CN114345675A - 换能结构、换能器、制备方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了换能结构、换能器、制备方法及设备,其中换能结构,包括第一结构、第二结构和连接结构,第二结构具有沿厚度贯通的第二空间,第一结构形成于第二空间内,并且第一结构与第二结构之间形成有第一间隙,连接结构至少包括第一连接部,第一连接部设置于第二空间并且连接第一结构和第二结构;第一结构、第二结构以及第一连接部均为多层结构,多层结构包括顺次设置的第一电极层、压电层和第二电极层,该多层结构的层叠方向与第二结构的厚度方向一致。本发明方案制备工艺简单,通过设置的多电极结构,具有良好增益性能。
Description
技术领域
本发明是关于微电子系统技术,特别是关于一种换能结构、换能器、制备方法及设备。
背景技术
压电超声波换能器能够实现声信号与电信号相互转化,但是传统的压电超声波换能器采用机械加工方式制作,体积大、功耗高、不利于集成。随着微机械加工技术的发展,压电微机械超声波换能器因其体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、频率控制灵活、频带宽、灵敏度高、以及易于与电路集成和实现智能化等特点,完美贴合了现代社会智能化、集成化的发展方向,能够广泛应用于智能家居、无人驾驶、无损检测、医学成像等领域。传统的PMUT结构为三明治结构,分别为顶电极/压电层/底电极,为了提供更大的输出声压,顶电极的半径一般为悬膜的70%。传统结构PMUT的输出声压和灵敏度都较低,日渐无法满足新技术的发展要求。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种换能结构、换能器、制备方法及设备,制备工艺简单,通过设置的多电极结构,具有良好增益性能,产品灵敏度高,具有良好的应用普适性。
为实现上述目的,本发明的实施例提供了一种换能结构,这里的换能结构是一种压电微机械超声波换能器的功能结构,包括第一结构、第二结构和连接结构,第二结构具有沿厚度贯通的第二空间,第一结构形成于第二空间内,并且第一结构与第二结构之间形成有第一间隙,连接结构至少包括第一连接部,第一连接部设置于第二空间并且连接第一结构和第二结构;第一结构、第二结构以及第一连接部均为多层结构,多层结构包括顺次设置的第一电极层、压电层和第二电极层,该多层结构的层叠方向与第二结构的厚度方向一致。第一间隙使得第一结构与第二结构之间无直接连接。
在本发明的一个或多个实施方式中,第二结构包括若干第二分结构,第一连接部包括若干第一分连接部;当第二结构具有多个(2个及以上)第二分结构时,多个第二分结构中相邻两个第二分结构之间形成有第二间隙,相邻两个第二分结构之间连接有至少一个第一分连接部。第二间隙使得相邻两个第二分结构之间无直接连接。
在本发明的一个或多个实施方式中,在垂直于第二结构的厚度方向的投影面进行投影,第一结构、第二结构的投影为同心的。这里的同心指中心重合。
在本发明的一个或多个实施方式中,第一结构和/或第二结构的投影所限定的最外周所形成的图形为椭圆或圆形或多边形。多边形包括而不限于由直线为边的多边形如长方形、正方形、三角形、五边形等,当然也可以前述直线为边的多边形中一条或者多条边被曲线如弧线、波浪线等取代。此时第一结构可以为圆形或方形等的整体的层结构;第二结构可以为圆环结构或者方形环结构等。
在本发明的一个或多个实施方式中,连接结构还包括第二连接部,第二连接部连接到第二结构。第二连接部可以连接到第二结构的最外周。
在本发明的一个或多个实施方式中,换能器,包括支撑结构,还包括形成于支撑结构上的功能部,功能部包括如前述的换能结构、第一电极和第二电极,第一电极电连接到第一电极层,第二电极电连接到第二电极层。
在本发明的一个或多个实施方式中,第一电极和第二电极均电连接到第二连接部。
在本发明的一个或多个实施方式中,支撑结构包括支撑层和限定有空腔的衬底,功能部和衬底分别位于支撑层的两侧。衬底可以为一种管型结构,管型结构的一端连接到支撑层的一侧。
