CN111952435B - 一种声振测量用压电换能单元结构 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种声振测量用压电换能单元结构，包括硅基片，位于所述硅基片上的支撑层，以及位于所述支撑层上的压电振膜，所述压电振膜包括下电极层、压电层和上电极层，所述压电层位于上电极层和下电极层之间，所述硅基片开设有阵列式的凹槽，所述凹槽与所述支撑层构成半封闭的空腔；所述支撑层上开设有缝隙，所述缝隙直通至硅基片，并与所述空腔相错开。本申请可以提高压电换能器的灵敏度，同时提升能量收集效率。
Description
技术领域
本申请属于电子设备技术领域，尤其是涉及一种声振测量用压电换能单元结构。
背景技术
现有的换能器结构主要由上电极、压电层、下电极、支撑层和空心硅基底组成，上电极、压电层、下电极组成压电振膜。当有时变电电压信号加在上电极和下电极时，由于压电层的压电效应，使得压电振膜发声形变振动，并向外辐射出声波。当外界有声波作用到压电振膜上时，压电振膜的形变和振动被相应的转换成电信号。
在制备压电换能器时，压电振膜制程中，薄膜堆栈不易控制残余应力，使得全膜压电换能器应力无法释放，因此，会增加压电振膜刚性，进而导致压电换能器灵敏度下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术压电换能器灵敏度低的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种声振测量用压电换能单元结构，包括：硅基片、位于所述硅基片上的支撑层，以及位于所述支撑层上的压电振膜，所述压电振膜包括下电极层、压电层和上电极层，所述压电层位于上电极层和下电极层之间；
所述硅基片开设有阵列式的凹槽，所述凹槽与所述支撑层构成半封闭的空腔；
沿所述压电振膜的一侧边向支撑层开设有缝隙，所述缝隙直通至硅基片，并与所述空腔相错开；
所述缝隙将所述支撑层分割为第一支撑层和第二支撑层，且所述第一支撑层的长度大于第二支撑层的长度，所述压电振膜位于第一支撑层上。
本发明的有益效果是：本发明通过在支撑层开设缝隙来释放压电振膜的残余应力，从而了提升压电换能器的灵敏度。
通过硅基片的背面蚀刻阵列式的空腔，提高能量收集效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是本申请实施例的压电换能单元结构的示意图。
图中的附图标记为：1-压电层，2-上电极层，3-下电极层，4-支撑层，4-1第一支撑层，4-2第二支撑层，5-硅基片，6-空腔，7-缝隙。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
实施例
本实施例提供一种声振测量用压电换能单元结构，如图1所示，包括：
硅基片5，位于所述硅基片5上的支撑层4，以及位于所述支撑层4上的压电振膜，所述压电振膜包括下电极层3、压电层1和上电极层2，所述压电层1位于上电极层2和下电极层3之间；
所述硅基片5开设有阵列式的凹槽，所述凹槽与所述支撑层构成半封闭的空腔6；
所述支撑层4上开设有缝隙7，所述缝隙7直通至硅基片5，并与所述空腔6相错开。
本实施例选取硅基片作为基底，该硅基片可以为n型或者p+型硅基片，本实施例选取的硅基片厚度为50μm，本领域技术人员可以根据工程需要选择不同厚度的硅基片，为了保证硅基片的强度，防止其整体易出现破碎，其厚度一般不低于10μm。
支撑层4通过沉积的方式设置于硅基片5的正面，并在压电振膜设置于支撑层上，压电振膜层中压电层1位于下电极层3和上电极层2之间，下电极层3通过溅射的方式形成于硅基片上，压电层1通过沉积的方式形成于下电极层3上，上电极层2通过溅射的方式形成于压电层1上。下电极层3和上电极层2通过电性操作可给压电层1施加电学激励，压电振膜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，下电极层3、上电极层2和压电层1可以呈矩形，也可以呈矩形之外的其他形状，例如，正方形，长方形，椭圆等等或者其它不规则的任意图形，在本实施例中不对它们的形状做具体任何限制。
本实施例上电极层2和下电极层3的厚度小于压电层1的厚度，使得压电振膜整体厚度较薄，压电振膜更加敏感，从而压电换能单元的性能更佳。
需要说明的是，虽然压电振膜层包括下电极层、压电层和上电极层，对于本领域技术人员来说，该压电振膜层的结构中还可以包括但不限于位于下电极层与压电层中间、压电层与上电极层中间以及下电极层与硅基片之间的过渡层，该过渡层用于使得整个压电振膜的粘附力更好或者其他目的。
