CN111250376A - 一种多频自聚焦微机械超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多频自聚焦微机械超声换能器，包括二种以上频率的振元，相同频率的振元组成一个振元阵列；任一所述的振元阵列由至少一组圆环状排列的振元组成，所述振元阵列的圆环中心相互重合；并且任一所述的振元所处圆环半径由公式(1)确定。本发明的微机械超声换能器采用环形阵列结构，通过设计MUT阵列器件振元以及其在器件上的分布，在单一MUT器件上实现了多频和自聚焦的功能。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械系统(MEMS)技术领域，涉及一种超声换能器，特别是涉及一种多频自聚焦微机械超声换能器。
背景技术
超声换能器主要用来发射和接收超声波，是一种将电磁能转化为机械能(声能)的装置，通常由压电陶瓷或其它磁致伸缩材料制成，常见的超声波清洗器、超声雾化器、B超探头等都是超声换能器的应用实例。在医疗领域中，超声探头在各类超声诊断设备中占有重要的位置，常被称为超声诊断仪的“眼睛”，它既能将高频电能转换为超声机械能向外辐射，也可以接收超声波并将声能转换为电能，具有发射和接收超声波双重功能。
对于某些需要固定聚焦深度的超声波应用领域，比如在医疗美容行业中，可能需要针对某些器官或组织有针对性的进行刺激，而这些器官或组织的位置相对比较固定；又如对于某些特定深度下的界面结构检测，如焊缝、界面粘合情况等；目前通常使用的是相控阵技术，通过在硬件电路中添加延时单元，以控制各超声发射单元所发出的超声波到达目标位置时的相位相同，以达到聚焦的目的。尽管相控阵技术可以在一定范围内控制聚焦位置，但对于聚焦位置固定的应用场合而言，其存在较大的功能冗余和占用较多的硬件资源。
目前，传统的超声换能器包含单个振子和多振子两种，它们多采用将压电块体划片的方式加工而成。单振子超声换能器通常被加工成圆柱形，尽管其具有向中间聚焦的效果，但是其聚焦点不显著而且聚焦位置不易调整。多振子超声换能器(即超声换能器阵列)若需要实现向固定点聚焦，则需要使用相控阵技术。无论是传统的单振子换能器还是传统的超声换能器阵列，一个超声换能器通常只有一个固定频率。低频超声换能器所发射的超声波波长较长，穿透能力和衰减较慢，但其测试分辨率低，适合对深层结构进行测量或深层组织进行刺激；与低频换能器相反，高频超声换能器其发射波长较短，适合对浅层结构或组织进行测量和刺激。
MEMS(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)技术的发展使得微机械超声换能器(MUT，Micromachined ultrasound transducer)应运而生。MUT利用微薄膜的弯曲振动发射和接收超声波，根据驱动原理的不同，MUT可以分为两大类：电容式微机械超声换能器CMUT(CMUT，Capacitive micromachined ultrasound transducer)和压电式微机械超声换能器PMUT(PMUT，Piezoelectric micromachined ultrasound transducer)。尽管现在采用微机械加工技术可以制造出频率较高的压电式微机械超声换能器(PMUT)或电容式微机械超声换能器(CMUT)，但通常其频率单一，发射功率较小，需要使用复杂的外围驱动和控制电路使其聚焦以满足某些医疗、美容以及检测行业的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多频自聚焦微机械超声换能器，解决多频、高频超声换能器制造，以及现有微机械超声换能器需要复杂的驱动和控制电路以使其聚焦的问题，所述的多频自聚焦微机械超声换能器能实现多频集成及自聚焦的功能。
本发明所述的多频自聚焦微机械超声换能器采用环形阵列结构，通过设计(MUT)阵列器件振元以及其在器件上的分布，在单一(MUT)器件上实现了多频和自聚焦的功能。
为实现上述发明目的，采用如下技术方案：
一种多频自聚焦微机械超声换能器，包括振元，其特征在于，所述的超声换能器包括二种以上频率的振元，相同频率的振元组成一个振元阵列；任一所述的振元阵列由至少一组圆环状排列的振元组成；所述振元阵列的圆环中心相互重合；并且
