CN111013993B - 压电超声换能器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电超声换能器及其制造方法，其涉及超声传感器技术领域，所述压电超声换能器包括：硬质基层和预设超声频率振动的隔膜层；所述隔膜层包括第一电极层、第二电极层以及设置于第一电极层和第二电极层之间的压电层；所述硬质基层设置有凹槽，所述凹槽与所述隔膜层构成一全封闭式或半封闭式的空腔；所述隔膜层的力学中性层高于或低于所述压电层的物理中心层，以使得当所述第一电极层和/或所述第二电极层施加一电学激励时，所述隔膜层能产生预设幅度的位移而产生超声波。本申请能够简化结构，在此压电超声换能器结构简化的前提下，可减少其制作工艺的步骤。

Description

压电超声换能器及其制造方法

技术领域

本发明涉及超声传感器技术领域，特别涉及一种压电超声换能器及其制造方法。

背景技术

超声波传感器被广泛应用于消费电子、机器人、无人机等领域，主要用于距离测量，位置跟踪，人员检测和避障等。超声波飞行时间(ToF)传感器在汽车、工业应用、无人机和机器人应用中通常被认为是最佳的距离传感器。相比光学或红外传感器，它具有诸多优点，例如它能提供最精确的距离测量，不受目标物体的大小或颜色的影响，不受环境噪声的干扰，可以在阳光直射的环境中使用。

但是，常规的超声传感器都是利用体材料加工制作得到的，体积较大。再加上复杂的信号处理系统，整个模块对于消费电子产品来说都偏大。因此，将超声波传感器与处理系统集成于同一芯片是一个较好的选择。压电超声换能器(PMUT)利用微机电系统(MEMS)技术制作得到，与信号处理电路集成于同一芯片后，相较于常规的超声模块，系统总体积大大缩小。

为使PMUT产生弯曲和振动从而产生声波，通常会在PMUT第二电极层下方额外增加一层弹性层而使得整个PMUT产生预设频率的振动。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种压电超声换能器及其制造方法，其能够简化结构，在此压电超声换能器结构简化的前提下，可减少其制作工艺的步骤；在简化压电超声换能器的结构和制作工艺的同时，压电超声换能器的以超声频率振动时的振幅还能达到预设强度。

本发明实施例的具体技术方案是：

一种压电超声换能器，所述压电超声换能器包括：硬质基层和预设超声频率振动的隔膜层；所述隔膜层包括第一电极层、第二电极层以及设置于第一电极层和第二电极层之间的压电层；所述硬质基层设置有凹槽，所述凹槽与所述隔膜层构成一全封闭式或半封闭式的空腔；所述隔膜层的力学中性层高于或低于所述压电层的物理中心层，以使得当所述第一电极层和/或所述第二电极层施加一电学激励时，所述隔膜层能产生预设幅度的位移而产生超声波。

