CN115055356B - 一种具有环状压电层的微机械超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微机电技术领域，具体为一种具有环状压电层的微机械超声换能器。本发明换能器是由换能器单元延拓形成的二维阵列；换能器单元包括压电环、复合薄膜、电容腔体和衬底；压电环包含电极层与压电层；复合薄膜包括电极层和中性层；衬底中间部分为中空圆柱形腔体，底部为电极层，中空腔体和电极层形成电容腔体；复合薄膜中的电极层和压电环中的电极层构成电极对，通过施加直流偏置电压以及交流耦合信号，对压电层的形态进行静态和动态的控制与激励；复合薄膜中的电极层与电容腔体中的电极层构成静电力驱动所需的电极对，通过施加直流偏置电压以及交流耦合信号，对复合薄膜的形态进行静态和动态的控制与激励。本发明可实现高性能超声信号收发。
Description
技术领域
本发明属于微机电技术领域，具体涉及一种微机械超声换能器。
背景技术
超声成像具有无电离副作用、灵敏度高、实时成像、对组织无损伤、成本低等优点，广泛应用于医学成像、工业无损检测、物联网与智能传感等领域。超声换能器是上述应用中的关键模块，它负责将超声波信号与电信号进行转换，其所拥有的灵敏度性能及带宽，直接决定了成像质量与传感精度的好坏。
微机械超声换能器（MUT）采用MEMS工艺加工，适合高效率制备超声换能器阵列，且有潜力与CMOS芯片实现集成，有利于提升信噪比，降低超声系统的体积和成本。微机械超声换能器的基本原理在于，通过静电力效应或压电效应，将电信号激励转换为力学激励（或相反），从而使中心处的薄膜弯曲振动，向外挤压导声介质，实现超声波的收发。基于压电效应，提出了压电式微机械超声换能器（PMUT）与电容式微机械超声换能器（CMUT）。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有环状压电层的微机械超声换能器，以降低工作所需直流偏置电压，并结合压电效应与静电力效应，共同激励薄膜谐振，实现高性能超声信号收发。
本发明提供的具有环状压电层的微机械超声换能器，由换能器单元经二维周期延拓组成，为M×N阵列；M、N可为1—256（优选M、N可为2—256），以形成各单元可单独控制的二维面阵列，其中，列方向并联，行方向为可单独控制的一维线阵列，记延拓周期为P；所述换能器单元的结构参见图1、图2所示，包括压电环1、复合薄膜2、电容腔体3和衬底4；压电环1包含一薄的环形电极层1-1与环形压电层1-2，环形电极层1-1在环形压电层1-2的上方，压电层1-2作为压电环的主体，为中空圆柱形状，覆盖在复合薄膜2之上，使得压电层和复合薄膜结合形成的整体结构实现中间软、外围硬的刚度分布；复合薄膜包括两层，上层为电极层2-1，下层为中性层2-2；衬底4在复合薄膜2的下方，衬底4中间部分为中空圆柱形腔体3-1，腔体底部为一电极层3-2，中空腔体和电极层形成电容腔体3。这里，环形压电层1-2、中空圆柱形压电层1-2、中空圆柱形腔体3-1、电极层3-2为同轴。
本发明中，中性层2-2主要作用是为电极层1-1、压电环1-2提供支撑；并且在其下方具有电极层3-2，与上方压电环1-2协同工作，以实现应变效率叠加的效果，从而提高所述微机械超声换能器的发射灵敏度。
本发明中，复合薄膜中的电极层2-1和压电环中的环形电极层1-1构成压电材料上下两侧的电极对，可用于电场、电荷、电压的施加与采集；其中，可以通过施加直流偏置电压，以及交流耦合信号，对压电层2-2的形态进行静态和动态的控制与激励。复合薄膜中的电极层2-1与电容腔体中的电极层3-2构成静电力驱动所需的电极对，可以通过施加直流偏置电压，以及交流耦合信号，对电容腔体的非刚性结构（即复合薄膜）的形态进行静态和动态的控制与激励。
