CN111515111B - 基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器及其制备 - Google Patents
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Abstract
本发明基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器及其制备，涉及超声换能器技术领域。该压电微机械超声换能器由顶部电极层1，压电薄膜层2，底部电极层3，粘附层4以、衬底5以及底部空腔6组成。其中，所述顶部电极层1和底部电极层3均为铂(Pt)；所述压电薄膜层2为弛豫铁电单晶薄膜；所述粘附层4为二氧化钛(TiO2)；所述衬底5为硅晶片(SOI)。压电微机械超声换能器的制备方法，包括步骤：A.在衬底5上制备粘附层4；......至G.采用深反应离子刻蚀法对衬底5进行背面刻蚀。本发明压电微机械超声换能器的弛豫铁电单晶薄膜及器件结构对提高器件性能起到重要作用，在医学成像、指纹识别等超声成像领域具有重要应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及超声换能器技术领域，具体指一种基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器及其制备方法。
背景技术
超声波传感器利用超声波换能器实现声学和电学信号的转换，越来越广泛地应用在工业和生物医学等领域。但传统超声换能器采用纵向振动模式，存在难以阵列化、难以小型化等问题不能满足超声成像发展需要微小型化、高集成度、低成本、高性能等超声成像领域新的需求。
众所周知，新型的压电微机械超声波换能器(Piezoelectric MicromachinedUltrasonic Transducer，PMUT)为一种悬膜式结构，由顶部电极层、压电薄膜层、底部电极层、粘附层和衬底及底部空腔叠加组成。相比于传统超声换能器，其径向振动模式具有更高的谐振频率，且具有微小型化、低功耗、阻抗匹配优良、易形成阵列、易集成等优势。此外，压电微机械超声换能器与电容式微机械超声换能器相比，不受高直流偏置电压和亚微米电容间隙的限制等优点。
如所周知，压电薄膜是压电微机械超声换能器的核心元件，目前，压电微机械超声换能器普遍采用锆钛酸铅(PZT)薄膜和氮化铝(AIN)薄膜，其中，基于锆钛酸铅薄膜的压电微机械超声换能器的发射性能较好，有效机电耦合系数较大；基于氮化铝薄膜的压电微机械超声换能器的接收性能较好。因此，开发新的适用于压电微机械超声换能器的压电薄膜材料以及优化设计压电微机械超声换能器结构是进一步提高压电微机械超声换能器性能的关键。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺失和不足，提出一种基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器及其制备方法。
本发明的基本思路
首先，对压电微机械超声换能器核心元件的压电薄膜，沿[011]方向极化的弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅的横向长度伸缩振动模式具有优异的压电性能及机电性能，因此采用该弛豫铁电单晶材料替代传统铁电材料锆钛酸铅。
其次，对现有普遍采用方形顶部电极-方形底部空腔或圆形顶部电极-圆形底部空腔的配置结构的压电微机械超声换能器，作进一步的优化设计。
本发明的技术方案
本发明基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器，为一种悬膜式结构，由顶部电极层、压电薄膜层、底部电极层、粘附层、衬底以及底部空腔组成。
其中，所述顶部电极层和底部电极层均为铂(Pt)；所述压电薄膜层为弛豫铁电单晶薄膜；所述粘附层为二氧化钛(TiO2)；所述衬底为硅晶片(SOI)。
所述顶部电极层形状为圆形，厚度为0.1μm≤he1≤3μm，半径为1μm≤re≤24μm。
所述弛豫铁电单晶薄膜材料为沿[011]方向极化的铌镁酸铅-钛酸铅(Pb(Mg1/ 3Nb2/3)O3-30％PbTiO3)，厚度为0.1μm≤hp≤4.5μm，尺寸为40μm×40μm至70μm×70μm。
所述底部电极层厚度为0.1μm≤he2≤1μm，尺寸为50μm×50μm至80μm×80μm。
所述硅晶片具体结构为顶层硅-二氧化硅-背衬硅，其中顶层硅厚度为2μm≤hs≤10μm，二氧化硅厚度为0.1μm≤ho≤0.5μm。
所述底部空腔形状为正方形，其尺寸与压电薄膜层相同。
本发明基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器的制备方法，包括以下步骤：
第一步，在衬底上制备粘附层；
第二步，在粘附层上溅射底部电极层；