优选地，所述凹槽与所述第二电极层构成一全封闭式或半封闭式的所述空腔，所述第二电极层的面积大于所述第一电极层的面积。

优选地，所述凹槽与所述第二电极层构成一全封闭式或半封闭式的所述空腔，所述第一电极层的厚度小于所述第二电极层的厚度。

优选地，所述第二电极层的厚度为0.1μm至0.8μm之间。

优选地，所述空腔的半径范围在1μm至500μm之间。

优选地，所述隔膜层的厚度在1μm至3μm之间。

优选地，当所述第一电极层的材料为Mo，所述压电层的的材料为AlN时，所述第一电极层的厚度为0.1μm，所述压电层的厚度为0.5μm。

优选地，所述第一电极层的位置的垂直投影位于所述空腔的区域内。

优选地，所述压电超声换能器具有一开孔直通至所述第二电极层，所述开孔的位置与所述空腔的位置相错开。

优选地，所述压电超声换能器应用于非接触式压电超声传感器。

一种压电超声换能器的制造方法，所述压电超声换能器的制造方法包括：

在硬质基层的一侧通过沉积形成第二电极层；

在所述第二电极层上远离所述硬质基层一侧形成压电层；

在所述压电层上远离所述第二电极层一侧形成第一电极层；

在所述硬质基层上形成所述硬质基层的凹槽，以使所述凹槽与所述第二电极层构成半封闭/全封闭的空腔。

优选地，在与所述空腔错开的位置形成一开孔直通至所述第二电极层。

优选地，在所述硬质基层上形成凹槽之后，将牺牲材料填充满所述凹槽；在所述凹槽填充满所述牺牲材料之后，在所述硬质基层的具有所述凹槽的一侧通过沉积形成所述第二电极层，并通过刻蚀使得所述第二电极层不完全覆盖所述牺牲材料；在所述第二电极层上远离所述硬质基层一侧和所述牺牲材料远离所述硬质基层一侧沉积形成压电层；

在与所述凹槽错开的位置形成一开孔直通至所述第二电极层；

在所述压电层上形成一孔洞直通所述牺牲材料；

通过所述孔洞对所述牺牲材料进行刻蚀以形成空的凹槽，所述凹槽与所述第二电极层构成空腔。

本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

在本申请中隔膜层相对传统的压电超声换能器的隔膜层更为简化，该隔膜层包括第一电极层、第二电极层以及第一电极层和第二电极层之间的压电层，并不包括传统的压电超声换能器的隔膜层中的弹性层。利用将这三层构成的隔膜层的力学中性层高于或者低于压电层的物理中心层，使得在该压电超声换能器接收一外部激励电压时，该隔膜层也可以产生预设幅度的位移，而使该压电超声换能器产生超声波。这样可以有效简化压电超声换能器的结构及其制作工艺，进一步地，可降低压电超声换能器的成本。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明实施例中压电超声换能器在第一种实施方式下的结构示意图；

图2为本发明实施例中压电超声换能器在第一种实施方式下的俯视图；

图3为本发明实施例中压电超声换能器在第二种实施方式下的结构示意图；

图4为本发明实施例中压电超声换能器在第二种实施方式下的俯视图；

图5a至图5e为第一种实施方式下的压电超声换能器的制造过程示意图；

图6a至图6g为第二种实施方式下的压电超声换能器的制造过程示意图；

图7为现有的压电超声换能器的振动-频率特性曲线；

图8为本申请中的压电超声换能器的振动-频率特性曲线；

图9为本发明实施例中压电超声换能器的第二电极层在不同厚度下的振动位移对比图；

图10为物体两侧施加力时不会产生弯曲的示意图；

图11为压电超声换能器的工作原理示意图。

以上附图的附图标记：

1、硬质基层；11、空腔；2、第二电极层；3、压电层；31、开孔；32、孔洞；4、第一电极层；5、牺牲材料。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了能够简化结构，在此压电超声换能器结构简化的前提下，减少其制作工艺的步骤，在简化压电超声换能器的结构和制作工艺的同时，压电超声换能器的以超声频率振动时的振幅还能达到预设强度，在本申请中提出了一种压电超声换能器，图1为本发明实施例中压电超声换能器在第一种实施方式下的结构示意图，图2为本发明实施例中压电超声换能器在第一种实施方式下的俯视图，图3为本发明实施例中压电超声换能器在第二种实施方式下的结构示意图，图4为本发明实施例中压电超声换能器在第二种实施方式下的俯视图，如图1至图4所示，本申请实施例中的压电超声换能器可以包括：硬质基层1和预设超声频率振动的隔膜层；所述隔膜层包括第一电极层4、第二电极层2以及设置于第一电极层4和第二电极层2之间的压电层3；所述硬质基层1设置有凹槽，所述凹槽与所述隔膜层构成一全封闭式或半封闭式的空腔11；所述隔膜层的力学中性层高于或低于所述压电层3的物理中心层，以使得当所述第一电极层4和/或所述第二电极层2施加一电学激励时，所述隔膜层能产生预设幅度的位移而产生超声波。

