CN111182429A - 高填充率mems换能器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种MEMS换能器，包括一个或多个换能器阵列，所述换能器阵列包括呈蜂窝状排布的若干个正六边形换能器单元，所述换能器单元包括：衬底，具有正六边形凹腔；和换能器结构层，位于所述衬底上方并与所述衬底接合，与所述正六边形凹腔成真空腔室；其中所述多个换能器阵列串联连接，所述换能器阵列中的所述若干个正六边形换能器单元相互并联。本发明采用蜂窝状排列将换能器单元进行阵列排布，可以实现100％的填充率，提高了换能器的接收/发射灵敏度。所述换能器结构层的所述底电极层和/或所述顶电极层采用内外差分式电极布置，提高电荷收集率。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS换能器领域中的压电式超声换能器，具体是基于压电薄膜技术的高填充率MEMS压电式超声换能器。
背景技术
随着微电子机械系统(Micro Electromechanical System,MEMS)和微纳米技术的迅速发展，超声换能器的制造进入了一个全新的阶段。超声换能器是一种用于发射和检测超声波的器件，广泛应用于水下通讯、医疗成像、工业控制，以及消费电子等领域。目前超声换能器主要有电容式超声换能器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,CMUT)和压电式超声换能器(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer,PMUT)两大类。与CMUT相比，PMUT不需要直流偏置和很小的电容间隙来提高换能器的灵敏度，并且电学阻抗低，是目前超声换能器发展的主要方向之一。
PMUT一般由压电膜、上下电极和振动膜等组成。当其处于发射模式时，在压电膜的上下电极之间施加一定的电压，由于压电膜逆压电效应，产生的压力使膜结构发生弯曲，从而引起振动膜发生形变。当施加交变电压时，将使振动膜产生振动，向外辐射声压，从而实现由电能向声能的转化。当其处于接收模式时，振动膜由于外界声压的作用而发生形变，并使压电膜发生形变，由于压电效应而产生相应的电荷，从而将声能转化为电能，然后通过接收电路实现声信号的接收。常见的PMUT膜片形状有圆形、正方形、长方形、贝壳形、圆柱形和圆顶形等。目前PMUT振动膜多被设计为圆形结构，但是圆形振动膜结构填充率较低(填充率：60％-80％)，不利于实现高接收/发射灵敏度。
发明内容
本发明提出了一种高填充率MEMS换能器，将PMUT振动膜设计为正六边形结构，并采用蜂窝状排列将换能器单元进行阵列排布，可以实现100％的填充率，从而提高换能器的接收/发射灵敏度；另外，本发明采用内外差分式电极布置，提高电荷收集率。
根据本发明实施例的一方面，提供一种MEMS换能器，包括一个或多个换能器阵列，所述换能器阵列包括呈蜂窝状排布的若干个正六边形换能器单元，所述换能器单元包括：
衬底，具有正六边形凹腔；和
换能器结构层，位于所述衬底上方并与所述衬底接合，与所述正六边形凹腔成真空腔室；
其中所述多个换能器阵列串联连接，所述换能器阵列中的所述若干个正六边形换能器单元相互并联。
在上述的MEMS换能器，所述换能器结构层包括从下到上依次堆叠的硅结构层、电介质层、底电极层、压电材料层、顶电极层、顶电解质层和电气连接层。
在上述的MEMS换能器，所述换能器结构层包括从下到上依次堆叠的作为底电极层的重掺杂硅结构层、压电材料层、顶电极层、顶电解质层和电气连接层。
在上述的MEMS换能器，所述底电极层和所述顶电极层位于所述真空腔室正上方，所述底电极层和/或所述顶电极层为正六边形，所述衬底上的所述正六边形凹腔、所述底电极层、所述顶电极层的几何中心在所述换能器单元垂直方向的几何中心线上。
在上述的MEMS换能器，所述底电极层和/或所述顶电极层形成内电极和位于所述内电极外的外电极，所述底电极层和/或所述顶电极层的内电极与外电极关于所述换能器单元零应变轴线圈内外分布，所述内电极和所述外电极为一对极性相反的电极对。
