CN113120854A - 一种背衬型高频宽带pmut单元及pmut阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种背衬型高频宽带PMUT单元及PMUT阵列，PMUT单元包括依次叠层的基底(1)、电隔离层(2)、下电极(3)、压电层(4)、上电极(5)、钝化层(6)和引线层(7)，所述的基底(1)上从其底部沿轴向向上开设有一盲孔式空腔形成背腔，所述的背腔中填充背衬材料(8)。PMUT阵列包括若干按行列依次排列的PMUT单元。与现有技术相比，本发明背衬结构可以将PMUT阵列带宽提高一倍以上，并且同时满足相控阵对单元间距的要求。
Description
技术领域
本发明涉及超声换能器技术领域，尤其是涉及背衬型高频宽带PMUT单元及PMUT阵列。
背景技术
超声换能器是一种有效、廉价、无辐射的非破坏性检测技术。在以下行业中广泛使用的设备：非破坏性测试(NDT)、速度检测、工业自动化、物体识别、防撞系统和医学成像。
相对于块体传感器，基于MEMS技术的微型超声换能器(MicromachinedUltrasonic Transducer，MUT)具有易于大规模加工、便于阵列化的优势，在高分辨率超声成像领域具有广阔的前景。
MUT器件主要分为基于电容原理的CMUT(电容式超声波换能器)和基于压电原理的PMUT(压电式超声波换能器)。与CMUT相比较，PMUT具有振动位移大，不需要大偏置电压的优点。
为了提高器件的发射灵敏度，西安交通大学研究了一种可以有控制变频和聚焦的PMUT单元。针对移动端的应用场景，高通公司分别提出了三端口的指纹传感器和波束主动成型技术。
PMUT研究在灵敏度和小型化方面比较成功，但在带宽方面的进步比较缓慢。带宽窄会导致器件轴向分辨率较低，并且无法应用于谐波成像或谐振成像，严重限制了PMUT在成像领域的应用。富士科技研究人员将多个具有不同谐振频率单元串联，形成类似多通道滤波器的结构，进而获得较大的带宽。但这种方式需要克服单元指向性不同的问题，一般需要结合声透镜使串联的单元一起形成一个波束，增加了加工工艺的复杂度。另一方面，该种器件的单元占用的面积较大，单元间的间距很难满足相位控制的需求，较难实现电控二维扫描。
加州大学人员利用长条形和环形单元谐振模态多的特点，借助模态融合，使单一单元在负载条件下具有较大的带宽。但该种器件较难满足器件间距需求，无法有效组成二维阵列，并且较难应用于高频器件。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种背衬型高频宽带PMUT单元及PMUT阵列。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种背衬型高频宽带PMUT单元，包括依次叠层的基底、电隔离层、下电极、压电层、上电极、钝化层和引线层，所述的基底上从其底部沿轴向向上开设有一盲孔式空腔形成背腔，所述的背腔中填充背衬材料。
优选地，所述的基底包括SOI衬底，所述的SOI衬底由底部下上依次为支撑层、埋氧层和器件层。
优选地，所述的盲孔式空腔开设在支撑层上，由支撑层底部开始贯穿至支撑层顶部并到达埋氧层下方。
优选地，所述的背衬材料为柔性材料。
优选地，所述的柔性材料包括PDMS。
优选地，所述的电隔离层包括氧化硅。
优选地，所述的压电层为岛型结构。
优选地，所述的岛型结构的直径小于背腔直径。
优选地，所述的上电极覆盖在压电层上方，上电极占压电层表面比高于70％。
一种背衬型高频宽带PMUT阵列，所述的PMUT阵列包括若干所述的PMUT单元，所述的PMUT单元按行列依次排列，每个PMUT单元分别通过引线独立控制。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明在基底开设盲孔式空腔形成背腔并在背腔中填充背衬材料形成背衬型高频宽带PMUT单元，该PDMS背衬结构可以在器件中引入阻尼，进而提高器件振动的衰减速度，在时域上获得较理想的脉冲信号，脉冲拖尾比较短，几乎不会影响器件振动模态，可以明显拓展器件带宽，可以达到100％；
(2)本发明背衬材料采用PDMS具有如下优势：1.PDMS表面能低，容易通过真空除泡的方式填入深孔；2.PDMS较软不会改变器件振膜的边界条件；3.PDMS的衰减系数可以通过改性或增加填料改变；进而，能够简化制造工艺，同时拓展期间带宽；
