CN112452694A - 多频压电式微型超声换能器单元、阵列和方法 - Google Patents
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Abstract
多频压电式微型超声换能器单元及其阵列，包括：自下向上依次层叠设置的衬底、支撑膜、底电极、压电薄膜和顶电极；其中，所述支撑膜和所述压电薄膜中至少有一个被设计成随厚度变化的结构，且该结构沿厚度方向的截面为阶梯形、三角形、抛物线形或凸台形。其优点是：采用振动薄膜变厚的多频压电式微型超声换能器单元结构设计，可以避免复合模态的形成，增加多频压电式微型超声换能器单元工作时的多频谐波分量，只需要一个多频压电式微型超声换能器单元即可实现对多频超声波的激励。
Description
技术领域
本发明涉及微纳机电器件设计与制造技术领域，具体地说是多频压电式微型超声换能器单元、阵列和方法。
背景技术
超声换能器是按照机械能与电能相互转换的原理激发或接收超声波信号的传感器，是现代超声波检测与成像系统中不可或缺的核心功能器件，在经济建设、社会发展和国防安全中发挥着重要作用。传统的超声换能器采用块体状压电陶瓷设计制作，存在体积大、声阻抗易失配、频带窄、功耗大、难于集成等诸多缺陷，而基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术的微型超声换能器(Micromachined UltrasonicTransducer,MUT)在体积、功耗、集成度和阻抗匹配方面具有独特的优势，特别是压电式微型超声换能器(pMUT)能克服电容式微型超声换能器(cMUT)制备工艺复杂、空腔密封性差、偏置电压高、易受寄生电容影响、长期工作稳定性差等不足，在精准医疗、智能机器人、自动驾驶、生物特征识别等领域展现出广阔的应用前景。
由于多频超声比单频超声在检测、传感与治疗应用领域具有更明显的优势，但是现有的pMUT器件工作频率一般比较单一，难以兼顾超声检测分辨率和穿透能力，常常需要采用多种单频的pMUT单元组合设计成混合单元型的多频pMUT阵列，例如中国发明专利CN105980968B、美国专利US9815087、美国专利US9945818和美国专利US10497747。这种阵列结构可以按照不同pMUT单元水平交织或垂直堆叠排列方式设计，但是相邻单元间易发生超声串扰，影响最终超声检测或成像的效果，因此需要额外考虑设计一层频率选择隔离层，增加了器件整体体积、功耗、设计复杂度和制作成本。
此外，通过搭配合适的控制电路，可以实现对pMUT单元的基波和高阶谐波激励，例如中国发明专利CN104271265A和美国专利US8767512，并且可借助超声造影剂对高阶谐波进行非线性放大，从而获得具有医学精准成像实用价值的多频带超声波，但是该方法需要的控制电路一般比较复杂，频带设计灵活性差，甚至需要考虑顶电极的结构设计以提升高阶谐波的机电转换能力，难以满足大量、快捷的实际检测需求。
因此，为了设计出具有多频带且各频带设计灵活的多频pMUT单元或其单一单元型pMUT阵列，通过优化设计pMUT振动薄膜的结构刚度与质量分布是实现该高性能pMUT器件的关键。
发明内容
本发明提供多频压电式微型超声换能器单元、阵列和方法，通过对多频压电式微型超声换能器单元振动薄膜的结构设计来优化其刚度和质量分布，实现对平膜多频压电式微型超声换能器单元中复合模态的解耦合，提升高阶模态的机电转换能力以增加多频压电式微型超声换能器单元的高阶谐波分量，并通过优化设计多频压电式微型超声换能器单元振动薄膜的长宽口径比来控制一阶模态与高阶模态之间的频率间隔，进而达到只采用一个多频压电式微型超声换能器单元或均一多频压电式微型超声换能器单元的阵列便可获得多频带超声波信号的目的。
为了实现上述发明目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明第一方面保护一种多频压电式微型超声换能器单元，包括自下向上依次层叠设置的衬底、支撑膜、底电极、压电薄膜和顶电极；