本发明中，衬底4与复合薄膜之间为一平整接触面，通过键合的工艺使两者实现一定强度的结合。衬底4给复合薄膜2提供支撑，并改变振动结构的边界条件，从而影响结构的谐振频率。
本发明中，电容腔体3是衬底4从上而下刻蚀形成的凹陷结构，电极层沉积在其底部，因而电容腔体3的形状与衬底4是互补的（即一体的）。
本发明中，对于电极层3-2与电极层2-1构成的电极对施加电压，使得复合薄膜与电极层3-2贴合的临界电压，定义该电压为塌陷电压；而电容空腔3工作所需的直流偏置电压，则为上述塌陷电压的1/3～2/3，使电极对产生电荷积累，并使复合薄膜具有一定的拉伸程度，以调控结构弹性和谐振频率。电极层3-2与复合薄膜2之间的空腔结构，给复合薄膜提供振动空间，并确保薄膜不出现塌陷和贴合等非理想情况。
本发明中，复合薄膜中的电极层2-1在器件设计和制备过程中，进一步以光刻等方式实现图形化刻蚀，从而减少电极层2-1与封装、互联过程中的走线层的交叠，减少寄生电容，减少充放电过程中的能量损耗。
进一步地，本发明中所述微机械换能器还包含形成在所述压电环1与复合薄膜2上方的绝缘层、走线层、钝化层与声匹配层；走线层为金属材料，钝化层、绝缘层与声匹配层为绝缘介质。其中，绝缘层作用为隔绝走线层与电极层；走线层作用为和电极层形成连接，并引出至外界引脚以便施加信号；钝化层作用是保护压电材料与金属材料，使之和外界水汽或其它介质隔绝，实现隔离与钝化的作用；声匹配层的作用是为了改善声发射效率，其介于微机械超声换能器单元的主体结构与负载介质（如水、油、空气等）之间。
其中，空圆柱形腔体3-1内半径为5—100微米，以形成中心频率为0.5—100MHz的微机械超声换能器；环形电极层1-1的覆盖范围小于环形压电层1-2，即内径不小于后者，外径不大于后者；环形压电层1-2厚度为0.1—5微米；中性层2-2厚度为0.1—5微米；电极层1-1、2-1、3-2的厚度为0.01-1微米；圆柱形腔体3-1的高度大于电极层3-2的高度0.01-5微米，以确保电极层3-2与复合薄膜2间留有一定的中空间隙3-1。
本发明中，环形压电层1-2的内径为电容腔体3-1半径的50%—100%，外经大于空圆柱形腔体3-1半径，且略小于周期P/2；使复合薄膜2在弯曲振动时，中心处的复合薄膜为挤压状态，外周的薄膜即环形压电层位置处的复合薄膜为拉伸状态；在激励环形压电层时，复合薄膜受驱振动的激励部位与传统PMUT所使用的圆形压电层不同。
本发明的上述结构设计，在实现薄膜受激谐振的同时，也实现了新的刚度调整方案。传统PMUT的振动薄膜（复合薄膜和上方压电层）整刚度是均一的，或中间硬、外围软，仅有两个电极层；而本发明中，复合薄膜2与压电环1构成的结构刚度是中间软、外围硬，且结构增加电容腔体3-1底部的电极层3-2，通过三个电极层1-1、2-1、3-2的协同控制以增强器件的灵敏度。
图3示出了所述微机械超声换能器的压电层的几何形状，以及在工作时的变形情况，并于图4中示出的传统微机械超声换能器进行对比。图5在除压电环之外几何数据相同的情况下，示出并比较了本发明提出的微机械超声换能器与传统微机械超声换能器工作所需要的直流偏置电压性能，说明本发明可以明显减低微机械超声换能器的工作所需要的直流偏置电压，并可以适度放宽腔体高度，以降低工艺难度。图6示出并比较了本发明提出的微机械超声换能器与传统微机械超声换能器的振动模态，可见，本发明中薄膜中心处更尖，更易受牵拉和变形，在相同的直流偏置电压下，具有更高的薄膜中心处位移振幅灵敏度。
本发明微机械超声换能器采用了压电效应与静电力效应协同工作的驱动机制，提出的具有环状压电层的复合结构，调整振动结构的刚度，从而解决了传统CMUT器件与PMUT简单叠加思路造成的薄膜过硬、难以弯曲、静态偏置电压过高等问题，本发明所提出的压电环结构可以同时施加额外的直流偏置电压，以调节阵列各单元的中心频率至相同或是具有一定差异的分布，形成宽带或高灵敏度换能器阵列。