在上述的MEMS换能器，所述换能器结构层的底部和/或顶部设有与所述换能器单元一致的氧化硅层。
在上述的MEMS换能器，所述硅结构层为单晶硅、或多晶硅，或非晶硅；所述压电材料层为氮化铝，或氧化锌，或锆钛酸铅；所述顶电极层材料为金、或铝、或钼、或铂、或铬；所述顶电解质层为氧化硅或者氮化硅。
在上述的MEMS换能器，所述的底电极层材料为金、或铝、或钼、或铂、或铬。
在上述的MEMS换能器，所述内电极特征尺寸为所述衬底上所述正六边形凹腔特征尺寸的40％～80％。
在上述的MEMS换能器，所述内电极的区域以及所述外电极的区域的应力为同一种极性的应力。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细说明。
图1示出了根据本发明一实施例的高填充率MEMS换能器电气排列连接结构的俯视示意图。
图2示出了根据本发明一实施例的换能器单元圆形结构和正六边形结构填充率对比示意图。
图3a示出了根据本发明一实施例的换能器单元截面结构示意图。
图3b示出了根据本发明一实施例的换能器单元上电极电气结构俯视示意图。
图4示出了根据本发明一实施例的换能器单元正六边形结构的归一化声压灵敏度随着上电级特征尺寸变化曲线。
图5-图7示出了根据本发明另一实施例的换能器单元截面结构示意图。
图8示出了根据本发明一实施例的换能器阵列在电学上相互串联截面结构示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明一实施例的高填充率MEMS换能器电气排列连接结构的俯视示意图。如图1，MEMS换能器包括一个或多个换能器阵列，所述换能器阵列包括呈蜂窝状排布的若干个正六边形换能器单元10。
图2示出了根据本发明的一个实施例的换能器单元圆形结构和正六边形结构填充率对比示意图。如图2，换能器单元为圆形结构时，换能器的填充率仅为60％-80％；换能器单元为正六边形结构，并且按照蜂窝状排布时，换能器的填充率可以达到100％。
图3a示出了根据本发明一实施例的换能器单元截面结构示意图；图3b示出了根据本发明一实施例的换能器单元上电极电气结构俯视示意图。如图3a，换能器单元10包括衬底100和换能器结构层，衬底100具有正六边形凹腔101。所述换能器结构层位于衬底100上方并与衬底100接合，与所述正六边形凹腔101成真空腔室。所述换能器结构层包括从下到上依次堆叠的硅结构层103、电介质层104、底电极层(下电极)105、压电材料层106、顶电解质层107、顶电极层(上电极)108和电气连接层109。其中衬底100上正六边形凹腔101、底电极层105和顶电极层107的几何中心在换能器单元垂直方向的几何中心线上。所述换能器结构层的底部和/或顶部还可设置与换能器单元10一致的氧化硅层102。即氧化硅层102为正六边形，且面积与换能器单元10的底面积一样。底电极层105和/或顶电极层108关于所述换能器单元零应变轴线圈110内外分布。电气连接层109实现换能器单元10电极的连接，其中同种极性电极相互连接。
如图3b，顶电极层108包括极性相反的内电极301和位于内电极301外的外电极302，内电极301和外电极302关于所述换能器单元零应变轴线圈110内外分布，这种内外差分式电极布置，可以提高电荷收集率。内电极301、外电极302可为正六边形。内电极301的电气连接孔和外电极111的电气连接孔分别沿换能器单元10中心轴线与离换能器单元10中心轴线固定距离处布置。内电极301特征尺寸为衬底100上正六边形凹腔101特征尺寸的40％～80％，优选值为70％-75％。另外，内电极301的特征尺寸需要确保内电极301区域及外电极302区域的应力为同一种极性的应力(同为拉伸应力，或者同为压缩应力)。
图4为通过使用COMSOL软件分析换能器单元正六边形结构，得出归一化声压灵敏度随着上电级特征尺寸变化曲线。可以看出，当上电级特征尺寸为凹腔101特征尺寸的70％时，该换能器单元的声压灵敏度最好。
