CN113472236A - 层合薄膜结构、多模态压电式微型超声换能器及制作方法 - Google Patents
层合薄膜结构、多模态压电式微型超声换能器及制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种层合薄膜结构、多模态压电式微型超声换能器及制作方法，层合薄膜结构包括自下而上依次层叠设置的衬底、支持膜、绝缘膜、底电极、压电薄膜和顶电极；其中，衬底上表面向下凹陷设有一空腔结构，空腔结构的水平截面形状为非轴线对称的形状，压电薄膜的水平截面形状与衬底空腔结构的水平截面形状一致。多模态压电式微型超声换能器包括层合薄膜结构。通过压电薄膜的非对称式结构设计，优化压电式微型超声换能器振动薄膜的刚度和质量分布，致使原具有对称振型的偶数阶模态产生的净电荷不被完全抵消，增加单个压电式微型超声换能器可响应的模态数目，从而达到单个压电式微型超声换能器具有多个工作模态和激励方式的目的。
Description
技术领域
本发明涉及超声换能器技术领域，尤其是涉及一种层合薄膜结构、多模态压电式微型超声换能器及制作方法。
背景技术
超声换能器在医学影像诊疗、结构健康监测、定位勘探、机械制造、生物育种、化工催化、食品消泡等领域均具有非常重要的应用价值，对国民经济、社会发展与国防安全发挥着越来越重大的作用。随着超声换能器应用领域的不断扩大和检测性能要求的不断提高，传统超声换能器存在的体积大、灵敏度低、声阻抗易失配、频带窄等局限日益突出。基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术的微型超声换能器在体积、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(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer,pMUT)能克服传统大尺寸块体状压电式超声换能器和电容式微型超声换能器(Capacitive Micromachined UltrasonicTransducer,cMUT)的诸多缺陷，具有体积小、制备工艺简单、灵敏度高、可靠性好、无需偏置电压、易于阵列与集成等优点，pMUT已成为了一种极具发展潜力与应用前景的新型超声换能器。
pMUT及其阵列通常只工作在一阶厚度弯曲振动模态上，这是因为常规pMUT结构呈高度对称，导致偶数阶模态由于具有运动方向完全相反的振型而相互抵消，只有奇数阶模态才能被激发出来，且pMUT在基波模态具有最高的发射与接收灵敏度，而随着模态阶数的增加，灵敏度将显著下降。另一方面，超声波在媒介中传播时衰减系数会随着频率和距离的增加而逐渐增大，以体内组织超声成像为例，pMUT的工作频率越大，超声信号衰减越快，进入人体组织的作用深度也越小，但是成像分辨率会更高。因此，单模态的pMUT无法兼顾超声探测深度和成像分辨率，在使用中需要根据检测需求更换不同模态频率的pMUT探头，既降低了工作效率，又增加了手术成本和风险。除此之外，单模态的超声换能器在超声清洗应用中会产生驻波，造成清洗盲区，严重影响清洗效果和效率；在超声萃取、超声加工、声化学催化、无损检测应用中，为了获取最佳的处理效果，具有多个工作模态的超声波换能器也更能适应实际工作需求。
为了解决实际应用对多模态超声换能器的需求问题，采用多种单模态超声换能器组合的阵列器件受到较多研究人员的青睐，主要包括多种单模态超声换能器按照水平交织排列和垂直堆叠排列两种设计阵列方法，但是这些方法不可避免地会增加器件的体积、功耗、设计复杂度和制造成本，影响最终超声成像效果，还需要特殊考虑相邻单元间超声串扰抑制问题，而目前能产生多模态超声的单个pMUT的设计方法相对很少。通过搭配合适的控制电路，可以实现对pMUT的基波模态和高阶谐波模态分别激励，但是通常需要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，且该方法所用的控制电路一般比较复杂，频带设计灵活性差，甚至需要特殊设计顶电极的形状以提升高阶谐波模态的机电转换能力。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种层合薄膜结构、多模态压电式微型超声换能器及制作方法，以实现超声换能器同时具备多个工作模态，并能够激励获得多频与宽频带的超声波，且尺寸小、易于集成与阵列化的目的。
为达到上述技术目的，本发明提供一种层合薄膜结构，所述层合薄膜结构包括自下而上依次层叠设置的衬底、支持膜、绝缘膜、底电极、压电薄膜和顶电极；其中，所述衬底上表面向下凹陷设有一空腔结构，所述空腔结构的水平截面形状为非轴线对称的形状，所述压电薄膜的水平截面形状与衬底空腔结构的水平截面形状一致。
本发明还提供一种多模态压电式微型超声换能器，所述多模态压电式微型超声换能器包括上述层合薄膜结构。