附图说明
图1为具有环状压电层的微机械超声换能器的截面示意图。
图2为具有环状压电层的微机械超声换能器的俯视示意图。
图3为实施方法1示意图。
图4为传统MUT结构示意图及相应实施方法。
图5为工作所需直流偏置电压性能比较图。
图6为本发明与传统MUT结构的谐振模态比较图。
图7为实施方法2示意图。
图8为实施方法3示意图。
图中标号：1为压电环，1-1为电极层，1-2为压电层；2为复合薄膜，2-1为复合薄膜电极层，2-2为复合薄膜中性层，3为电容腔体，3-1为中空间隙，3-2为电极层；4为衬底。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外在可能未出某些公知的部分。
参照截面示意图1及俯视示意图2，本发明所提出的具有环状压电层的微机械超声换能器，包含压电环、复合薄膜、电容腔体和衬底。首先，一中空圆柱形状的压电层，与其上方基本覆盖压电层上表面的电极层，构成了本发明所述的压电环结构；在压电环下方，具有一层铺平的电极层，覆盖了压电环外径以内的所有范围，并可能向外有延伸，与其它单元共同连接；中性层为一平整结构，延伸至所述微机械超声换能器阵列芯片的整个面积，用以给上方压电环及电极提供支撑和平衡扭矩的功能，前述电极层与这一中性层构成了所述的复合薄膜；复合薄膜之下，有一基本为圆柱形的电容腔体，主要部分是中空间隙，提供了复合薄膜可以振动的空间，而电容腔体的外径则定义了复合薄膜可以进行弯曲振动的边界的半径大小，其半径是决定结构谐振频率的重要设计参数，电容腔体底部有一电极层，用于和复合薄膜的电极层共同构成电极对，在施加直流偏置电压及交流激励信号过程中，通过静电力效应对薄膜的形态进行控制；复合薄膜之下，与电容腔体互补的部分为衬底结构，衬底与复合薄膜通过键合工艺实现了一定强度的结合，使得薄膜在振动的过程中不会从接触的部分脱附，所述的接触部分被定义为键合面，键合面的最内侧与电容腔体邻接，其提供了复合薄膜结构振动的锚点。
本发明所述的微机械超声换能器，具体的几何设计参数为：空圆柱形腔体3-1半径为5—100微米，以形成中心频率为0.5—100MHz的微机械超声换能器；环形压电层1-2的内径为电容腔体3-1半径的50%—100%，外经大于空圆柱形腔体3-1的半径，且略小于周期P/2；环形电极层1-1的覆盖范围小于环形压电层1-2，即内径不小于后者，外径不大于后者；环形压电层1-2厚度为0.1—5微米；中性层2-2厚度为0.1—5微米；电极层1-1、2-1、3-2的厚度为0.01-1微米；圆柱形腔体3-1的高度大于电极层3-2的高度0.01-5微米，以确保电极层3-2与复合薄膜2间留有一定的中空间隙3-1。
参照实施方法1示意图即图3，本发明所述微机械超声换能器的实施方式具体描述如下：
首先，一直流偏置电压施加在电容腔体的电极层3-2与复合薄膜的电极层2-1间，电极层2-1被定义为地，直流偏置电压一般为几十伏特至数百伏特，用于在上述电极对间形成电荷积累，作为交流信号激励的基础，并利用电极板间形成的静电力，将复合薄膜拉近至电容腔体底部，从而提升薄膜弹性，调控谐振频率；
其次，一交流信号源被施加在了以压电环电极层1-1与复合薄膜电极层2-1构成的电极对之间，通过瞬时的电压变化，在压电环电极层1-1和复合薄膜电极层2-1上产生电场与电荷变化，上述电极对间的电场变化，通过压电材料的逆压电效应产生结构的应变，并带动复合薄膜弯曲，并且，复合薄膜电极层2-1上产生的电荷变化，影响了静电力的波动，并带动复合薄膜弯曲，上述两个效应共同驱动薄膜，当逆压电效应所致的瞬时结构弯曲变化与静电力所致的瞬时结构弯曲变化方向一致时，结构的振幅得以大幅提升，形成了高灵敏度微机械超声换能器。当使用本超声换能器进行超声波信号接收时，电极对（电极层2-1与1-1）与交流信号源通过开关电路断开，进一步向外与接受前端电路连接，接受前端电路最首一般为低噪声放大器所构成的电压放大器或跨导放大器。