在本发明的一个或多个实施方式中,换能器的制备方法,至少包括如下步骤:在支撑层上顺次形成第二电极层结构和压电层结构,其中第二电极层结构与支撑层相邻设置;顺次刻蚀压电层结构和第二电极层结构,获得压电层和第二电极层;在压电层上形成第一电极层。
在本发明的一个或多个实施方式中,具有换能功能的设备,包括如前述的换能结构或如前述的换能器。
与现有技术相比,根据本发明实施方式的换能结构、换能器、制备方法及设备,在传统结构的基础上,将顶电极由一整块圆形电极变为采用电连接的内外两个电极,外电极也可以采用环形多电极结构,中心电极有多个嵌套环形电极,优选为多个同心环形电极,此时外部的环起到增加阻尼的作用,能够增大阻抗,减小拖尾时间。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的换能器的俯视图;
图2是图1中c-c位置的剖视图;
图3是根据本发明一实施方式的制造流程图;
图4是根据本发明一实施方式的电极组合形态的示意图;
图5是现有技术与本发明一实施例的加速度性能比较示意图;
图6是现有技术与本发明一实施例的输出声压性能比较示意图。
具体实施方式
下面结合本发明的具体实施方式,对本发明技术方案进行示例性的详细描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示,否则在整个说明书和权利要求书中,术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分,而并未排除其它元件或其它组成部分。
现有技术的双电极结构PMUT的顶电极由两个电极组成,两个电极不相连,并且两个电极由不同的电压驱动(采用差分电压,在不同的电压激励下工作),一个用于发射超声波,一个用于接收超声波。但是需要更复杂的驱动电路,同时发射声压不足。固定边界的振动面积较小,所以振幅较低,PMUT的性能较差。在采用同心环形多电极结构,每个电极由不同的电压驱动,驱动电路更加复杂。
本发明方案在中心电极与外环电极之间有个隔离槽,能够改变悬膜的受力情况,增大输出声压,而且相比于固定边界的PMUT,谐振频率并没有太大的变化。通过圆周沟槽将支撑层上的部分分成了内圆和外环两部分,改变了振膜的结构,从而影响力应力分布,增大了输出声压,声学性能更好。增大了增幅,机械性能也有一定的提升。通过在外增加环形结构增大输出声压。
如图1至图6所示,根据本发明优选实施方式的换能结构,其主要指通过通过压电结构而实现机械能和电能之间进行转变的结构,可以实现机械能和电能之间的能量转换、机械信号与电信号之间的转换等,从而可以被应用与能源装置、传感器、声呐等。
为了实现本发明的目的,作为一种实施方式的换能结构可以包括第一结构、第二结构和连接结构,第二结构具有沿厚度贯通的第二空间,第一结构形成于第二空间内,并且第一结构与第二结构之间形成有第一间隙,连接结构至少包括第一连接部,第一连接部设置于第二空间并且连接第一结构和第二结构;第一结构、第二结构以及第一连接部均为多层结构,多层结构包括顺次设置的第一电极层、压电层和第二电极层,该多层结构的层叠方向与第二结构的厚度方向一致。此时第二结构可以为一种中空的环结构,包括而不限于如具有镂空的圆形环结构、方形环结构、其它多边形环结构等。同样地,第一结构可以为一种完整的片/板结构,包括而不限于如圆形结构、方形结构、其它多边形结构等。第一结构和第二结构的配合以满足第一结构嵌合匹配地设置在第二结构的镂空部分内,即镂空部分相较于第一结构最外沿是有盈余的。此时,在配合方案中,第一结构和第二结构的形状可以相同,也可以不相同,即第一结构为圆形片结构时,第二结构可以为圆形环结构,也可以为方形环结构,反之亦可。并且第二结构为多层环时,可以为同种形状的环如均为圆形环,也可以为不同种形状的环如方形环、圆形环等环结构嵌套。
如图1和4中所示的,此时第一结构、第二结构即可以视作构成了PMUT的嵌套环结构形式的电极形态,包括同心环结构和不同心的环结构等。此时具有镂空的花纹,这些花纹可以包括镂空的圆形环、方形环、多边形环等,这些花纹主要是为了实现电极结构(第一电极层、压电层和第二电极层)中部分或者全部的两种结构(即第一结构与第二结构)的隔离和区分。