任一所述的振元所处圆环半径由下式确定：
其中，dj为第j种频率的振元阵列的焦点到圆环中心的距离，λj为第j种频率的振元所发射超声波在介质中的波长，Rij为第j种频率的振元阵列中第i个圆环的半径，nij表示第j种频率的振元阵列中第i个圆环上的振元所发射的超声波到达焦点所需周期数目，nij、i、j为正整数，且i≥1、j≥2。
所述的微机械超声换能器(MUT)每一种频率的振元阵列通过内部引线(在MUT流片过程中的芯片内部引线)或外部引线(在MUT封装时的外部引线)的方式并联到一起，在工作时只需施加一个驱动信号即可实现聚焦功能，从而大幅降低驱动和控制电路的复杂性。
所述的微机械超声换能器(MUT)可以是电容式微机械超声换能器CMUT或压电式微机械超声换能器PMUT。本领域技术人员不难根据现有技术构造CMUT或PMUT器件所需要的振元(振动微元)。
根据本发明的微机械超声换能器(MUT)的一种实现方法是采用CMUT器件，CMUT器件是一种基于静电能量转换机理的超声换能器，其结构类似于平行板电容器，一般包含上电极、下电极、振动薄膜、真空腔、绝缘层、边缘固定支撑以及衬底等部分，通常，上电极附着于振动薄膜上，振动薄膜由开有空腔的支撑结构支撑，该空腔为真空腔，空腔底部为绝缘层和下电极，下电极、绝缘层以及边缘支撑层附着在衬底上，所述的上电极、下电极、绝缘层、振动薄膜、边缘固定支撑以及对应的真空腔构成一个CMUT振元。
本发明的另一种实现方法是PMUT器件，以下将以PMUT器件为例进行说明，并在本发明的具体实施方式中进行更为详细的描述。本领域技术人员知晓，对于MUT器件上二种以上频率的振元及其分布的设计构思，在CMUT器件上同样可以实现。
PMUT器件是基于压电能量转换机理的一种超声换能器，一般包括衬底层、支撑层和结构层，其中支撑层上方的结构层由压电层、上电极、下电极以及绝缘层构成，结构层部分刻蚀后形成一组振动薄膜，衬底层部分刻蚀后在支撑层下方形成与所述振动薄膜相对应的空腔结构，所述的支撑层、振动薄膜与其相对应的空腔结构构成一个PMUT振元。
所述的PMUT器件包括二种以上频率的振元，相同频率的振元组成一个振元阵列；采用环形阵列结构，是由环状排列的PMUT振元组成，且同一圆环上的PMUT振元发射的超声波频率(波长)相同。由于相同波长的超声波在介质中的传播特性相同，其到达圆环中心轴线上任意位置处的相位相同，所以在垂直于器件上表面的中心轴线上有聚焦的效果。
同一频率(第j种频率)，当位于不同圆环半径上的PMUT振元在满足振元到空间某一点的距离为其发射超声波波长的整数倍时，不同圆环半径上的PMUT振元发射的超声波经若干个波长后到达该点，且相位相同；因此，该点为此频率下该器件发射的超声波在介质中传播的一个焦点。当振元所处圆环半径与聚焦位置满足下式确定的条件时：
对于该频率的超声波实现自聚焦功能。
所述的多频自聚焦微机械超声换能器，通过调整PMUT振元所处圆环半径Rij，可以实现对所需焦点深度(dj)的聚焦。
可选地，所述的PMUT振元为圆形，亦可为矩形以及其他多边形。
优选地，所述的相同频率的PMUT振元的形状和尺寸相同。相同形状和尺寸的PMUT振元发射的超声波频率相同。超声波波长λ是PMUT振元所发射的超声波频率f与超声波在传播介质中的速度的函数。
可选地，所述衬底层和支撑层材料为单晶硅。
可选地，所述上、下电极材料可为金、铂等。
可选地，所述压电层选自PZT、氮化铝的压电陶瓷或压电单晶等的厚膜或薄膜。
可选地，所述绝缘层材料为氮化硅、二氧化硅或氧化铝等与半导体工艺兼容的绝缘介质。
本发明还涉及所述的多频自聚焦微机械超声换能器在制造医疗、美容及检测设备中的应用。
对于某些需要固定聚焦深度的超声波应用领域，比如在医疗美容行业中，可能需要针对某些器官或组织有针对性的进行刺激，而这些器官或组织的位置相对比较固定；又如对于某些特定深度下的界面结构检测，如焊缝、界面粘合情况等，本发明所述的多频自聚焦超声换能器可根据需求设计多个超声波频率和聚焦深度，同时又避免了使用常规PMUT阵列聚焦时所需要的复杂的调理与控制电路。