第三步，在底部电极层上制备Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-30％PbTiO3压电薄膜层；
第四步，通过湿法刻蚀将压电薄膜层进行图案化；
第五步，在压电薄膜层上溅射顶部电极层；
第六步，采用剥离工艺对顶部电极层进行图案化；
第七步，采用深反应离子刻蚀法对衬底进行背面刻蚀。
本发明采用弛豫铁电单晶薄膜作为压电微机械超声换能器的核心元件，其具有优异的压电性能、高介电常数、高机电耦合系数等优点，对提高器件性能起到重要作用。本发明提出的压电微机械超声换能器结构能够提高器件的静态发射灵敏度，具有较大的机电耦合系数，微小型的特点在超声成像应用方面具有重要价值。
附图说明
图1为本发明基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器结构横截面图；
图2为本发明基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器结构俯视图；
图3为本发明基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器制备流程框图；
图4为本发明实施例的导纳曲线；
图5为本发明实施例的静态发射灵敏度和静态接收灵敏度随顶部电极半径变化曲线；
图6为本发明实施例的静态发射灵敏度和静态接收灵敏度随顶部电极厚度变化曲线；
图7为本发明实施例的静态发射灵敏度和静态接收灵敏度随压电薄膜厚度变化曲线。
具体实施方法
以下结合附图和实例对本发明作进一步描述
本发明基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器(如附图1所示)，为一种悬膜式结构，其特点由顶部电极层1，压电薄膜层2，底部电极层3，粘附层4、衬底5以及底部空腔6组成。
所述顶部电极层1为铂(Pt)，其形状为圆形(如附图2所示)，其厚度为0.1μm≤he1≤3μm，半径为1μm≤re≤24μm。
所述压电薄膜层2为弛豫铁电单晶薄膜，具体指沿[011]方向极化的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-30％PbTiO3，其厚度为0.1μm≤hp≤4.5μm，尺寸为40μm×40μm至70μm×70μm。
所述底部电极层3为铂(Pt)，其厚度为0.1μm≤he2≤1μm，尺寸为50μm×50μm至80μm×80μm。
所述粘附层4为二氧化钛(TiO2)，其厚度为0.01μm≤ht≤0.05μm。
所述衬底5为硅晶片(SOI)，具体结构为顶层硅-二氧化硅-背衬硅，其中，顶层硅厚度为2μm≤hs≤10μm，二氧化硅厚度为0.1μm≤ho≤0.5μm。
所述底部空腔6形状为正方形，其尺寸与压电薄膜层2相同。
如上所述，基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器，其工作频率为15MHz至35MHz。
本发明基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器制备方法(如附图3所示)，包括以下步骤：
A.选取SOI衬底5，在衬底5上制备粘附层4；
B.在粘附层4上溅射底部电极层3；
C.在底部电极层3上制备Pb(Mg1/3Nb2/3)03-30％PbTiO3压电薄膜层2；
D.通过湿法刻蚀将压电薄膜层2进行图案化；
E.在压电薄膜层2上溅射顶部电极层1；
F.采用剥离工艺对顶部电极层1进行图案化；
G.采用深反应离子刻蚀法对衬底5进行背面刻蚀。
进一步，
所述步骤A制备粘附层4包括：首先在衬底上溅射钛层，然后将钛层高温氧化为二氧化钛层。
所述步骤G背面刻蚀至衬底5二氧化硅处停止。
实施例中压电微机械超声换能器在顶部电极层厚度为0.2μm，顶部电极层半径为15μm，压电薄膜层厚度为1μm时的导纳谱(如附图4所示)。从图中可以看出，压电微机型超声换能器工作频率为27MHz，根据谐振频率fr和反谐振频率fa计算得到有效机电耦合系数为2.3％。
实施例中压电微机械超声换能器在顶部电极层厚度为0.2μm，压电薄膜层厚度为1μm时静态发射灵敏度和静态接收灵敏度随顶部电极半径变化情况(如附图5所示)。从图中可以看出，随着顶部电极半径增大静态发射灵敏度起初呈小幅上升，随后整体呈现下降趋势；静态接收灵敏度呈现先下降后上升趋势。
实施例中压电微机械超声换能器在顶部电极层半径为15μm，压电薄膜层厚度为1μm时静态发射灵敏度和静态接收灵敏度随顶部电极层厚度变化情况(如附图6所示)。从图中可以看出，静态发射灵敏度和静态接收灵敏度都随顶部电极层厚度增加呈现下降趋势。
实施例中压电微机械超声换能器在顶部电极层半径为15μm，顶部电极层厚度为0.2μm时静态发射灵敏度和静态接收灵敏度随压电薄膜层厚度变化情况(如附图7所示)。从图中可以看出，随着压电薄膜层厚度增大，静态发射灵敏度整体呈现下降趋势，静态接收灵敏度呈现先上升后下降趋势。
