CN112871614A - 高发射性能的mems超声换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高发射性能的MEMS超声换能器，通过在超声换能器上设置深槽提高发射声压或者带宽，其中深槽的分布方式包括以下三种：一个或多个深槽贯穿超声换能器压电层、下电极、无源层、SiO2层，并一直延伸到衬底内；超声换能器远离衬底的上表面键合一层硅层，正对超声换能器的振膜的部分设置有贯通硅层作为波导的开口，一个或多个深槽分布在波导的周围；一个或多个深槽分布在倒装结构超声换能器衬底刻蚀的背腔周围。超声换能器发射的声波经过深槽时会引起深槽内的介质振动，这种振动会在超声换能器振膜上产生一个附加声场，通过调节深槽的尺寸，可以调节附加声场，从而调节超声换能器的发射声压、带宽、指向性等发射性能。

Description

高发射性能的MEMS超声换能器
技术领域
本发明涉及MEMS超声波换能器，尤其涉及高发射声压或者大带宽的MEMS超声换能器。
背景技术
超声换能器是既能将电能转换为声能又能将声能转换为电能的换能器件，因而超声换能器既能用于发射超声波也能用于接收超声波。目前应用最广的超声换能器基于体压电换能器，体压电换能器主要利用压电陶瓷的振动，由于谐振频率只与压电陶瓷的厚度相关，因而在同一平面上很难制作不同谐振频率的超声换能器。另外，这种换能器的压电陶瓷的厚度很难控制在亚微米级精度，因而不适用于高频。而MEMS超声换能器具有厚度较小、刚度较低的振动薄膜，其声阻抗较小，能够更好地与气体或液体进行耦合。此外，MEMS超声换能器的谐振频率主要由平面尺寸决定，因而对加工精度要求较低。MEMS超声换能器由于具有高性能、低成本的优点，越来越得到人们的重视。
MEMS超声换能器可分为电容式超声换能器(cMUT)和压电式超声换能器(pMUT)。相比于cMUT，pMUT不需要提供偏置电压，并且加工相对简单，目前得到广泛的应用。在测距方面，超声换能器的大带宽可以减少振荡时间，从而减小测距的盲区。在医学成像方面，超声换能器的大带宽可以增大穿透深度并进一步提高分辨率。但是由于pMUT的特性，相比于cMUT，很难达到100％以上的带宽，带宽比较小，无法满足一些测距或者成像应用中对带宽的要求。此外，单个pMUT的发射声压不足，需要对其发射性能进行提升。
发明内容
本发明提供高发射性能的MEMS超声换能器，通过在所述超声换能器上设置深槽，提高发射声压或者带宽，其中改变深槽的结构和尺寸可以获得不同发射声压、带宽、指向性的超声换能器。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种MEMS超声换能器，包括依次堆叠的衬底、SiO2层、无源层、下电极、压电层和上电极，其特征在于，一个或多个深槽贯穿所述压电层、所述下电极、所述无源层、所述SiO2层，并一直延伸到所述衬底内。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种MEMS超声换能器，所述超声换能器远离衬底的上表面键合一层硅层，正对所述超声换能器的振膜的部分设置有贯通所述硅层作为波导的开口，所述波导的周围设置有一个或多个深槽。
根据本发明实施例的第三方面，提供一种MEMS超声换能器，所述超声换能器衬底刻蚀有作为波导的背腔，所述波导的周围设置有一个或多个深槽。
在上述的第一方面、第二方面、第三方面，所述深槽为环形槽、柱状孔、环形阶梯槽中的一种或几种的组合。
本发明与现有技术相比，至少具有以下有益效果：1)可以显著提高超声换能器的输出声压，增大发射灵敏度；2)可以拓宽超声换能器的带宽，在这个范围内优化深槽尺寸，可以通过单个超声换能器实现100％以上-6dB带宽。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为本发明第一实施例提供的MEMS超声换能器的结构示意图，包括俯视图和截面图，其中深槽采用环形槽。
图2为本发明第二实施例提供的MEMS超声换能器的结构示意图，包括俯视图和截面图，其中深槽采用柱状孔阵列。
图3为本发明第三实施例提供的MEMS超声换能器的结构示意图，包括俯视图和截面图，其中深槽采用环形阶梯槽。
图4为本发明第四实施例提供的MEMS超声换能器的结构示意图，包括俯视图和截面图，其中深槽包括两圈环形槽。
图5为本发明第五实施例提供的MEMS超声换能器的结构示意图，包括俯视图和截面图，在超声换能器上方键合一层硅层，超声换能器振膜上方的开孔构成波导，在波导周围采用环形深槽。
图6为本发明第六实施例提供的MEMS超声换能器的结构示意图，包括俯视图和截面图，超声换能器采用倒装结构，在衬底上布置深槽，超声换能器下方与CMOS电路相连。
图7为带深槽的MEMS超声换能器的尺寸示意图。
图8为通过有限元仿真得到的带深槽的MEMS超声换能器与传统结构的声压对比图，其中带深槽的MEMS超声换能器具有大输出声压。
图9为在有限元仿真软件中对深槽的长度L进行参数化计算得到的声压图。
图10为通过有限元仿真得到的带深槽的MEMS超声换能器与传统结构的声压对比图，其中带深槽的MEMS超声换能器具有拓展的带宽。
图11为在有限元仿真软件中对深槽的长度L进行参数化计算得到的声压图，以分贝的形式表示，-6dB对应两个频率f1和f2，第一个峰的频率为f0。