为了满足第一结构和第二结构之间具有相互电性隔离部分的电性连接,各部分之间还通过第一连接部进行连接。特别地,当第二结构具有相互电性隔离的多层环,即具有若干第二分结构时,第一连接部也可以被区分为若干个部分,即形成若干第一分连接部。从而可以通过第一分连接部对第一结构以及第二分结构彼此之间形成电性连接,从而形成通路。此时若干第一分连接部可以如图所示的在同一径向方向进行连接,也可以分为多个径向方向进行连接。
在上述实施例中,如图所示的,由垂直于纸面方向进行观察,第二结构与第一结构均可以为对称结构,即具有一个几何中心,此时第一结构和第二结构的几何中心是重合的,即第一结构和第二结构是同心设置的。
进一步的,在上述实施例中,当第二结构具有多个第二分结构构成时,即第二结构具有多层彼此间隔的环结构时,该多个环结构之间可以为同心设置的。
在上述实施方式中,为了实现与电极引脚即如第一电极和第二电极的连接,以形成完整的换能器,即将电极引脚电连接到第一结构或第二结构,可以将第一电极和第二电极直接连接到第一结构或第二结构上;也可以在第一结构或第二结构上额外地设置引出结构——第二连接部,从而将第一电极和第二电极通过第二连接部关联地连接到第一结构或第二结构上。图中展示了第一电极和第二电极关联地(直接或者间接地)电连接到第二结构外沿结构部分的情形。
在上述实施方式中,换能结构是被设置在具有支持功能的支撑结构上的,该支撑结构可以包括具有平台形态的支撑层,包括而不限于前述的第一结构、第二结构、连接结构、第一电极和第二电极等均可以被限定在支撑层的平台上。而在背离前述结构的支撑层的另一侧,则可以由衬底提供了空腔,该空腔可以在工作中参与谐振放大等功能。
在上述实施方式中,其制备方案可以参考如下步骤:以SOI硅片作为支撑结构的载体,此时硅层为支撑层,在支撑层上顺次形成第二电极层结构和压电层结构,其中第二电极层结构与支撑层相邻设置;顺次刻蚀压电层结构和第二电极层结构,获得压电层和第二电极层;在压电层上形成第一电极层。需要注意的是SOI硅片可以预先在氧化硅侧形成空腔而后再执行前述步骤,也可以在执行前述步骤后,再在氧化硅侧形成空腔。此时就获得了功能性的PMUT换能器,该换能器可以视为的基本的换能元件。
包括而不限于,前述的换能元件以及前述的换能结构均可以被广泛地应用于实现机械能和电能之间进行转变的结构,可以实现机械能和电能之间的能量转换、机械信号与电信号之间的转换等,从而可以被应用与能源装置、传感器、声呐等。
作为一种实施方式的,图1为本发明PMUT两种可能结构的俯视图,均为双环结构,其中主要为PMUT的内圆7(第一结构)和外环8(第二结构),内外相互连通,但又通过圆周沟槽隔离。并且分别在图1中的a和b展示了上电极引脚9和下电极引脚10间接或者直接地电连接到外环8上的情形。
图1中PMUT单元的c-c位置的经过直径的剖视图如图2所示。其中包括上电极1、压电层2、底电极3和支撑结构。支撑结构可以包括支撑层(支撑层可以包括结构一4和结构二5)和衬底6。上电极引脚9电连接到上电极1,下电极引脚10电连接到下电极2。
作为一种实施方式,内圆7自上而下堆叠着上电极1、压电层2和底电极3。优选的,前述三层大小相同。
外环8也自上而下堆叠着上电极1、压电层2和底电极3。优选的,前述三层大小相同。
内圆7与外环8之间除了一条横梁(第一连接部)连接外,其余地方为圆周沟槽。优选的,前述沟槽的深度等于上电极、压电层和底电极厚度的总和。
PMUT背部即衬底6上形成有一个空腔,使衬底正面(包括上电极1、压电层2、底电极3和支撑层)形成弹性结构层,此时空腔周边的衬底作为弹性结构层的固定端。此时,弹性结构层的正面结构,包括依次堆叠支撑层、底电极、压电层和上电极等构成了实现换能的振动结构。
在上述方案中,上电极的材料可以为金,当然还可以选自钼、铂、铝或锡等。压电层的材料可以为掺钪的氮化铝,当然还可以选自氮化铝、氧化锌、或锆钛酸铅压电陶瓷等压电材料。下电极的材料可以为钼,当然还可以选自金、铂、铝或锡等。支撑层中结构一4的材料可以为硅、结构二5的材料可以为氧化硅。衬底的材料可以为硅。