(3)本发明压电层采用岛型结构，岛型结构直径小于背腔直径，具体比例可根据实际需要，用有限元软件计算，保证压电层单侧(如上表面)不会再工作中同时产生相反极性的电荷，减少电极设计的复杂度，降低单元间的串扰；
(4)本发明上电极占压电层表面比高，上电极几乎布满整个岛型结构，可以提高器件的发射和接收灵敏度。
附图说明
图1为本发明一种背衬型高频宽带PMUT单元的结构示意图；
图2为本发明一种背衬型高频宽带PMUT单元的工艺流程图；
图3为本发明一种背衬型高频宽带PMUT阵列的排列示意图；
图4为本发明实施例中PMUT阵列脉冲响应结果；
图中，1为基底，2为电隔离层，3为下电极，4为压电层，5为上电极，6为钝化层，7为引线层，8为背衬材料，11为支撑层，12为埋氧层，13为器件层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种背衬型高频宽带PMUT单元，包括依次叠层的基底1、电隔离层2、下电极3、压电层4、上电极5、钝化层6和引线层7，基底1上从其底部沿轴向向上开设有一盲孔式空腔形成背腔，背腔中填充背衬材料8。
基底1包括SOI衬底，SOI衬底由底部下上依次为支撑层11、埋氧层12和器件层13。盲孔式空腔开设在支撑层11上，由支撑层11底部开始贯穿至支撑层11顶部并到达埋氧层12下方。
电隔离层2包括氧化硅，压电层4的压电材料选择包括但不限于PZT，ALN等压电材料。
引线层7的金属引线通过引线孔与上电极5相连接，用于进行电信号激励；
引线层7的金属引线与下电极3之间采用钝化层6进行物理和电学隔离；
上电极5直接接触压电层4；
压电层4为孤立的岛型结构，压电层4下方与器件下电极3直接相连；
器件下电机与SOI衬底之间采用氧化硅作为电学隔离材料形成电隔离层2，其中SOI衬底为一种在集成电路领域常用的基底1；
利用深硅刻蚀技术，从背面刻蚀SOI衬底，形成背腔结构；
背腔内填充有PDMS作为背衬材料8，其中PDMS为常用的柔性聚合物。PDMS填入深孔工艺，采用真空填充的方式保证PDMS完全进入背腔。
选择PDMS作为背衬材料8的原因如下，1.PDMS表面能低，容易通过真空除泡的方式填入深孔；2.PDMS较软不会改变器件振膜的边界条件；3.PDMS的衰减系数可以通过改性或增加填料改变。
采用岛型压电层4结构，岛型结构直径小于背腔直径，具体比例可根据实际需要，用有限元软件计算，保证功能层单侧(如上表面)不会再工作中同时产生相反极性的电荷，减少电极设计的复杂度，降低单元间的串扰。岛型结构通过腐蚀、刻蚀或沉积工艺实现，本例采用湿法腐蚀的方式获得。
上电极5覆盖在压电层4上方，上电极5占压电层4表面比高于70％。上电极5占压电层4表面比高，上电极5几乎布满整个岛型结构，可以提高器件的发射和接收灵敏度。
如图2所示为一种背衬型高频宽带PMUT单元的加工工艺流程，结合附图2中(a)～(i)，具体加工工艺样例如下：
(a)基底1是一个4英寸350μm厚的绝缘体上硅(SOI)晶圆，带有一个4μm的器件层13和一个500nm的埋置硅层(埋氧层12)。清洗后，在热氧化炉中在晶圆两侧生长500nm的热氧化层，厚度与埋层相等，以平衡其热应力。采用物理气相沉积法(PVD)沉积20nm/200nm的Ti/Pt作为底电极，铂作为PZT的扩散阻挡层和种子层。
(b)采用多层溶胶-凝胶法制备1μm厚的PZT涂层。
(c)采用物理气相沉积10nm/100nm的Cr/Au层，并通过lift-off工艺形成顶部电极层。通过湿法腐蚀的方式对PZT进行图形化，掩模材料为光刻胶，最终得到PZT岛型结构。
(d)利用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)在300℃条件下沉积250nm厚的硅氧化物层作为钝化层6。
(e)引线孔开放，通过RIE腐蚀绝缘层并在顶部电极层终止。
(f)金属引线加工，采用lift-off(剥离)工艺或其他图形化的方式(如腐蚀)获得。
(g)沉积第二层钝化层6，用于保护金属引线不受划伤和污染。样例中采用氧化硅做为钝化材料，每个引线端部和底电极上面的二氧化硅层军备刻蚀掉，形成开孔。
(h)通过双面对准工艺在晶圆背面形成掩模，用于进行深硅刻蚀，完成器件背腔的加工。采用AZ 4620光刻胶(PR)作为掩模，通过深层反应离子蚀刻(DRIE)从背面释放出20微米半径的振动层和波导结构。蚀刻停止在SOI片的埋氧层12。