参照传统MUT结构示意图及相应实施方法即图4，传统MUT的基本结构与本发明所述微机械超声换能器的具体区别如下：首先，薄膜在进行弯曲振动过程中，形变最大的部分，即薄膜中心处的厚度不同，本发明中，形变最大部分仅为中性层与电极层，而所参照的MUT形变最大部分却包含了中性层2-2、电极层2-1、压电层1-2与电极层1-1，其中影响与差别最大的是压电层1-2，因为其弹性系数矩阵，或简化的杨氏模量一般较大，对结构的刚度有明显影响，从而在利用静电力对复合薄膜进行下拉设置的动作时，需要更大的直流偏置电压才能实现，从另一个角度而言，对于一定的直流偏置电压，本发明可以形成更大的弯曲形变，增加薄膜结构的弹性，实现较高的振幅灵敏度；此外当在电极对：电极层2-1与1-1间形成瞬时电场变化时，本发明与参照的MUT所施加与压电层1-2的电场区域并不相同，参照的MUT中，电场瞬时变化施加于薄膜中心，即向下凹陷的部分，本发明中，电场瞬时变化施加于薄膜侧环，即向上凸起的部分，两者的曲率中心是相反的，进一步而言，是互补的状态。
参照工作所需直流偏置电压性能比较图即图5，前段所述的直流偏置电压性能区别具体描述如下：对于前述微机械微机械超声换能器（参照图3与图4）而言，中空间隙都设置为0.15微米，压电层厚度都设置为0.75微米，中性层厚度都设置为1微米，各电极层厚度都设置为0.17微米，电容腔体半径都设置为27微米；本发明所述器件的压电层内径为25微米，外径为45微米，参照器件的压电层半径为23微米，此时两个器件的工作中心频率约为5MHz。仿真过程中，通过图3、图4所述的直流偏置电压的施加方法，逐渐加大直流偏置电压，并对器件薄膜中心处的位移幅度进行了扫描。换能器所具有的塌陷电压被描述为随直流偏置电压提升过程中，薄膜中心处位移极快速降低并与底部贴合时，电极对（电极层2-1与3-2）之间的的直流偏置电压（静态工作点），对于本发明所述微机械超声换能器的一种尺寸结构为例，塌陷电压为174伏特，而除压电环结构不同，其它结构尺寸相同的参照MUT为例，塌陷电压为260伏特。为了让所述微机械超声换能器正常工作（复合薄膜与电容腔体底部不贴合），静态工作点一般设置在中空间隙降至原先1/3或2/3处，当中空间隙被压缩至1/3时，本发明所述换能器的静态工作点为150伏特，参照MUT的静态工作点231伏特，可见通过上述实施方式，本发明所述的换能器的电极对2-1、3-2间明显对工作所需的直流偏置电压要求更低。
参照本发明与传统MUT结构的谐振模态比较图即图6，基于实施方法1，本发明所提出的微机械超声换能器受压电环的交流信号激发而振动，复合薄膜形变更为明显。相比之下参照的MUT结构中心部位具有更厚的薄膜材料，包含中性层2-2、电极层2-1、压电层1-2与电极层1-1，更不易变形。
参照实施方法2示意图即图7，本发明所述微机械超声换能器的实施方式2具体描述如下：共有两个直流偏置电压被施加于本器件，第一个直流偏置电压施加于电极对：电极层2-1与1-1上，第二个直流偏置电压施加于电极对：电极层2-1与3-2上，电极层2-1被定义为地，直流偏置电压一般为几十伏特至数百伏特。加载在电极对：电极层2-1与1-1的直流偏置电压的目的是使压电层产生静态形变，通过设置正确的极化方向，压电层受偏压施加后响应出伸展应变，并推挤复合薄膜向电容腔体内弯曲；加载在电极对：电极层2-1与3-2的直流偏置电压的目的是在上述电极对间形成电荷积累，作为交流信号激励的基础，并利用电极板间形成的静电力，将复合薄膜拉近至电容腔体底部，从而提升薄膜弹性，调控谐振频率。