本发明又提供一种多模态压电式微型超声换能器的制作方法，其包括如下步骤：
S1、清洗标准衬底，对衬底的上表面进行图形化刻蚀，形成具有非轴对称水平截面形状的空腔；
S2、在空腔衬底的上表面制作支撑膜；
S3、在支撑膜的上表面沉积绝缘膜；
S4、在绝缘膜的上表面沉积底电极；
S5、在底电极的上表面沉积压电薄膜，并按照衬底空腔结构的水平截面形状对压电薄膜进行图形化处理；
S6、在压电薄膜的上表面沉积顶电极。
与现有技术相比，本发明所述层合薄膜结构、多模态压电式微型超声换能器及制作方法，其通过压电薄膜的非对称式结构设计，优化压电式微型超声换能器振动薄膜的刚度和质量分布，致使原具有对称振型的偶数阶模态产生的净电荷不被完全抵消，增加单个压电式微型超声换能器可响应的模态数目，利用电极优化配置可选择性提升某个或某些高阶模态的机电转换能力，从而达到单个压电式微型超声换能器具有多个工作模态和激励方式的目的，可激励获得多频与宽频带的超声波，适用但不限于医学超声成像、工业无损检测、生物特征识别和多维智能感知领域，且尺寸小、功耗低、设计灵活、制作简单、易于集成与阵列化。
附图说明
图1为本发明实施例1所述层合薄膜结构的纵向剖视图；
图2为本发明实施例1所述层合薄膜结构的俯视图；
图3为本发明实施例2所述层合薄膜结构的纵向剖视图；
图4为本发明实施例3所述层合薄膜结构的俯视图；
图5为本发明实施例4所述多模态压电式微型超声换能器的工作方式；
图6为本发明实施例5所述多模态压电式微型超声换能器的制作方法的流程框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明实施例1提供一种层合薄膜结构，所述层合薄膜结构包括自下而上依次层叠设置的衬底101、支撑膜102、绝缘膜103、底电极104、压电薄膜105和顶电极106。如图1和图2所示，所述衬底101上表面向下凹陷设有一空腔结构107，所述空腔结构107的水平截面形状为非轴线对称的形状；所述支撑膜102覆盖在所述衬底101上表面，将空腔结构107的上端口完全密封；所述压电薄膜105设置在底电极104与顶电极106之间，其水平截面形状为与空腔结构107一致的非轴线对称的形状，且所述压电薄膜105在底电极104上的位置亦与所述空腔结构107上下映射对应设置；所述底电极104完全覆盖压电薄膜105的下表面，所述顶电极106部分或全部覆盖压电薄膜105的上表面；且所述层合薄膜结构的中性面设计在压电薄膜105之外。
图2中，所述底电极104和顶电极106分别引出金属引线，便于与外部电路连接。
所述衬底101的制作材料可以是硬性材料也可以是柔性材料，其包括但不限于：硅、玻璃、聚酯、聚酰亚胺、氟化乙丙烯、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯和它们的多层复合物。
所述支撑膜102的制作材料包括但不限于：硅、氧化硅、氮化硅、碳化硅、石墨烯、铜箔、MXene、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。
所述绝缘膜103的制作材料包括但不限于：硅、氧化硅、氮化硅、碳化硅、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯和它们的多层复合物。
所述压电薄膜105的制作材料包括但不限于：锆钛酸铅系、掺铌锆钛酸铅系、钛酸铅系、铌酸铅系、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。
所述底电极104和顶电极106的制作材料可以相同，也可以不相同，其包括但不限于：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2
本发明实施例2提供一种层合薄膜结构，所述层合薄膜结构包括自下而上依次层叠设置的衬底101、支撑膜102、绝缘膜103、底电极104、压电薄膜105和顶电极106。如图3所示，所述衬底101上表面向下凹陷设有一连通所述衬底101上表面和下表面的空腔结构107，所述空腔结构107的水平截面形状为非轴线对称的形状；所述支撑膜102覆盖在所述衬底101上表面，将空腔结构107的上端口完全密封；所述压电薄膜105设置在底电极104与顶电极106之间，其水平截面形状为与空腔结构107一致的非轴线对称的形状，且所述压电薄膜105在底电极104上的位置亦与所述空腔结构107上下映射对应设置；所述底电极104完全覆盖压电薄膜105的下表面，所述顶电极106部分或全部覆盖压电薄膜105的上表面；所述底电极104和顶电极106分别引出金属引线，便于与外部电路连接。且所述层合薄膜结构的中性面设计在压电薄膜105之外。
本实施例与实施例1区别点在于：所述空腔结构107连通所述衬底101上表面和下表面，如此设计是为了简化衬底101的制作工艺。