其中，所述支撑膜和所述压电薄膜中至少有一个被设计成随厚度变化的结构，且该结构沿厚度方向的截面为阶梯形、三角形、抛物线形或凸台形。
优选地，所述衬底中含有一个空腔，且空腔的水平截面形状为多边形、圆形或椭圆形。
优选地，所述衬底的材料包括但不限于：硅、碳化硅、蓝宝石、玻璃、氮化镓、砷化镓、铜箔、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯和它们的多层复合物。
优选地，所述支撑膜的材料包括但不限于：硅、氧化硅、氮化硅、碳化硅、石墨烯、铜箔、MXene材料、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯和它们的多层复合物。
优选地，所述的压电薄膜的材料包括但不限于：锆钛酸铅系、钛酸铅系、铌酸铅系、掺铌锆钛酸铅系、钛酸铋系、氮化铝、掺钪氮化铝、氧化锌、石英、二硫化钼、聚偏氟乙烯和由它们衍生的复合物。
优选地，所述底电极和所述顶电极由电阻率小于等于0.001Ω·cm的金属或非金属导电材料构成。
本发明第二方面保护一种多频压电式微型超声换能器阵列，该阵列中包含第一方面所述的多频压电式微型超声换能器单元。
优选地，第二方面所述阵列中的多频压电式微型超声换能器单元为同一种单元结构。
优选地，第二方面所述阵列采用不同种的多频压电式微型超声换能器单元结构按照交织的方式排列构成。
本发明第三方面保护一种多频压电式微型超声换能器单元的制作方法，包括
S1、标准清洗衬底，刻蚀衬底，形成具有一定截面形状的空腔；
S2、在衬底的上表面制作支撑膜；
S3、在支撑膜的上表面沉积导电材料作为底电极，并对底电极进行图形化处理；
S4、在底电极的上表面沉积压电薄膜，并对压电薄膜按照空腔的截面形状进行图形化处理；
S5、在压电薄膜的上表面沉积导电材料作为顶电极，对顶电极进行图形化处理。
多频压电式微型超声换能器单元的多频特性形成机理为：位于空腔上表面的支撑膜、底电极、压电薄膜和顶电极共同构成多频压电式微型超声换能器单元的有效振动薄膜，由于有效振动薄膜结构的厚度尺寸沿着长度与宽度方向发生变化，导致有效振动薄膜结构的刚度和质量分布呈非对称性，进而在有效振动薄膜内部产生非严格对称的应力分布，根据压电理论，相比常规固定厚度振动薄膜的单频压电式微型超声换能器单元，所述多频压电式微型超声换能器单元具有反对称运动振型的二维高阶模态将不会因有效振动薄膜表面产生的电荷量完全相抵而消失在频谱中，阻止多个二维高阶模态相互耦合形成复合模态，增加换能器谐振的多频谐波分量；
此外，通过调节所述的多频压电式微型超声换能器单元的长宽口径比，一方面可以进一步增大有效振动薄膜沿着长度和宽度方向内部应力分布的非对称性，增加换能器谐振的多频谐波分量，另一方面可以调节高阶谐波分量与基波之间的频率比，提升高阶模态的机电转换能力，因此，通过优化所述的多频压电式微型超声换能器单元的厚度分布函数和长宽口径比，即可获得具有良好多频特性的超声波信号，当多频压电式微型超声换能器单元工作在液体阻尼环境中，通过优化设计其长宽口径比，可以使若干个频率间隔很接近的模态融合在一起，从而这些模态的频谱相互叠加形成更宽范围的频谱，通过改变多频压电式微型超声换能器单元的长宽口径比调节工作频率的带宽，获得具有多频和宽带特性的超声波信号。
所述的多频压电式微型超声换能器单元在二维高阶模态(p，q)上的弯曲振动模态频率可以确定为
其中，p和q分别为二维高阶模态(p，q)沿着长度和宽度方向的波腹个数，α为综合反映多频压电式微型超声换能器单元结构形状、边界条件和内部残余应力的因子，Kp，q为多频压电式微型超声换能器单元在二维高阶模态(p，q)上的振型因子，S为多频压电式微型超声换能器单元的有效横截面积，D(x，y，z)和m(x，y，z)分别为多频压电式微型超声换能器单元的结构刚度和面密度分布，是多频压电式微型超声换能器单元结构中各层有效振动薄膜结构厚度的分布函数。
本发明的多频压电式微型超声换能器单元、阵列和方法，具有体型小、功耗低、易于集成、设计灵活、多频带且频带可调的优点，可以结合现有阻抗匹配和封装技术，工作在真空、空气、水或其他液体环境中实现超声检测。与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