硅基片5背面设有阵列式空腔。在硅基片5背面朝向支撑层一侧进行蚀刻，每隔设定间距刻蚀一个凹槽，从而形成阵列式的凹槽，且凹槽穿透硅基片的厚度，露出支撑层4，每个凹槽均与支撑层4构成一个半封闭式的空腔6，从而形成阵列式的空腔。本实施例通过阵列化的结构设计，提升压电换能器的能量收集效率。
本实施例中，空腔的截面为矩形，在其他实施例中，空腔的截面也可以是圆形。本实施例矩形空腔的宽度范围在0.8μm～2μm。
在硅基片5的正面，朝向支撑层的方向开设缝隙7该缝隙7与硅基片背面的空腔错开，位于硅基片5的正上方，所述缝隙7直通至硅基片，以释放压电振膜的残余应力，从而保证压电换能单元较高的灵敏度。
所述缝隙7将所述支撑层4分割为第一支撑层4-1和第二支撑层4-2，且所述第一支撑层4-1的长度大于第二支撑层4-2的长度，所述压电振膜位于第一支撑层4-1上。
作为一种可行的实施方式，压电振膜靠近缝隙7的一侧与第一支撑层4-1靠近缝隙的一侧边齐平。
需要注意的是，缝隙7的宽度需要非常小，该缝隙的宽度需要小于0.4μm，本实施例中优选的是，0.25μm。
可选的，所述支撑层为氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜或上述薄膜组成的复合膜。
该支撑层主要用于对压电薄膜的支撑和辅助震动，本领域技术人员可以根据需要和工艺条件选择不同的材料薄膜，而非仅限于上述几种薄膜。所述支撑层的厚度
可选的，所述上电极层和所述下电极层的材料为Au、Pt、Cu、Al、Cr、Ni、Cr/Ni合金、Cr/Cu合金、Cr/Au合金或Ti/Pt合金、ITO、碳纳米管、或石墨烯。
本实施例上电极层和下电极层的材料可以相同，也可以不同，本实施例优选上电极层和所述下电极层均为Pt薄膜。
可选的，所述下电极层和上电极层的厚度相同，且所述下电极层的面积大于上电极层的面积。
上电极层2和下电极层3的厚度范围一般选择在0.05μm～3μm之间，当其厚度太薄时，会导致上电极层2和下电极层3的电阻太大；当其厚度太大时，沉积形成上电极层2和下电极层3的难度过大，同时后期对其进行刻蚀时难度过大。本实施例优选上电极层和下电极层的厚度为0.4μm～1μm。
可选的，所述压电层的厚度为1.5μm～4μm。
压电薄薄的厚度可以为1.5μm～4μm，本实施例优选为2μm。本实施例压电薄膜厚度较小，其形变需要的作用力就很微弱，从而有利于产生极化电荷。优选的，本实施例选取的压电薄膜材料为具有良好压电性能的氧化锌(ZnO)。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (9)
1.一种声振测量用压电换能单元结构，包括硅基片，位于所述硅基片上的支撑层，以及位于所述支撑层上的压电振膜，所述压电振膜包括下电极层、压电层和上电极层，所述压电层位于上电极层和下电极层之间，其特征在于，
所述硅基片开设有阵列式的凹槽，所述凹槽与所述支撑层构成半封闭的空腔；
所述支撑层上开设有缝隙，所述缝隙直通至硅基片，并与所述空腔相错开。
2.根据权利要求1所述的声振测量用压电换能单元结构，其特征在于，所述下电极层和上电极层的厚度相同，且所述下电极层的面积大于上电极层的面积。
3.根据权利要求1所述的声振测量用压电换能单元结构，其特征在于，所述上电极层和下电极层的厚度为0.4
~1
。
4.根据权利要求1所述的声振测量用压电换能单元结构，其特征在于，所述压电层的厚度为 1.5
~4
。
5.根据权利要求1所述的声振测量用压电换能单元结构，其特征在于，所述缝隙的宽度小于0.5
。
6.根据权利要求1所述的声振测量用压电换能单元结构，其特征在于，所述空腔为矩形空腔，所述矩形空腔的宽度范围在0.8
~2
。
7.根据权利要求1所述的声振测量用压电换能单元结构，其特征在于，所述压电层为ZnO压电薄膜。
8.根据权利要求1所述的声振测量用压电换能单元结构，其特征在于，所述支撑层为氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜或上述薄膜组成的复合膜。
9.根据权利要求1所述的声振测量用压电换能单元结构，其特征在于，所述上电极层和所述下电极层的材料为Au、Pt、Cu、Al、Cr、Ni、Cr/Ni合金、Cr/Cu合金、Cr/Au合金或Ti/Pt合金、ITO、碳纳米管、或石墨烯。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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