本实施例所示的空腔衬底101、支撑膜102、绝缘膜103、底电极104、压电薄膜105和顶电极106的材料均与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例3
本发明实施例3提供一种层合薄膜结构，所述层合薄膜结构包括自下而上依次层叠设置的衬底101、支撑膜102、绝缘膜103、底电极104、压电薄膜105和顶电极106。如图4所示，所述衬底101上表面向下凹陷设有一连通所述衬底101上表面和下表面的空腔结构107，所述空腔结构107的水平截面形状为非轴线对称的形状；所述支撑膜102覆盖在所述衬底101上表面，将空腔结构107的上端口完全密封；所述压电薄膜105设置在底电极104与顶电极106之间，其水平截面形状为与空腔结构107一致的非轴线对称的形状，且所述压电薄膜105在底电极104上的位置亦与所述空腔结构107上下映射对应设置；所述底电极104完全覆盖压电薄膜105的下表面，所述顶电极106部分或全部覆盖压电薄膜105的上表面，具体的，所述压电薄膜105的上表面设置有多块顶电极106；所述底电极104和顶电极106分别引出金属引线，便于与外部电路连接。所述层合薄膜结构的中性面设计在压电薄膜105之外。
本实施例与实施例1区别点在于：所述压电薄膜105的上表面设置有多块顶电极106；当压电薄膜105上表面设置有多块顶电极106时，可以进一步提高多模态的机电转换性能，并且能够灵活控制。
本实施例所示的空腔衬底101、支撑膜102、绝缘膜103、底电极104、压电薄膜105和顶电极106的材料均与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例4
本发明实施例4提供一种多模态压电式微型超声换能器，所述多模态压电式微型超声换能器201包括实施例1所述的层合薄膜结构，所述层合薄膜结构包括自下而上依次层叠设置的衬底101、支撑膜102、绝缘膜103、底电极104、压电薄膜105和顶电极106。如图1和图2所示，所述衬底101上表面向下凹陷设有一空腔结构107，所述空腔结构107的水平截面形状为非轴线对称的形状；所述支撑膜102覆盖在所述衬底101上表面，将空腔结构107的上端口完全密封；所述压电薄膜105设置在底电极104与顶电极106之间，其水平截面形状为与空腔结构107一致的非轴线对称的形状，且所述压电薄膜105在底电极104上的位置亦与所述空腔结构107上下映射对应设置；所述底电极104完全覆盖压电薄膜105的下表面，所述顶电极106部分或全部覆盖压电薄膜105的上表面；所述底电极104和顶电极106分别引出金属引线，便于与控制电路202和微处理器系统203连接。且所述层合薄膜结构的中性面设计在压电薄膜105之外。
所述支撑膜102、底电极104、压电薄膜105和顶电极106可以共同构成多模态压电式微型超声换能器201的有效振动薄膜；由于所述压电薄膜105的水平截面形状为非轴线对称的形状，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轴对称的应力分布。根据压电理论，具有反对称运动振型的二维高阶模态因为有效振动薄膜表面产生的电荷分布为非轴对称，因此电极面的净积累电荷量不再为零，该二维高阶模态不会因具有反对称运动的振型而消失在频谱中，从而增加压电式微型超声换能器的谐振响应模态个数。
此外，还通过调节所述多模态压电式微型超声换能器201的长宽口径比，即空腔结构107和压电薄膜105的水平截面上相互垂直两个方向的尺寸比，一方面能够进一步增强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，增加谐振响应模态个数，另一方面可以调节高阶谐振模态与基波模态之间的频率比，提升高阶模态的机电转换能力。因此，通过优化设计所述多模态压电式微型超声换能器201的空腔结构107和压电薄膜105水平截面的长宽口径比，即可获得具有良好多模态特征的超声工作方式。当多模态压电式微型超声换能器201工作在液体阻尼环境中，通过优化设计其长宽口径比，可以获得具有多频带和宽带特性的超声波信号。
所述的多模态压电式微型超声换能器201在二维高阶模态M(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M(p,q)沿着长度和宽度方向的波腹个数，α为综合反映多模态压电式微型超声换能器201有效振动薄膜结构形状、边界条件和内部残余应力的因子，Kp,q为多模态压电式微型超声换能器201在二维高阶模态M(p,q)上的振型因子，S为有效振动薄膜的横截面积，D(x,y)和m(x,y)分别为有效振动薄膜的结构刚度和面密度。