1)本发明采用振动薄膜变厚度的多频压电式微型超声换能器单元结构设计，可以避免复合模态的形成，增加多频压电式微型超声换能器单元工作时的多频谐波分量，只需要一个多频压电式微型超声换能器单元即可实现对多频超声波的激励；
2)通过对本发明所述多频压电式微型超声换能器单元的长宽口径比优化设计，可以实现对多个谐振模态的机电转换能力和它们之间的频率间隔的调节，当多频压电式微型超声换能器单元工作在液体阻尼环境中，可以通过改变其长宽口径比实现对工作频带带宽的调节；
3)与现有混合单元型的多频压电式微型超声换能器阵列相比，本发明提出的多频压电式微型超声换能器阵列所采用的换能器单元结构完全一致，不存在单元间串扰对器件工作效果的影响，无需考虑设计频率选择隔离层，降低了阵列结构设计复杂度和制作成本；
4)本发明的制备方法简单，操作方便，便于推广。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明具有孔洞型衬底的多频压电式微型超声换能器单元结构截面图；
图2为本发明具有凹槽型衬底的多频压电式微型超声换能器单元结构截面图；
图3为本发明矩形多频压电式微型超声换能器单元的结构俯视图；
图4为本发明六边形多频压电式微型超声换能器单元的结构俯视图；
图5为本发明椭圆形多频压电式微型超声换能器单元的结构俯视图；
图6为本发明多频压电式微型超声换能器单元在加工制作方法过程中结构变化的流程图；
图7为本发明按照换能器单元矩形平面排列的多频压电式微型超声换能器阵列结构示意图；
图8为本发明按照换能器单元环形平面排列的多频压电式微型超声换能器阵列结构示意图；
其中：
衬底1，支撑膜2，底电极3，压电薄膜4，顶电极5、空腔6、多频压电式微型超声换能器单元7。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明阵列中所有多频压电式微型超声换能器单元在设计中可考虑同一种单元结构，在一些具体实施方式中多频压电式微型超声换能器阵列也可以采用不同种的多频压电式微型超声换能器单元结构按照交织的方式排列构成，所有多频压电式微型超声换能器单元的底电极连接在一起，作为多频压电式微型超声换能器阵列的底电极，多频压电式微型超声换能器阵列中所有多频压电式微型超声换能器单元的顶电极连接在一起，作为多频压电式微型超声换能器阵列的顶电极。
在一些具体实施方式中，所述多频压电式微型超声换能器阵列中的所有多频压电式微型超声换能器单元按照相同间距以一维线性状、二维平面状或三维曲面状的形式排列，其中，一维线形状排列的多频压电式微型超声换能器阵列可以是沿着所述多频压电式微型超声换能器单元的长度或宽度方向直线排列，二维平面状排列的多频压电式微型超声换能器阵列可以是沿着多频压电式微型超声换能器单元的长度和宽度方向排列或者以一个多频压电式微型超声换能器单元为中心按照同心圆的方式排列。所述多频压电式微型超声换能器阵列的超声频谱由构成它的所有多频压电式微型超声换能器单元的超声频谱叠加而成，根据多频压电式微型超声换能器单元的多频形成机理，多频压电式微型超声换能器阵列可以激发出具有良好多频特性的超声波信号。
如下实施例一：具有孔洞型衬底的多频压电式微型超声换能器单元
如图1(为图3和/或图4和/或图5中A-A截面示意图)所示，包括衬底1，支撑膜2，底电极3，压电薄膜4，顶电极5和空腔6。其中，空腔6的水平截面形状可以为矩形、六边形、椭圆形或其他平面形状，并与压电薄膜4的水平截面形状保持一致，由此可以分别实现矩形多频压电式微型超声换能器单元(如图3所示，图中压电薄膜4为矩形)、六边形多频压电式微型超声换能器单元(如图4所示，图中压电薄膜4为六边形)和椭圆形多频压电式微型超声换能器单元(如图5所示，图中压电薄膜4为椭圆形)；压电薄膜4的主要尺寸参数包括薄膜总长度、薄膜长宽口径比、薄膜总厚度、两级台阶长度比和两级台阶厚度比，通过调节这些尺寸参数可以改变多频压电式微型超声换能器单元有效振动薄膜的结构刚度分布与质量分布，进而对多频压电式微型超声换能器单元的高阶复合模态形成调制。