在本申请中隔膜层相对传统的压电超声换能器的隔膜层更为简化，该隔膜层包括第一电极层4、第二电极层2以及第一电极层4和第二电极层2之间的压电层，并不包括传统的压电超声换能器的隔膜层中的弹性层。利用将这三层构成的隔膜层的力学中性层高于或者低于压电层3的物理中心层，使得在该压电超声换能器接收一外部激励电压时，该隔膜层也可以产生预设幅度的位移，而使该压电超声换能器产生超声波。这样可以有效简化压电超声换能器的结构及其制作工艺，进一步地，可降低压电超声换能器的成本。

如图1所示，当整个硬质基层的凹槽是穿透硬质基层1的厚度时，那么该隔膜层和硬质基层1构成为一半封闭式空腔，如图1中空腔11所示。如图3所示，硬质基层1中内设置的凹槽深度并未穿透整个硬质基层1时，那隔膜层与硬质基层1实则构成了全封闭式的空腔11。

如图1和图3所示，隔膜层中压电层3位于第一电极层4和第二电极层2之间；隔膜层的力学中性层低于或者高于压电层的物理中心层，以使得当压电超声换能器的第一电极层4和/或第二电极层2施加一电学激励时，隔膜层产生预设幅度的位移而产生超声波。

需要进一步解释的是，压电层的物理中心层，也即是指压电层的几何中心层。为使三层结构的隔膜层的力学中性层与压电层的物理中心层不重合，可以将第一电极和第二电极的厚度设置为不同，或者将压电层材料设置为由多种不同的材料构成或者将第一电极或者第二电极的材料设置为不同或者以上例举的方案的组合均可。

这里需详细说明的是，虽然隔膜层包括第一电极层、压电层和第二电极层，对于本领域人员来说，该隔膜层的结构中应可以包含但不限于第一电极与压电层中间、压电层和第二电极层之间以及第二电极层与基层之间的过渡层。该过渡层可使得整个隔膜层的粘附力会更好亦或是其他目的。该隔膜层的结构排除传统超声换能器中的隔膜层结构中弹性层，该弹性层通常设置于基层与第二电极层之间。

给一个物体两侧施加力时，如果物体的力学中性层和压电层的物理中心层重合，图10为物体两侧施加力时不会产生弯曲的示意图，如图10所示，那么该物体就不会产生弯曲；如果物体的力学中性层和压电层的物理中心层不重合，图11为压电超声换能器的工作原理示意图，如图11所示，则物体内部弯矩不为零，物体会产生弯曲。因此，当给本申请中的压电超声换能器的压电层两端加载电压时，压电层3便会产生应力，进而压电超声换能器产生形变。施加电进行激励后，压电超声换能器隔膜层的力学中性层和压电层的物理中心层不重合时，压电超声换能器会产生弯曲，进而产生声波。

在本申请中通过省去弹性层，将第二电极层2的厚度和/或者材料与第一电极层4的材料和/或者厚度相异，例如，第一电极层4和第二电极层2的材料可以不同，厚度相同，或者材料相同，厚度不同，或者材料和厚度均不相同，如此达到压电超声换能器中第一电极层4、第二电极层2和压电层3三者的力学中性层和压电层3的物理中心层不重合的目的，当第一电极层4和/或第二电极层2施加一电学激励时，第一电极层4、第二电极层2和压电层3产生预设幅度的位移而产生超声波。这样以后通过对压电超声换能器的结构进行优化，使得在制造压电超声换能器时，可以省去制作弹性层的工艺步骤，有效减少了工艺步骤，降低了制造成本，且本申请中的压电超声换能器较现有的具有弹性层的压电超声换能器而言，具有更好的性能。

为了能够更好的了解本申请中的压电超声换能器，以下将对其做进一步解释和说明本申请中压电超声换能器的一具体的实施例，以其中一种电极层的厚度相对另一层电极层的厚度更厚来实现由三层构成的隔膜层的力学中性层与压电层的物理中心层不重合的实施例。在以下的实施例的介绍中，两电极层的材料相同，但厚度不同。