图12为图11中有限元仿真得到的-6dB带宽的数据，-6dB带宽BW的计算公式为：BW＝(f2-f1)/f0。
图13-图17为带深槽的MEMS超声换能器的加工流程图。
附图标记说明：
1-衬底；2-SiO2层；3-无源层；4-下电极；5-压电层；6-上电极；7-深槽；8-波导；9-硅层；10-CMOS电路；11-超声换能器。
具体实施方式
MEMS超声换能器包括依次堆叠的衬底1、SiO2层2、无源层3、下电极4、压电层5和上电极6。图1展示了一种超声换能器11，该超声换能器11具有贯穿压电层5、下电极4、无源层3和SiO2层2的深槽7，深槽7在衬底1上延伸一段长度。当超声换能器11发射的超声波到达深槽7时，会引起深槽7中的介质产生振动，向外辐射声波，声波到达超声换能器11表面，产生一个附加声场，与超声换能器11表面的声场产生相互作用，通过调节深槽7的尺寸，如长度、宽度、与超声换能器11中心轴线的距离等可以调节附加声场的分布，从而实现超声换能器11的大声压输出或者拓宽带宽。具体地，超声换能器11的声压通过深槽7的作用得到增强，从而增大超声换能器11的输出声压；超声换能器11的谐振峰由于深槽7的作用被压制，与此同时由于深槽7的作用出现第二谐振峰，从而增大超声换能器11的带宽。
本发并不限定深槽7的形状、数量。例如，可以采用图1所示的环形槽，图2所示的柱状孔阵列，使用不同形状的深槽7可以调节超声换能器11的一些输出特性，如指向性、声场对称性等。如图3所示，深槽7还可采用环形阶梯槽，环形阶梯槽可以进一步改变附加声场的特性，从而获得一些需要的效果。如图4所示，可以设置两圈或多圈环形深槽7，进一步拓宽超声换能器11的声压和带宽的可调节范围，另外使用多圈深槽7会进一步影响超声换能器11的指向性，具体根据实际需求选择深槽7的数量和布置。
图5展示了一种超声换能器11，超声换能器11远离衬底1的上表面键合一层硅层9，正对超声换能器11的振膜的部分设置有贯通硅层9的开口，开口构成波导8，波导8的周围设置有深槽7，通过调整深槽7的尺寸来调节超声换能器11的发射声压或者带宽等发射性能。与图1的实施例相比，图5的实施例可以进一步利用波导8来调节超声换能器11的发射性能，在设计上具有更大的自由度。
图6展示了一种超声换能器11，该超声换能器11采用倒装结构，对衬底1进行深硅刻蚀形成背腔，背腔作为波导8使用，在波导8的周围刻蚀深槽7。该倒装结构超声换能器11远离衬底1的下表面可以与CMOS电路10结合。相比于图5的实施例，图6的实施例不需要额外键合一层硅层9，降低了加工难度，且便于与CMOS电路10结合使用。
图7为带深槽7的超声换能器的尺寸示意图，图中L表示深槽7长度(深度)、W表示深槽7宽度、R1表示超声换能器真空腔侧壁距离中心轴线的距离、R2表示深槽7距离中心轴线的距离，L、W、R1、R2的单位为um。
图8-图12为有限元仿真图。通过控制深槽7的尺寸，可以使得超声换能器11具有不同的发射特性。图8中，相比于传统结构，具有深槽7的超声换能器11可以获得更大的发射声压，而图9表明超声换能器11的发射声压可以通过改变深槽7的尺寸进行调节(这里只给出了调整深槽7长度L的仿真结果，事实上，调节W和R2均能对超声换能器11的发射声压进行调节)。图10中，相比于传统结构，具有深槽7的超声换能器11具有更大的发射带宽。由于深槽7的作用，出现了第二个谐振峰，与此同时第一个谐振峰被压制，从而很大程度上拓展了超声换能器11的带宽，而图11和图12表明超声换能器11的带宽可以通过调节深槽7的尺寸进行调节(这里只给出了调整深槽7长度L的仿真结果，事实上，调节W和R2均能对超声换能器11的发射声压进行调节)。通过对深槽7的尺寸进行优化，获得的-6dB带宽可以超过100％。
图13～图17展示了一种MEMS超声换能器的加工流程：
步骤1，在衬底1上进行刻蚀，可以通过孔和槽的面积比例来控制刻蚀速率，从而形成不同深度的刻蚀孔和槽，参考图13；
步骤2，在衬底1上键合一层具有SiO2层2的硅，硅作为无源层3，参考图14；
步骤3，在无源层3上依次沉积下电极4和压电层5，并在压电层5上刻蚀出下电极引出孔，参考图15；
步骤4，在压电层5上沉积上电极6并图案化，参考图16；
步骤5，刻蚀压电层5、下电极4、无源层3和SiO2层2，形成深槽7，参考图17。

Claims (6)

1.一种MEMS超声换能器，包括依次堆叠的衬底、SiO2层、无源层、下电极、压电层和上电极，其特征在于，一个或多个深槽贯穿所述压电层、所述下电极、所述无源层、所述SiO2层，并一直延伸到所述衬底内。
2.根据权利要求1所述的MEMS超声换能器，其特征在于，所述深槽为环形槽、柱状孔、环形阶梯槽中的一种或几种的组合。
3.一种MEMS超声换能器，其特征在于，所述超声换能器远离衬底的上表面键合一层硅层，正对所述超声换能器的振膜的部分设置有贯通所述硅层作为波导的开口，所述波导的周围设置有一个或多个深槽。
4.根据权利要求3所述的MEMS超声换能器，其特征在于，所述深槽为环形槽、柱状孔、环形阶梯槽中的一种或几种的组合。
5.一种MEMS超声换能器，其特征在于，所述超声换能器衬底刻蚀有作为波导的背腔，所述波导的周围设置有一个或多个深槽。
6.根据权利要求5所述的MEMS超声换能器，其特征在于，所述深槽为环形槽、柱状孔、环形阶梯槽中的一种或几种的组合。
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