所述的超声换能器中，超声频率是由支撑层、上电极、下电极、压电层、绝缘层的材料和厚度，以及振元形状和大小共同决定的。在器件制造时，同一个器件上支撑层、上电极、下电极、压电层、绝缘层的材料和厚度是相同的，可以通过在同一个PMUT器件上设计不同尺寸的PMUT振元来实现多频段发射的功能。通过在同一个PMUT器件上设计制造不同大小的PMUT振元，便可在同一个器件上发射不同频率的超声波；同时，相对于传统压电超声换能器制造工艺而言，采用微加工的方式更容易制造出频率更高的超声换能器。
有益效果：本发明的多频自聚焦微机械超声换能器，采用环形阵列结构，通过设计MUT阵列器件振元以及其在器件上的分布，在单一MUT器件上实现了多频和自聚焦的功能。通过微加工技术，在单一MUT器件上制造出多种频率的超声换能器阵列，同时根据需求使该器件发射的超声波自聚焦到所需的位置；这样，解决了传统换能器制造过程中难以多频集成的问题，同时又避免了常规MUT使用时需要复杂的调理与控制电路以实现聚焦。
附图说明
图1为自聚焦多频微机械超声换能器结构示意图；
图2为自聚焦多频微机械超声换能器剖面示意图；
图3为自聚焦多频微机械超声换能器振元结构图；
图4为自聚焦多频微机械超声换能器聚焦示意图；
图中：1-支撑层、2-结构层、3-衬底层、4-空腔、5-下电极、6-压电层、7-上电极、8-绝缘层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，以下所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制，由权利要求书来确定。
如图1-图3所示，本发明的一种自聚焦多频微机械超声换能器，采用PMUT器件，包括支撑层1、结构层2和衬底层3，其中衬底层3位于支撑层1的一侧，结构层3位于支撑层1的另一侧。所述的结构层3(自支撑层1)由下电极5、压电层6、上电极7、绝缘层8组成，所述的结构层2被部分刻蚀后形成所需形状和尺寸的振动薄膜，在振动薄膜下方的衬底层3被部分刻蚀形成与振动薄膜相对应的空腔结构，此处的“对应”是指空腔与振动薄膜在支撑层1上的投影相重叠，它们具有相同的形状及尺寸，在本实施例中振动薄膜为圆形，则空腔为相同直径的圆柱形；振动薄膜与其相对应的空腔结构构成一个PMUT振元，参见图3。本实施例中，所述的PMUT振元为圆形，亦可为矩形以及其他多边形。
本实施例的自聚焦多频微机械超声换能器，设计了三种频率的PMUT阵元，通过控制PMUT振元尺寸来得到不同频率的超声波。相同频率的PMUT振元组成一个PMUT阵列，任一PMUT阵列由圆环状排列的尺寸相同的PMUT振元组成；根据需要某一个或某几个频率的PMUT阵列可以包括排列在两个以上不同半径的圆环上的PMUT振元；所有的PMUT阵列的圆环中心重合。概括来说，整个器件外侧振元尺寸较大者为低频阵列，内侧尺寸较小者为高频阵列。
每一种频率的PMUT阵列通过内部引线(在MUT流片过程中的芯片内部引线)或外部引线(在MUT封装时的外部引线)的方式并联到一起，在工作时只需施加一个驱动信号即可实现聚焦功能，从而大幅降低驱动和控制电路的复杂性。
本发明所述的超声换能器主要是通过控制PMUT振元尺寸来得到不同频率的超声波，该超声换能器的频率可根据应用领域的需求来决定。
以在医疗美容领域的应用为例，不同频率超声波在人体组织中的波长，根据波长计算公式(1)得到。
其中，c为超声波声速，人体软组织声速平均为1540m/s，f为超声波频率，通常在1～20MHz，所以其波长为72～1540μm。
根据公式(2)，PMUT振元所处圆环半径和波长与聚焦深度的关系为
其中，dj为第j种频率的振元阵列的焦点到圆环中心的距离，λj为第j种频率的振元所发射超声波在介质中的波长，Rij为第j种振元振列中第i个圆环的半径，nij表示第j种振元振列的第i个圆环上的振元所发射的超声波到达焦点所需周期数目。
通常，可以根据需求确定器件所需的频率f以及聚焦的深度dj，所以在本发明器件设计时，需要确定的是各种频率的PMUT振元在整个器件上的分布情况；根据公式(2)可推导出PMUT振元所处圆环半径的公式(3)。