如图1和图2所示，硬质基层1一般由硅材料制成，硬质基层1上形成有凹槽，用于构成空腔11。硬质基层1可以采用商用的硅硬质基层，其厚度一般可以选用400μm左右，使用时，可以将其研磨至更小的厚度，但为了保证硬质基层1的强度防止其整体易出现破碎，其厚度一般不低于100μm。

如图1和图2所示，第二电极层2设置在硬质基层1上。第二电极层2可以通过沉积方式形成在硬质基层1上。第二电极层2的材料一般可以优先选用金、铂、铝和钼中的一种，其中，最优先选择钼材料。第二电极层2的厚度范围一般选择在0.05μm至3μm之间，当其厚度太薄时，会导致第二电极层2的电阻太大；当其厚度太大时，沉积形成第二电极层2的难度过大，同时后期对其进行刻蚀时难度过大。由于第一电极层4、压电层3、第二电极层2的厚度在设计时需要综合考虑，通过相应的试验发现，第二电极层2的厚度优先选择在0.1μm至0.8μm之间。

在硬质基层1上开设有凹槽，该凹槽与第二电极层2构成有一空腔11。如图1所示，在一种可行的实施方式中，在硬质基层1上形成的凹槽可以贯穿硬质基层1，因此，凹槽与第二电极层2构成的空腔11使得部分第二电极层2朝向硬质基层1的一侧露出。在硬质基层1背向第二电极层2的一侧进行刻蚀形成上述凹槽，刻蚀至露出第二电极层2为止，最终构成半封闭式的空腔11。

在另一种可行的实施方式中，如图3所示，硬质基层1在朝向第二电极层2的一侧上形成凹槽，该凹槽与第二电极层2构成全封闭的空腔11，硬质基层1在背向第二电极层2的一侧上不露出空腔11。该空腔11可以通过释放牺牲材料5的方式形成。以此种方式形成的空腔，通常会具有一个释放牺牲材料5的开孔，如图4中所示孔洞32所示。当然该孔洞32通过其他方式也可以将其填充，形成一完全密封的空腔。

由于圆形的压电超声换能器的谐振频率由如下公式决定：

其中，D表示第二电极层2、压电层3和第一电极层4三层材料整体的弯曲刚度，ρ表示第二电极层2、压电层3和第一电极层4三层材料的等效密度，a表示空腔11的半径。

由于空腔11的大小决定了压电超声换能器的谐振频率，通常而言，压电超声换能器的工作频率范围在10kHz-50MHz之间，因此，空腔11的半径范围可以选择在1μm至500μm之间。

如图1和图3所示，压电层3设置在第二电极层2上远离硬质基层1的一侧，压电层3可以通过沉积的方式形成在第二电极层2上。压电层3的材料可以优先选用AlN，ZnO和PZT中的一种，其中最优先选用AlN。如图2和图4所示，压电超声换能器具有一开孔31直通至第二电极层2，开孔31的位置与空腔11的位置相错开。在一种可行的实施方式中，在压电层3上具有开孔31以使部分第二电极层2朝向压电层3的一侧露出，具体而言可以采用刻蚀的方式形成该开孔31。开孔31的位置空腔11的位置相错开，其可以位于压电层3的边缘处，该开孔31便于后续对第二电极层2进行后续电学操作。

如图1和图3所示，第一电极层4设置在压电层3上远离第二电极层2的一侧，第一电极层4的厚度小于第二电极层2的厚度。第一电极层4通过沉积的方式形成在压电层3上远离第二电极层2的一侧。第一电极层4的厚度在0.05μm至3μm之间，当其厚度太薄时，会导致第一电极层4的电阻太大；当其厚度太大时，沉积形成第一电极层4的难度过大，同时后期对其进行刻蚀时难度过大。第一电极层4的材料一般可以优先选用金、铂、铝和钼中的一种，其中，最优先选择钼材料。为了能使得压电超声换能器具有较好的振动幅度，从而可以产生较好的声压，隔膜层的厚度可以控制在1μm至3μm之间。