所述多模态压电式微型超声换能器201的工作模态数目至少有两个，具体选用的模态数目与所设计的多模态压电式微型超声换能器201的结构参数、响应频谱特性、实际应用需求、工作条件等均有关系，这里不作具体限定和说明。所述多模态压电式微型超声换能器201的工作方式包括超声波发射模式和超声波接收模式，通过微处理器系统203和控制电路202可驱使所述多模态压电式微型超声换能器201选择性地在某个工作模态以超声波发射模式或超声波接收模式进行工作。
当多模态压电式微型超声换能器201工作于发射超声波模式时，微处理器系统203驱动控制电路202对多模态压电式微型超声换能器201施加特定的激励电信号，根据逆压电效应，可使多模态压电式微型超声换能器201能够选择性地按照模态1工作方式、模态2工作方式……模态N-1工作方式或模态N工作方式进行振动，并向周围媒介释放出超声波；当多模态压电式微型超声换能器201工作于接收超声波模式时，只有能使多模态压电式微型超声换能器201按照模态1工作方式202、模态2工作方式203……模态N-1工作方式204或模态N工作方式进行工作的超声波信号才能被响应，根据压电效应，多模态压电式微型超声换能器201接收到这种超声波信号后输出电信号，通过控制电路202采集获取到该电信号并传输到微处理器系统203，实现对该电信号的进一步处理与分析。
此外，还可将多模态压电式微型超声换能器201作为基本单元组成一维、二维或三维阵列，按照阵列的工作方式进行发射或接收超声波。
本发明实施例所述一种多模态压电式微型超声换能器201亦可采用实施例2或实施例3所述的层合薄膜结构，其结构原理相同，在多模态压电式微型超声换能器201中发挥的效果亦相同，在此不再赘述。
实施例5
本发明实施例5提供一种多模态压电式微型超声换能器的制作方法，其包括如下步骤：
S1、清洗标准衬底101，对衬底101的上表面进行图形化刻蚀，形成具有非轴对称水平截面形状的空腔；
S2、在空腔衬底101的上表面制作支撑膜102；
当支撑膜102由多层薄膜层叠构成时，可以空腔衬底101的上表面分步依次制备；
S3、在支撑膜102的上表面沉积绝缘膜103；
S4、在绝缘膜103的上表面沉积底电极104；
由于正常沉积的底电极完全覆盖绝缘膜上表面，会将增大器件介电损耗和寄生参数影响，因此可以将沉积后的底电极进行图形化处理，仅留出连接压电薄膜和连接外部电路的引线区域即可，如图4所示。
S5、在底电极104的上表面沉积压电薄膜105，并按照衬底101空腔结构107的水平截面形状对压电薄膜105进行图形化处理；
S6、在压电薄膜105的上表面沉积顶电极106。
当需要在压电薄膜105的上表面上制作多个分块的顶电极106，则在对压电薄膜105的上表面沉积顶电极106之后，再对顶电极106进行图形化处理。
在完成本实施例以上步骤后，可以分别在底电极104和顶电极106上制作金属引线，便于与控制电路202和微处理器系统203连接。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种层合薄膜结构，其特征在于，所述层合薄膜结构包括自下而上依次层叠设置的衬底、支持膜、绝缘膜、底电极、压电薄膜和顶电极；其中，所述衬底上表面向下凹陷设有一空腔结构，所述空腔结构的水平截面形状为非轴线对称的形状，所述压电薄膜的水平截面形状与衬底空腔结构的水平截面形状一致。
2.根据权利要求1所述层合薄膜结构，其特征在于，所述压电薄膜在底电极上的位置与所述空腔结构上下映射对应设置。
3.根据权利要求1所述层合薄膜结构，其特征在于，所述底电极完全覆盖压电薄膜的下表面，所述顶电极部分或全部覆盖压电薄膜的上表面。
4.根据权利要求1所述层合薄膜结构，其特征在于，所述压电薄膜的上表面设置有一块或多块顶电极。
5.根据权利要求1所述层合薄膜结构，其特征在于，所述衬底空腔结构连通所述衬底的上表面和下表面。
6.根据权利要求1所述层合薄膜结构，其特征在于，所述层合薄膜结构的中性面设计在压电薄膜之外。
7.一种多模态压电式微型超声换能器，其特征在于，所述多模态压电式微型超声换能器包括权利要求1至权利要求6任意一项所述的层合薄膜结构。
8.根据权利要求7所述多模态压电式微型超声换能器，其特征在于，所述多模态压电式微型超声换能器包括超声波发射模式和超声波接收模式两种工作方式。
9.一种多模态压电式微型超声换能器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、清洗标准衬底，对衬底的上表面进行图形化刻蚀，形成具有非轴对称水平截面形状的空腔；
S2、在空腔衬底的上表面制作支撑膜；
S3、在支撑膜的上表面沉积绝缘膜；
S4、在绝缘膜的上表面沉积底电极；
S5、在底电极的上表面沉积压电薄膜，并按照衬底空腔结构的水平截面形状对压电薄膜进行图形化处理；
S6、在压电薄膜的上表面沉积顶电极。
10.根据权利要求9所述多模态压电式微型超声换能器的制作方法，其特征在于，在对压电薄膜的上表面沉积顶电极之后，对顶电极进行图形化处理。
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