所述的多频压电式微型超声换能器单元在二维高阶模态(p，q)上的弯曲振动模态频率可以确定为
其中，p和q分别为二维高阶模态(p，q)沿着长度和宽度方向的波腹个数，α为综合反映多频压电式微型超声换能器单元结构形状、边界条件和内部残余应力的因子，Kp，q为多频压电式微型超声换能器单元在二维高阶模态(p，q)上的振型因子，S为多频压电式微型超声换能器单元的有效横截面积，D(x，y，z)和m(x，y，z)分别为多频压电式微型超声换能器单元的结构刚度和面密度分布，是多频压电式微型超声换能器单元结构中各层有效振动薄膜结构厚度的分布函数。
本实施例一中，衬底1为孔洞型衬底，压电薄膜4为阶梯型压电薄膜，空腔6为孔洞型空腔；且所述衬底1由半导体材料或高阻绝缘材料构成，上下表面平行；具体材料选择包括但不限于：硅(Si)、玻璃(SiO2)、聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、和它们的多层复合物。
本实施例一中，所述支撑膜2可以由一层、两层或多层绝缘薄膜构成，支撑膜的选择材料包括但不限于：硅(Si)、氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、石墨烯(Graphene)、铜箔(Cu)、MXene材料、聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚碳酸酯(PC)和它们的多层复合物。
本实施例一中，所述压电薄膜4是由压电材料构成的，两层压电薄膜台阶可以是属于同一种材料，也可以是属于不同种材料，具体选择材料包括但不限于：锆钛酸铅(PZT)、掺铌锆钛酸铅(PZNT)、氮化铝(AlN)、掺钪氮化铝(ScAlN)、氧化锌(ZnO)、石英(SiO2)、二硫化钼(MoS2)、聚偏氟乙烯(PVDF)和由它们衍生的复合物。
在本实施例1中，所述底电极3和顶电极5由电阻率不高于0.001Ω·cm的金属或非金属导电材料构成，具体选择材料包括但不限于：铜、铝、银、金、铂、钛、铬、钼、石墨烯、高掺杂硅和由它们衍生的复合物。
实施例二：具有凹槽型衬底的多频压电式微型超声换能器单元
如图2(为图3和/或图4和/或图5中A-A截面示意图)所示，包括：衬底1，支撑膜2，底电极3，压电薄膜4，顶电极5和空腔6。其中，空腔6的水平截面形状可以为矩形、六边形、椭圆形或其他平面形状，并与压电薄膜4的水平截面形状保持一致，由此可以分别实现矩形压电薄膜的多频压电式微型超声换能器单元(如图3所示，图中压电薄膜4为矩形)、六边形压电薄膜的多频压电式微型超声换能器单元(如图4所示，图中压电薄膜4为六边形)和椭圆形压电薄膜的多频压电式微型超声换能器单元(如图5所示，图中压电薄膜4为椭圆形)。
本实施例二中，衬底1为凹槽型衬底，压电薄膜4为阶梯型压电薄膜，空腔6为凹槽型空腔，本实施例二所示的支撑膜2、底电极3、压电薄膜4和顶电极5的材料及结构设置均与实施例一相同或可以进行适应性调整，本实施例二所示的衬底1与实施例一的衬底1所用的材料相同或可以进行适应性调整，这里不再赘述。
实施例三：关于实施例二中多频压电式微型超声换能器单元的制作方法
如图6流程示意图所示，主要步骤包括：
步骤S1：对选用的衬底进行标准清洗，采用光刻、干刻、湿刻或机械钻刻工艺刻蚀衬底，当衬底表面的粗糙度小于50nm时进行进一步抛光预处理，形成具有矩形、六边形、椭圆形或其他平面形状的凹槽型的衬底1和凹槽型的空腔6；
步骤S2：采用键合、粘结或压合工艺在凹槽型的衬底1的上表面制作支撑膜2，凹槽型的空腔6可以处于完全密封状态或非密封状态，对于由多层绝缘薄膜构成的支撑膜2可按照分步的方式一层一层地制备；
步骤S3：在支撑膜2的上表面沉积导电材料作为底电极3，对底电极3进行图形化处理；
步骤S4：在底电极3的上表面首先沉积厚度均匀的压电薄膜，通过一张图形化光刻掩膜版对厚度均匀的压电薄膜进行部分刻蚀，形成厚度不均的压电薄膜，接着再采用一张图形化掩膜版对厚度不均的压电薄膜按照空腔的截面形状进行图形化刻蚀，最终形成阶梯型的压电薄膜4；