在一种可行的实施方式中，如图1和图3所示，第一电极层4主体的位置的垂直投影位于空腔11的区域上。第二电极层2基本要将整个空腔11覆盖住。在此例举的实施例中，第二电极层2的面积大于第一电极层4。为了方便第二电极进行后续电性操作，也避免开孔31影响到空腔11，开孔31的位置与空腔11的位置相错开，并且直通至第二电极层2。该开孔31并不与空腔11连通。第一电极层4和第二电极层2通过电性操作可给压电层3施加电学激励。隔膜层利用压电层的压电效应产生振动，进而产生声波。

在一种可行的实施方式中，如图2和图4所示，第一电极层4、第二电极层2、压电层3和空腔11可以是呈圆形，也可以呈圆形之外的其它形状，例如，正方形，长方形，椭圆等等或者其它不规则的任意图形，在本申请中并不对它们的形状做具体任何限制。

在一种可行的实施方式中，如图1和图3所示的实施例，该隔膜层中的第二电极层2的面积是大于第一电极层4所示意的面积。因此，在工艺上比较容易将第二电极层2做得比第一电极层4厚来实现隔膜层的力学中性层与压电层3的物理中心层的不重合。

在其它可行的实施方式中，第一电极层4和第二电极层2的材料可以不同，厚度相同；或者第一电极层4和第二电极层2的材料相同，厚度不同；又或者第一电极层4和第二电极层2的材料和厚度均不相同。通过上述几种方式使得第一电极层4、压电层3、第二电极层2三者的力学中性层偏移，与压电层的物理中心层不重合。作为优选地，第一电极层4和第二电极层2的材料相同，但厚度不同。即，第一电极层4的厚度小于第二电极层2的厚度；或者第一电极层4的厚度大于第二电极层2的厚度。由于第二电极层2的面积更大，且同时承担支撑其它上面的薄膜材料的作用，因此作为优选地，第二电极层2的厚度大于第一电极层4的厚度。

在本申请中例举的三层结构构成的隔膜层的压电超声换能器的实施例中，通过对第一电极层4、压电层3多种可行的材料进行挑选试验，发现当第一电极层4的材料为Mo，压电层3的的材料为AlN时，在其它条件相同的情况下，压电超声换能器的振动最强烈，其能够输出的声能最大，最具有优势。在压电层3厚度以及第一电极层4厚度优选的情况下，对不同厚度的第二电极层2进行仿真模拟，具体情况如下，压电超声换能器的第一电极层4为0.1μm，材料选择为Mo，压电层3的厚度为0.5μm，材料选择为AlN，分别对第二电极层2的厚度为0.1μm，0.2μm，0.3μm，…，0.8μm进行仿真模拟。仿真模拟结果，请参阅图9。图9为本发明实施例中压电超声换能器的第二电极层在不同厚度下的振动位移对比图，h_botele表示第二电极层2的厚度，在每种厚度下压电超声换能器的振动位移如图中所示，X轴表示频率，Y轴表示位移，位移越大，表明压电超声换能器的振动越强烈，输出的声能越大，作发射元件时，更有优势。从图9所示仿真结果可以看出，第二电极层2为0.3μm时，压电超声换能器的性能最优。

