆环：外层圆环电极14、中心圆环电极15、内层圆环电极16。中心圆环电极15加载信号外层圆环电极14与内层圆环电极16均加载信号且
优选的，f0＝2·f1，且
实施例2
如图1b所示，当压电驱动模块11堆叠于电容上电极3-2上方时，组成振动薄膜13各层之间沿着厚度方向从上至下的堆叠顺序为：薄膜结构层7，压电驱动模块11，电容上电极3-2；当压电驱动模块11堆叠于电容上电极3-2上方时，压电下电极3-1与电容上电极3-2可共享一层电极，上述两种电极的功能将由压电-电容公共电极3这一个电极实现。组成振动薄膜13的各层结构沿着厚度方向从上至下的堆叠顺序为：薄膜结构层7，压电上电极1，电介质层2与压电-电容公共电极3。
所述振动薄膜13由支柱结构8进行支撑，支撑在由基底9与凸台10组成结构的上，绝缘层4、支柱8以及振动薄膜13围合形成空腔6。所述振动薄膜13与绝缘层4之间由空腔6进行隔离。
混合驱动MUT单元超声发射工作机理如下：
如图2a和2b所示，所述MUT单元由两种信号共同驱动，一种为薄膜弯曲刚度调节信号，一种为振动激励信号。在这两种信号的驱动下，MUT单元由图2a所示的传统的质量-刚度-阻尼振动系统变为图2b所示的质量-变刚度-阻尼系统。图2a和图2b中，m为质量，k是刚度，c是系统阻尼，△k是刚度变化量。
如图4所示，当振动薄膜13各层沿着厚度方向从上至下的叠放顺序为：薄膜结构层7，压电上电极1，电介质层2，压电-电容公共电极3时，薄膜弯曲刚度调节信号加载于静电吸引模块12上，其中压电-电容公共电极3接地；电容下电极5加载的直流偏置电压VDC叠加有频率为f0的周期信号V0；在偏置直流电压VDC所产生的静电吸引力的作用下，振动薄膜13发生塌陷，其几何中心周围区域将与覆盖在凸台10上方的绝缘层4的表面贴合，该贴合区域平面投影范围内的振动薄膜13称为塌陷区域17，振动薄膜13除塌陷区域17外的其他区域称为振动区域18。同时，在周期信号V0的作用下，塌陷区域17面积受静电力作用按周期性变化，带动振动区域18的弯曲刚度在振动薄膜13内部张力作用下按周期性变化，实现结构弯曲刚度的调节，如图4上部右半部分所示，仅电容驱动力作用下的薄膜变形示意图；
优选的，加载于电容下电极5的信号为其中，
振动激励信号加载于压电驱动模块11，其中压电-电容公共电极3接地，压电上电极1的各个电极图形上加载频率相同的周期激励信号，通过逆压电效应，实现振动区域18的弯曲振动，如图4上部左半部分所示，仅压电驱动力作用下的薄膜变形示意图。
中心圆环电极15加载信号外层圆环电极14与内层圆环电极16均加载信号且
优选的，f0＝2·f1，且
通过MATLAB以及Comsol Multiphysics对上述超声发射机理进行仿真验证：
如图5所示，两个半径相同的所述MUT单元，在所述参数化激励方法作用情况下振动薄膜13在保证振动频率不变的情况下，其平均振幅相对于由传统激励方式驱动的MUT单元增加了220％，即其输出能力提升220％。
本发明将传统CMUT单元的塌陷工作模式与PMUT单元的驱动方式进行结合。在超声发射状态，通过施加偏置电压使得振动薄膜处于塌陷状态。同时在塌陷偏置电压基础上叠加周期信号，使得振动薄膜塌陷区域与传感器基底的贴合状态发生周期性变化，实现对振动薄膜弯曲刚度的周期性调控。同时，对其余未贴合部分薄膜，采用PMUT基于逆压电效应的超声发射方法，实现MUT单元在变刚度条件下的振动增幅，实现MUT单元的参数化激励，增加MUT单元的发射灵敏度。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)
1.一种混合驱动MUT单元结构，其特征在于，包括自上至下依次设置的振动薄膜(13)、支柱(8)和基底(9)，所述基底(9)上设置有凸台(10)，所述基底(9)和凸台(10)上表面覆盖有电容下电极(5)，所述电容下电极(5)上覆盖有绝缘层(4)，所述绝缘层(4)、支柱(8)以及振动薄膜(13)围合形成空腔(6)；所述振动薄膜(13)包括压电上电极(1)，所述压电上电极(1)包括自内向外依次设置的外层圆环电极(14)、中心圆环电极(15)和内层圆环电极(16)，所述中心圆环电极(15)与内层圆环电极(16)之间的间隙以及中心圆环电极(15)与外层圆环电极(14)之间的间隙始终处于空腔(6)的平面投影区域内。
2.根据权利要求1所述的一种混合驱动MUT单元结构，其特征在于，所述振动薄膜(13)包括自上至下依次设置的压电上电极(1)、电介质层(2)、压电下电极(3-1)、薄膜结构层(7)以及电容上电极(3-2)。
3.根据权利要求2所述的一种混合驱动MUT单元结构，其特征在于，所述电容上电极(3-2)根据所需静电作用力图形化得到。
4.根据权利要求1所述的一种混合驱动MUT单元结构，其特征在于，所述振动薄膜(13)包括自上至下依次设置的薄膜结构层(7)、压电上电极(1)、电介质层(2)以及压电-电容公共电极(3)。
5.根据权利要求2或4所述的一种混合驱动MUT单元结构，其特征在于，所述电介质层(2)采用单一压电材料AlN，PZT，ZnO或者PVDF制成。
6.根据权利要求1所述的一种混合驱动MUT单元结构，其特征在于，所述凸台(10)的几何中心在压电上电极(1)的几何中心的正下方。
7.根据权利要求1所述的一种混合驱动MUT单元结构，其特征在于，所述绝缘层(4)由多层绝缘材料薄膜叠加而成。
8.根据权利要求1所述的一种混合驱动MUT单元结构，其特征在于，所述凸台(10)与基底(9)均采用单晶硅材料通过干法刻蚀工艺由整体单晶硅刻蚀而成。
9.一种权利要求1所述的混合驱动MUT单元结构的参数化激励方法，其特征在于，在所述电容下电极(5)加载薄膜弯曲刚度调节信号V，所述薄膜弯曲刚度调节信号 在偏置直流电压VDC所产生的静电吸引力的作用下，振动薄膜(13)发生塌陷，其几何中心周围区域将与绝缘层(4)的表面贴合，该贴合区域平面投影范围内的振动薄膜(13)称为塌陷区域(17)，振动薄膜(13)除塌陷区域(17)外的其他区域称为振动区域(18)；同时在周期信号V0的作用下，受静电力作用塌陷区域(17)周期性变化，带动振动区域(18)的弯曲刚度在振动薄膜(13)内部张力作用下周期性变化，实现结构弯曲刚度的调节；
在所述外层圆环电极(14)、中心圆环电极(15)和内层圆环电极(16)上加载频率相同的周期激励信号，通过逆压电效应，实现振动区域(18)的弯曲振动。
10.根据权利要求9所述的一种混合驱动MUT单元结构的参数化激励方法，其特征在于，所述中心圆环电极(15)加载的信号为所述外层圆环电极(14)与所述内层圆环电极(16)均加载的信号为
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