(i)在波导中填充PDMS形成背衬结构。PDMS(Sylgard 184,Dow Corning Co.，Midland,USA)按10：1的比例混合，放在冰箱里释放气泡。然后将其倒在设备背面上方，在低温，133Pa以下的压力下脱气固化10小时后，完成固化。
如图3所示，一种背衬型高频宽带PMUT阵列，PMUT阵列包括若干PMUT单元，PMUT单元按行列依次排列，每个PMUT单元分别通过引线独立控制。本实施阵列包括128个单元，阵列形式为8*16，单元间距为特定数值，该数值与器件的工作频率有关，器件的工作频率采用有限元方式进行预估。每个单元可以通过引线独立控制，从而阵列具有相位控制的能力。本实施例中单元间距75μm(约为0.75个波长)。
针对图3中的PMUT阵列采用宽带脉冲作为激励源对器件进行激发，采用激光多普勒干涉仪测试器件的振动位移，结果如图4的a波形(实线波形)，对该结果进行傅里叶变换可得相应的频域结果，如图4的b波形(虚线波形)所示。根据测试结果可知器件在15MHz时具有92％(-6dB)带宽，由此可见器件较大的工作带宽(～100％)。该设计可以满足高频大带宽阵列的设计要求，从而满足高分辨率3D成像的应用需求。该阵列可以广泛应用于血管内超声，眼科超声等需要高精度，小体积和灵活聚焦能力的探头。本发明PDMS背衬结构可以在器件中引入阻尼，进而提高器件振动的衰减速度，在时域上获得较理想的脉冲信号，脉冲拖尾比较短，如图4中a波形(实线波形)所示，该结果表明器件发射的声波具有较宽的频带，如图4中b波形(虚线波形)所示。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。
Claims (10)
1.一种背衬型高频宽带PMUT单元，包括依次叠层的基底(1)、电隔离层(2)、下电极(3)、压电层(4)、上电极(5)、钝化层(6)和引线层(7)，其特征在于，所述的基底(1)上从其底部沿轴向向上开设有一盲孔式空腔形成背腔，所述的背腔中填充背衬材料(8)。
2.根据权利要求1所述的一种背衬型高频宽带PMUT单元，其特征在于，所述的基底(1)包括SOI衬底，所述的SOI衬底由底部下上依次为支撑层(11)、埋氧层(12)和器件层(13)。
3.根据权利要求2所述的一种背衬型高频宽带PMUT单元，其特征在于，所述的盲孔式空腔开设在支撑层(11)上，由支撑层(11)底部开始贯穿至支撑层(11)顶部并到达埋氧层(12)下方。
4.根据权利要求1所述的一种背衬型高频宽带PMUT单元，其特征在于，所述的背衬材料(8)为柔性材料。
5.根据权利要求4所述的一种背衬型高频宽带PMUT单元，其特征在于，所述的柔性材料包括PDMS。
6.根据权利要求1所述的一种背衬型高频宽带PMUT单元，其特征在于，所述的电隔离层(2)包括氧化硅。
7.根据权利要求1所述的一种背衬型高频宽带PMUT单元，其特征在于，所述的压电层(4)为岛型结构。
8.根据权利要求7所述的一种背衬型高频宽带PMUT单元，其特征在于，所述的岛型结构的直径小于背腔直径。
9.根据权利要求1所述的一种背衬型高频宽带PMUT单元，其特征在于，所述的上电极(5)覆盖在压电层(4)上方，上电极(5)占压电层(4)表面比高于70％。
10.一种背衬型高频宽带PMUT阵列，其特征在于，所述的PMUT阵列包括若干如权利要求1～9任意一项所述的PMUT单元，所述的PMUT单元按行列依次排列，每个PMUT单元分别通过引线独立控制。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114890372A (zh) * | 2022-05-07 | 2022-08-12 | 四川大学 | 一种带隔离沟槽的pmut的设计及制备方法 |
| CN114890372B (zh) * | 2022-05-07 | 2023-07-18 | 四川大学 | 一种带隔离沟槽的pmut的设计及制备方法 |
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| CN113120854B (zh) | 2024-01-23 |
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