具体地讲,制备方法可以包括如下步骤,如图4所示:选取SOI硅片,清洗;在上述的硅片上面通过磁控溅射的方法自下而上依次生长底电极、压电层薄膜;通过干法刻蚀压电层薄膜,露出下电极;干法刻蚀下电极;磁控溅射上电极;深反应离子刻蚀法在上述硅片的氧化硅侧刻蚀出空腔。
如图4所示的,展示不同形态的第一结构和第二结构相互配合的情形PMUT的形状为圆形,可替换成矩形,方形,多边形等,如图中a所示。环形结构个数为1,外环数目可变为多个,如图中b所示。结构为内圆和外圆环,内外两部分结构形状多变,如内圆外方形环,内方外圆环,如图中c和d所示。
图5展示两种现有技术方案和本发明的一种实施方案性能对照示意图,均以中心点(第一结构中心点)和离中心点450微米处(选择离中心点450微米在本发明中为在第二结构上的情形,而在现有技术1中可以为在压电层上,在现有技术2中则可以为在支撑层上)的加速度为准,由图可以看到,本发明方案与现有技术不同的是,第二结构(环结构)的点与中心点的加速度相反。
图6展示了图5中现有技术1和本发明的一种实施方案COMSOL仿真输出声压级的对比图,可见本发明方案的输出声压有明显改善。
包括而不限于上述实施方式中,换能结构和换能器中各个功能组成结构的尺寸大小均可以视产品或者应用的需求而进行调整。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式,并且很显然,根据上述教导,可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用,从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (10)
1.一种换能结构,其特征在于,包括第一结构、第二结构和连接结构,所述第二结构具有沿厚度贯通的第二空间,所述第一结构形成于第二空间内,并且第一结构与第二结构之间形成有第一间隙,所述连接结构至少包括第一连接部,所述第一连接部设置于第二空间并且连接所述第一结构和第二结构;
所述第一结构、第二结构以及第一连接部均为多层结构,所述多层结构包括顺次设置的第一电极层、压电层和第二电极层,该多层结构的层叠方向与所述第二结构的厚度方向一致。
2.如权利要求1所述的换能结构,其特征在于,所述第二结构包括若干第二分结构,所述第一连接部包括若干第一分连接部;
当所述第二结构具有多个第二分结构时,多个所述第二分结构中相邻两个所述第二分结构之间形成有第二间隙,相邻两个所述第二分结构之间连接有至少一个所述第一分连接部。
3.如权利要求1或2所述的换能结构,其特征在于,在垂直于所述第二结构的厚度方向的投影面进行投影,所述第一结构、第二结构的投影为同心的。
4.如权利要求3所述的换能结构,其特征在于,所述第一结构和/或第二结构的投影所限定的最外周所形成的图形为椭圆或圆形或多边形。
5.如权利要求1所述的换能结构,其特征在于,所述连接结构还包括第二连接部,所述第二连接部连接到所述第二结构。
6.换能器,包括支撑结构,其特征在于,还包括形成于所述支撑结构上的功能部,所述功能部包括如权利要求1-5任一所述的换能结构、第一电极和第二电极,所述第一电极电连接到所述第一电极层,所述第二电极电连接到所述第二电极层。
7.如权利要求6所述的换能器,其特征在于,所述第一电极和第二电极均电连接到第二连接部。
8.如权利要求6所述的换能器,其特征在于,所述支撑结构包括支撑层和限定有空腔的衬底,功能部和衬底分别位于支撑层的两侧。
9.换能器的制备方法,其特征在于,至少包括如下步骤:
在支撑层上顺次形成第二电极层结构和压电层结构,其中所述第二电极层结构与支撑层相邻设置;
顺次刻蚀压电层结构和第二电极层结构,获得压电层和第二电极层;
在压电层上形成第一电极层。
10.具有换能功能的设备,包括如权利要求1-5任一所述的换能结构或如权利要求6-8任一所述的换能器。
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2022
- 2022-01-11 CN CN202210026050.1A patent/CN114345675A/zh active Pending
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