其中衬底100的材料可为硅。硅结构层103可以是单晶硅，多晶硅，也可以是非晶硅。压电材料层106可采用石英、钛酸钡(BaTiO3)、氮化铝(AlN)、钪(Sc)掺杂氮化铝(Sc-AlN)、锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO)等。顶电解质层107材料可为二氧化硅。电气连接层109材料可为铝Al。底电极层105、顶电极层108为金属导电薄膜，可采用钼(Mo)、铂(Pt)、金(Au)或铝(Al)等。一般优选AlN作为压电材料，Mo作为底电极层105、顶电极层108材料，这是因为AlN材料具有较低的沉积温度(低于400摄氏度)，介电常数小，介电损耗低，压电系数好，Mo材料具有与AlN声阻抗匹配、耐高温、使用寿命长等优点。
此外，如图5，所述换能器结构层可以采用重掺杂的硅结构层103作为底电极层，即所述换能器结构层包括从下到上依次堆叠的氧化硅层102、重掺杂的硅结构层103、压电材料层106、顶电解质层107、顶电极层108和电气连接层109。顶电极层108的结构及分布可与图3a、图3b所示的实施例一样。
如图6，可以不将顶电极层108刻蚀成图3b所示的内电极301和外电极302，即顶电极层108可只是图形化单一的整块电极。
如图7，可以将底电极层105和顶电极层108均图案化成图3b所示的内电极301和外电极302，图案化后的底电极层105和顶电极层108形状、大小一致，且位置相对应。
图8示出了根据本发明一实施例的换能器阵列在电学上相互串联截面结构示意图。本发明中，所述多个换能器阵列在电学上串联连接，可以提高换能器的接收灵敏度，而所述换能器阵列中的所述若干个正六边形换能器单元10则在电学上相互并联。
Claims (10)
1.一种MEMS换能器，其特征在于，包括一个或多个换能器阵列，所述换能器阵列包括呈蜂窝状排布的若干个正六边形换能器单元，所述换能器单元包括：
衬底，具有正六边形凹腔；和
换能器结构层，位于所述衬底上方并与所述衬底接合，与所述正六边形凹腔成真空腔室；
其中所述多个换能器阵列串联连接，所述换能器阵列中的所述若干个正六边形换能器单元相互并联。
2.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其特征在于，所述换能器结构层包括从下到上依次堆叠的硅结构层、电介质层、底电极层、压电材料层、顶电极层、顶电解质层和电气连接层。
3.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其特征在于，所述换能器结构层包括从下到上依次堆叠的作为底电极层的重掺杂硅结构层、压电材料层、顶电极层、顶电解质层和电气连接层。
4.根据权利要求2所述的MEMS换能器，其特征在于，所述底电极层和所述顶电极层位于所述真空腔室正上方，所述底电极层和/或所述顶电极层为正六边形，所述衬底上的所述正六边形凹腔、所述底电极层、所述顶电极层的几何中心在所述换能器单元垂直方向的几何中心线上。
5.根据权利要求2所述的MEMS换能器，其特征在于，所述底电极层和/或所述顶电极层形成内电极和位于所述内电极外的外电极，所述底电极层和/或所述顶电极层的内电极与外电极关于所述换能器单元零应变轴线圈内外分布，所述内电极和所述外电极为一对极性相反的电极对。
6.根据权利要求2或3所述的MEMS换能器，其特征在于，所述换能器结构层的底部和/或顶部设有与所述换能器单元一致的氧化硅层。
7.根据权利要求2或3所述的MEMS换能器，其特征在于，所述硅结构层为单晶硅、或多晶硅，或非晶硅；所述压电材料层为氮化铝，或氧化锌，或锆钛酸铅；所述顶电极层材料为金、或铝、或钼、或铂、或铬；所述顶电解质层为氧化硅或者氮化硅。
8.根据权利要求2所述的MEMS换能器，其特征在于，所述底电极层材料为金、或铝、或钼、或铂、或铬。
9.根据权利要求5所述的MEMS换能器，其特征在于，所述内电极特征尺寸为所述衬底上所述正六边形凹腔特征尺寸的40％～80％。
10.根据权利要求5所述的MEMS换能器，其特征在于，所述内电极的区域以及所述外电极的区域的应力为同一种极性的应力。
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