根据公式2可知，由于频率较低的PMUT器件其波长和振元直径较大，所以其振元所处圆环半径差较大，即ΔR(ΔR＝|Ri-Ri-1|)较大，频率较高的振元ΔR较小，因而在整个PMUT器件上可选的圆环位置更多；通常情况下，如图1所示，在器件设计时可高低频混合排列，以提高整个器件的利用率。
本实施例中，如图4所示，频率为F1，距离器件中心O分别为R11、R21、R31的三个圆周上的PMUT阵列，同时施加频率为F1的同相位连续电压信号；由于三个PMUT圆周上振元发射的超声波分别经n11λ1、n21λ1和n31λ1的距离后到达P1点，距离均为波长整数倍，该频率超声波达到P1点时相位相同，声场相互叠加，所以该点为此频率条件的焦点。
同一种频率的PMUT振元上电极或下电极经引线分别连接至该频率的上下电极焊盘，再经过引线键合后便可将该频率的所有振元连接至外部驱动电路；需要强调一点，由于同一种频率的PMUT振元所使用的驱动为同相位的连续电压信号，所以同一频率的所有PMUT振元仅需要一个上电极焊盘和一个下电极焊盘。
本实施例中，提供一个该微机械超声换能器的制造的工艺流程：
(a)准备SOI基片(顶层硅为该超声换能器支撑层1，衬底硅为该超声换能器衬底层3)；
(b)在顶层硅上依次沉积下电极5、压电层6、上电极7；
(c)根据振元的设计，使用IBE干法刻蚀或湿法腐蚀得到所需要的上电极7以及引线；
(d)使用湿法腐蚀去除多余的压电材料，漏出下电极材料；
(e)使用IBE干法刻蚀或湿法腐蚀得到所需要的下电极5以及引线；
(f)使用等离子增强化学气相沉积(PECVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、原子层沉积(ALD)等设备在进行完以上工艺的晶元上沉积一层氮化硅、二氧化硅或氧化铝等绝缘材料，用于保护上下电极以及压电材料等；
(g)使用反应离子刻蚀(RIE)等设备部分刻蚀上述绝缘材料，使漏出引线键合的焊盘；
(h)使用深反应离子刻蚀(DRIE)等设备刻蚀衬底硅，使在振动薄膜下方形成空腔4。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种多频自聚焦微机械超声换能器，包括振元，其特征在于，所述的超声换能器包括二种以上频率的振元，相同频率的振元组成一个振元阵列，任一所述的振元阵列由至少一组圆环状排列的振元组成；所述振元阵列的圆环中心重合；并且
任一所述的振元所处圆环半径由下式确定：
其中，dj为第j种频率的振元阵列的焦点到圆环中心的距离，λj为第j种频率的振元所发射超声波在介质中的波长，Rij为第j种频率的振元阵列中第i个圆环的半径，nij表示第j种频率的振元阵列中第i个圆环上的振元所发射的超声波到达焦点所需周期数，nij、i、j为正整数，且i≥1、j≥2。
2.根据权利要求1所述的多频自聚焦微机械超声换能器，其特征在于，所述的微机械超声换能器中每一种频率的振元阵列通过内部引线或外部引线的方式并联到一起。
3.所述的微机械超声换能器是电容式微机械超声换能器CMUT或压电式微机械超声换能器PMUT。
4.根据权利要求1所述的多频自聚焦微机械超声换能器，其特征在于，所述的振元为圆形、矩形或其他多边形。
5.根据权利要求1所述的多频自聚焦微机械超声换能器，其特征在于，所述的相同频率的振元的形状和尺寸相同。
6.根据权利要求1所述的多频自聚焦微机械超声换能器，其特征在于，为压电式微机械超声换能器PMUT，包括衬底层、支撑层和结构层，其中支撑层上方的结构层由压电层、上电极、下电极以及绝缘层构成，结构层部分刻蚀后形成一组振动薄膜，衬底层部分刻蚀后在支撑层下方形成与所述振动薄膜相对应的空腔结构，所述的支撑层、振动薄膜与其相对应的空腔结构构成一个PMUT振元。
7.根据权利要求6所述的多频自聚焦微机械超声换能器，其特征在于，所述衬底层和支撑层材料为单晶硅。
8.根据权利要求6所述的多频自聚焦微机械超声换能器，其特征在于，所述压电层选自PZT压电陶瓷、氮化铝压电陶瓷或压电单晶。
9.根据权利要求6所述的多频自聚焦微机械超声换能器，其特征在于，所述绝缘层材料选自氮化硅、二氧化硅或氧化铝。
10.权利要求1所述的多频自聚焦微机械超声换能器在制造医疗、美容及检测设备中的应用。
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