利用仿真对相同面积相同膜厚的现有具有弹性层结构的压电超声换能器和本申请中提出的压电超声换能器进行实验对比，图7为现有的压电超声换能器的振动-频率特性曲线，图8为本申请中的压电超声换能器的振动-频率特性曲线，现有具有弹性层结构的压电超声换能器的第一电极层4、压电层3、第二电极层2、弹性层的材料依次为Mo、AlN、Mo、AlN；厚度依次为0.1μm、1μm、0.1μm、0.4μm；本申请中的压电超声换能器的第一电极层4、压电层3、第二电极层2的材料依次为Mo、AlN、Mo；厚度依次为0.1μm、1μm、0.5μm。在传统压电超声换能器的隔膜层为四层结构构成的厚度与本申请中一具体实施例中压电超声换能器的隔膜层的三层结构构成的厚度相等时，若施加的激励电压均为10V的情况下,仿真结果如图7和图8所示，Y轴表示振幅，X轴表示频率。图7为传统压电超声换能器的仿真结果；图8为本申请中以上例举的具体参数的压电超声换能器的具体仿真结果。从图7和图8的对比中看出，本申请中的压电超声换能器比现有具有弹性层结构的压电超声换能器具有更大的振幅和能够达到更小的工作频率。因此，此实施例中结构的压电超声换能器具有更大的振动幅度，从而可以产生更大的声压，可有效提高信噪比。另外，该对比结果显示，利用压电超声换能器可应用于制作非接触式压电超声传感器，例如ToF(Time of Flight)测距传感器时，此种实施例结构的压电超声换能器声波在空气中传播时的损耗更小，传播距离更远，应用于非接触式压电超声传感器时，优势更为明显。

在本申请中还提出了一种上述压电超声换能器的制造方法，图5a至图5e为第一种实施方式下的压电超声换能器的制造过程示意图，如图5a至图5e所示，该压电超声换能器的制造方法可以包括以下步骤：

S101：如图5a所示，在硬质基层1的一侧通过沉积形成第二电极层2。

S102：如图5b在第二电极层2上远离硬质基层1一侧沉积形成压电层3。

S103：如图5c在压电层3上远离第二电极层2一侧形成第一电极层4。

在本步骤中，第二电极层2的厚度和/或者材料与第一电极层4的材料和/或者厚度相异。在压电层3上远离第二电极层2一侧可以先沉积形成第一电极层4，再将第一电极层4刻蚀成预设尺寸，从而使得第一电极层4主体的位置的垂直投影可以位于凹槽的区域上。

S104：如图5d所示，在与空腔11错开的位置形成一开孔31直通至第二电极层2。

本步骤可以非必要步骤，可以省略。该开孔31的位置与第一电极层4和/或空腔11的位置相错开。例如，可以在压电层3刻蚀形成开孔31以使部分第二电极层2朝向压电层3的一侧部分露出。

S105：如图5e在硬质基层1上形成贯穿硬质基层1的凹槽，以使凹槽与第二电极层2构成半封闭的空腔11。

在本步骤中，可以在硬质基层1背向第二电极层2的一侧进行刻蚀形成凹槽，刻蚀至露出第二电极层2，从而使得凹槽与第二电极层2构成半封闭的空腔11。本步骤可以在步骤S101之后任意时刻进行。

在本申请中还提出了另一种上述压电超声换能器的制造方法，图6a至图6g为第一种实施方式下的压电超声换能器的制造过程示意图，如图6a至图6g所示，该压电超声换能器的制造方法可以包括以下步骤：

S101：如图6a所示，在硬质基层1上沉积形成凹槽。

S102：如图6b所示，在硬质基层1上形成凹槽之后，将牺牲材料5填充满凹槽。

在本步骤中，牺牲材料5填充满凹槽以后，可以将硬质基层1的上表面磨平，从而将多余的凸出的牺牲材料5去除。

S103：如图6c所示，在硬质基层1的具有凹槽的一侧通过沉积形成第二电极层2，并通过刻蚀使得第二电极层2不完全覆盖牺牲材料5，部分牺牲材料5露出。

S104：如图6d所示，在压电层3上远离第二电极层2一侧和牺牲材料5远离硬质基层1一侧沉积形成压电层3。

S105：如图6e所示，在压电层3上远离第二电极层2一侧形成第一电极层4。

在本步骤中，第二电极层2的厚度和/或者材料与第一电极层4的材料和/或者厚度相异。先在压电层3上远离第二电极层2一侧沉积形成第一电极层4，再将第一电极层4刻蚀成预设尺寸，从而使得第一电极层4的位置的垂直投影可以位于凹槽的区域内。同时，第一电极层4主体位置的垂直投影位于第二电极层2的区域内，以确保S103步骤中露出的部分牺牲材料5的上方不存在第一电极层4。