步骤S5：在阶梯型的压电薄膜4的上表面沉积导电材料作为顶电极5，并对顶电极5进行图形化处理，完成整个多频压电式微型超声换能器单元加工制作。
在完成本实施例以上具体步骤后，可以分别在底电极3和顶电极5上制作金属引线，便于与外部电路连接。
实施例四：一种多频压电式微型超声换能器阵列的设计方法，由均一的多频压电式微型超声换能器单元构成，该多频压电式微型超声换能器阵列自下向上包括：衬底1(凹槽型衬底或孔洞型衬底)，支撑膜2，底电极3，阶梯型的压电薄膜4，顶电极5和空腔6(凹槽型空腔或孔洞型空腔)，由具有孔洞型或凹槽型的衬底1的多频压电式微型超声换能器单元7作为基本单元按照平面矩形形式排列构成(如图7所示)。
所有多频压电式微型超声换能器单元的底电极3相互连接在一起构成多频压电式微型超声换能器阵列的底电极，并进一步做金属引线与外部电路连接。所有多频压电式微型超声换能器单元的顶电极5相互连接在一起构成多频压电式微型超声换能器阵列的顶电极，并进一步做金属引线与外部电路连接。
此外，由衬底1(凹槽型衬底或孔洞型衬底)的多频压电式微型超声换能器单元7还可以作为基本单元按照平面圆形形式排列构成多频压电式微型超声换能器阵列(如图8所示)。
在图8中，所有多频压电式微型超声换能器单元的底电极3相互连接在一起构成多频压电式微型超声换能器阵列的底电极，所有多频压电式微型超声换能器单元的顶电极5相互连接在一起构成多频压电式微型超声换能器阵列的顶电极。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.多频压电式微型超声换能器单元，其特征在于，包括：自下向上依次层叠设置的衬底、支撑膜、底电极、压电薄膜和顶电极；
其中，所述支撑膜和所述压电薄膜中至少有一个被设计成随厚度变化的结构，且该结构沿厚度方向的截面为阶梯形、三角形、抛物线形或凸台形。
2.如权利要求1所述的多频压电式微型超声换能器单元，其特征在于：所述衬底中含有一个空腔，且空腔的水平截面形状为多边形、圆形或椭圆形。
3.如权利要求1所述的多频压电式微型超声换能器单元，其特征在于：所述衬底的材料包括但不限于：硅、碳化硅、蓝宝石、玻璃、氮化镓、砷化镓、铜箔、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯和它们的多层复合物。
4.如权利要求1所述的多频压电式微型超声换能器单元，其特征在于：所述支撑膜的材料包括但不限于：硅、氧化硅、氮化硅、碳化硅、石墨烯、铜箔、MXene材料、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯和它们的多层复合物。
5.如权利要求1所述的多频压电式微型超声换能器单元，其特征在于：所述的压电薄膜的材料包括但不限于：锆钛酸铅系、钛酸铅系、铌酸铅系、掺铌锆钛酸铅系、钛酸铋系、氮化铝、掺钪氮化铝、氧化锌、石英、二硫化钼、聚偏氟乙烯和由它们衍生的复合物。
6.如权利要求1所述的多频压电式微型超声换能器单元，其特征在于：所述底电极和所述顶电极由电阻率小于等于0.001Ω·cm的金属或非金属导电材料构成。
7.一种多频压电式微型超声换能器阵列，其特征在于：包含权利要求1-6任一所述的多频压电式微型超声换能器单元。
8.如权利要求7所述的一种多频压电式微型超声换能器阵列，其特征在于：阵列中的多频压电式微型超声换能器单元为同一种单元结构。
9.如权利要求7所述的一种多频压电式微型超声换能器阵列，其特征在于：所述阵列采用不同种的多频压电式微型超声换能器单元结构按照交织的方式排列构成。
10.一种多频压电式微型超声换能器单元的制作方法，其特征在于，包括：
S1、标准清洗衬底，刻蚀衬底，形成具有一定截面形状的空腔；
S2、在衬底的上表面制作支撑膜；
S3、在支撑膜的上表面沉积导电材料作为底电极，并对底电极进行图形化处理；
S4、在底电极的上表面沉积压电薄膜，并对压电薄膜按照空腔的截面形状进行图形化处理；
S5、在压电薄膜的上表面沉积导电材料作为顶电极，对顶电极进行图形化处理。
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