上表为实施例中压电微机械超声换能器在顶部电极形状与底部空腔形状不同配置下的性能比较(在顶部电极层厚度为0.2μm，顶部电极层半径为15μm，压电薄膜层厚度为1μm的情况下)。从表中可以看出，在圆形顶部电极-方形底部空腔配置下，压电微机械超声换能器的静态发射灵敏度有着显著提高，尤其相比于方形顶部电极-方形底部空腔配置，压电微机械超声换能器的静态发射灵敏度提升了200％，达806pm/V。
综上所述，本发明基于对压电微机械超声换能器核心元件的压电薄膜，采用具有更优异的机电性能和压电性能的弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅单晶薄膜替代传统铁电材料锆钛酸铅和对压电微机械超声换能器，作进一步的优化设计的思路。从而实现具有优异的压电系数d31(～-2500pC/N)、高机电耦合系数k31(～95％)等优点，对提高器件性能具有关键作用。并对压电微机械超声换能器结构提升器件静态发射灵敏度具有重要影响，使压电微机械超声换能器的工作频率可达25MHz以上，对提高超声成像分辨率具有重大意义。凡此种种，为医学成像、指纹识别等超声成像应用以及高性能压电微机械超声换能器领域提供坚实的技术物质基础。
Claims (8)
1.一种基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器，为一悬膜式结构，其特征在于，由顶部电极层（1），压电薄膜层（2），底部电极层（3），粘附层（4），衬底（5）以及底部空腔（6）组成；
其中，所述顶部电极层（1）为圆形，厚度：0.1 μm≤he1≤3μm，半径：1 μm≤re≤24μm；和底部电极层（3）均为铂（Pt）；
所述压电薄膜层（2）为弛豫铁电单晶薄膜；
所述粘附层（4）为二氧化钛（TiO2）；
所述衬底（5）为硅晶片（SOI）；
所述底部空腔（6）形状为正方形，其尺寸与压电薄膜层（2）一致。
2.根据权利要求1所述的基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器，其特征在于，所述弛豫铁电单晶薄膜的材料为一沿[011]方向极化的铌镁酸铅-钛酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-30％PbTiO3，厚度：0.1 μm≤hp≤4.5 μm，尺寸为40μm×40μm至70μm×70μm。
3.根据权利要求1所述的基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器，其特征在于，所述底部电极层（3）厚度he2：0.1 μm≤he2≤1μm，尺寸为50μm×50μm至80μm×80μm。
4.根据权利要求1所述的基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器，其特征在于，所述粘附层（4）厚度ht：0.01 μm≤ht≤0.05μm。
5.根据权利要求1所述的基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器，其特征在于，所述硅晶片结构为顶层硅-二氧化硅-背衬硅，其中，顶层硅厚度hs：2 μm≤hs≤10μm，二氧化硅厚度ho：0.1 μm≤ho≤0.5μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.在衬底（5）上制备粘附层（4）；
B. 在粘附层（4）上溅射底部电极层（3）；
C. 在底部电极层（3）上制备Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-30％PbTiO3压电薄膜层（2）；
D. 通过湿法刻蚀将压电薄膜层（2）进行图案化；
E. 在压电薄膜层（2）上溅射顶部电极层（1）；
F.采用剥离工艺对顶部电极层（1）进行图案化；
G. 采用深反应离子刻蚀法对衬底（5）进行背面刻蚀。
7.根据权利要求6所述的基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器的制备方法，其特征在于，所述步骤A制备粘附层（4）包括：
首先在衬底上溅射钛层，然后将钛层经高温氧化为二氧化钛层。
8.根据权利要求6所述的基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器的制备方法，其特征在于，所述步骤G背面刻蚀至衬底（5）二氧化硅处止。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 弛豫铁电单晶的生长、性能及应用研究;李晓兵等;《人工晶体学报》;20120815;第1页至第11页 * |
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| CN111515111A (zh) | 2020-08-11 |
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