S106：如图6f所示，在与凹槽错开的位置形成一开孔31直通至第二电极层2。

在本步骤中，可以将压电层3刻蚀形成开孔31以使部分第二电极层2朝向压电层3的一侧部分露出，这步骤可以是非必要的，可以省略。开孔31用于第二电极层2连接电学信号。开孔31的位置可以与第一电极层4和/或凹槽的位置相错开。

S107：如图6f所示，在压电层3上形成一孔洞32直通牺牲材料5。

在本步骤中，可以在压电层3上形成直通牺牲材料5的孔洞32，该孔洞32的位置可以与第二电极层2相错开。

S108：如图6g所示，通过孔洞32对牺牲材料5进行刻蚀以形成空的凹槽，该凹槽与第二电极层2构成全封闭的空腔11。当然，后期也可以通过其它步骤将与空腔11相连通的孔洞32封堵。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种压电超声换能器，其特征在于，所述压电超声换能器包括：硬质基层和预设超声频率振动的隔膜层；所述隔膜层由第一电极层、第二电极层以及设置于第一电极层和第二电极层之间的压电层组成；所述硬质基层设置有凹槽，所述凹槽与所述隔膜层构成一全封闭式或半封闭式的空腔；所述隔膜层的力学中性层高于或低于所述压电层的物理中心层，以使得当所述第一电极层和/或所述第二电极层施加一电学激励时，所述隔膜层能产生预设幅度的位移而产生超声波；所述硬质基层为硅硬质基层。

2.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述凹槽与所述第二电极层构成一全封闭式或半封闭式的所述空腔，所述第二电极层的面积大于所述第一电极层的面积。

3.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述凹槽与所述第二电极层构成一全封闭式或半封闭式的所述空腔，所述第一电极层的厚度小于所述第二电极层的厚度。

4.根据权利要求2所述的压电超声换能器，其特征在于，所述第二电极层的厚度为0.1μm至0.8μm之间。

5.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述空腔的半径范围在1μm至500μm之间。

6.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述隔膜层的厚度在1μm至3μm之间。

7.根据权利要求6所述的压电超声换能器，其特征在于，当所述第一电极层的材料为Mo，所述压电层的材料为AlN时，所述第一电极层的厚度为0.1μm，所述压电层的厚度为0.5μm。

8.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述第一电极层的位置的垂直投影位于所述空腔的区域内。

9.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述压电超声换能器具有一开孔直通至所述第二电极层，所述开孔的位置与所述空腔的位置相错开。

10.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述压电超声换能器应用于非接触式压电超声传感器。

11.一种如权利要求1至10中任一所述的压电超声换能器的压电超声换能器的制造方法，其特征在于，所述压电超声换能器的制造方法包括：

在硬质基层的一侧通过沉积形成第二电极层；

在所述第二电极层上远离所述硬质基层一侧形成压电层；

在所述压电层上远离所述第二电极层一侧形成第一电极层；

在所述硬质基层上形成所述硬质基层的凹槽，以使所述凹槽与所述第二电极层构成半封闭/全封闭的空腔。

12.根据权利要求11所述的压电超声换能器的制造方法，其特征在于，在与所述空腔错开的位置形成一开孔直通至所述第二电极层。

13.根据权利要求11所述的压电超声换能器的制造方法，其特征在于，在所述硬质基层上形成凹槽之后，将牺牲材料填充满所述凹槽；在所述凹槽填充满所述牺牲材料之后，在所述硬质基层的具有所述凹槽的一侧通过沉积形成所述第二电极层，并通过刻蚀使得所述第二电极层不完全覆盖所述牺牲材料；在所述第二电极层上远离所述硬质基层一侧和所述牺牲材料远离所述硬质基层一侧沉积形成压电层；

在与所述凹槽错开的位置形成一开孔直通至所述第二电极层；

在所述压电层上形成一孔洞直通所述牺牲材料；

通过所述孔洞对所述牺牲材料进行刻蚀以形成空的凹槽，所述凹槽与所述第二电极层构成空腔。

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