接着，一个交流信号源通过偏置器（BiasTee）的结构施加在电极对：电极层2-1与1-1上，具体包含交流信号源与一大耐压隔直电容构成的串联模块，交流信号源一端接地，电容另一端接电极层1-1。通过瞬时的电压变化，在压电环电极层1-1和复合薄膜电极层2-1上产生电场与电荷变化，上述电极对间的电场变化，通过压电材料的逆压电效应产生了结构的应变，并带动复合薄膜弯曲，并且，复合薄膜电极层2-1上产生的电荷变化，影响了静电力的波动，并带动复合薄膜弯曲，上述两个效应共同驱动薄膜，当逆压电效应所致的瞬时结构弯曲变化与静电力所致的瞬时结构弯曲变化方向一致时，结构的振幅得以大幅提升，形成了高灵敏度微机械超声换能器。在本实施方式中，与实施方式1的主要区别是使用了两个直流偏置电压，其中施加在压电层两侧的直流偏置电压可以对换能器阵列的各单元进行灵活调整和配置，以调控阵列各单元的谐振频率、灵敏度，进而形成大带宽或高灵敏度的超声换能器阵列。
参照实施方法3示意图即图8，本发明所述微机械超声换能器的实施方式3具体描述如下：本实施方法中，只有一个直流偏置电压被施加于本器件，但与实施方法1的不同之处在于仅使用了压电层进行单独工作。所述直流偏置电压施加于电极对：电极层2-1与1-1上，电极层2-1被定义为地，直流偏置电压一般为几十伏特至数百伏特。加载在电极对：电极层2-1与1-1的直流偏置电压的目的是使压电层产生静态形变，通过设置正确的极化方向，压电层受偏压施加后响应出伸展应变，并推挤复合薄膜向电容腔体内弯曲。接着，一个交流信号源通过偏置器（BiasTee）的结构施加在电极对：电极层2-1与1-1上，具体包含交流信号源与一大耐压隔直电容构成的串联模块，交流信号源一端接地，电容另一端接电极层1-1。通过瞬时的电压变化，在压电环电极层1-1和复合薄膜电极层2-1上产生电场与电荷变化，上述电极对间的电场变化，通过压电材料的逆压电效应产生了结构的应变，并带动复合薄膜弯曲。在这种实施方式下，电极层3-2实际并没有发挥作用，因而可以在实际工艺中去除，以简化制作工艺。
Claims (6)
1.一种具有环状压电层的微机械超声换能器，其特征在于，由换能器单元经二维周期延拓组成，为M×N阵列结构；M、N为1—256，以形成各单元可单独控制的二维面阵列，其中，列方向并联，行方向为可单独控制的一维线阵列，记延拓周期为P；所述换能器单元的结构包括压电环（1）、复合薄膜（2）、电容腔体（3）和衬底（4）；压电环（1）包含环形电极层（1-1）与环形压电层（1-2），环形电极层（1-1）在环形压电层（1-2）的上方，环形压电层（1-2）作为压电环的主体，为中空圆柱形状，覆盖在复合薄膜（2）之上，使得压电层和复合薄膜结合形成的整体结构实现中间软、外围硬的刚度分布；复合薄膜包括两层，上层为第一电极层（2-1），下层为中性层（2-2）；衬底（4）在复合薄膜（2）的下方，衬底（4）中间部分为中空圆柱形腔体（3-1），腔体底部为第二电极层（3-2），中空腔体和电极层形成电容腔体（3）；这里，环形电极层（1-1）、环形压电层（1-2）、中空圆柱形腔体（3-1）、第二电极层（3-2）为同轴；
所述中性层（2-2）为电极层（1-1）、环形压电层（1-2）提供支撑；并且在其下方具有第二电极层（3-2），与上方环形压电层（1-2）协同工作，以实现应变效率叠加的效果；
所述复合薄膜中的第一电极层（2-1）和压电环中的环形电极层（1-1）构成压电材料上下两侧的电极对，可用于电场、电荷、电压的施加与采集；其中，可以通过施加直流偏置电压，以及交流耦合信号，对中性层（2-2）的形态进行静态和动态的控制与激励；复合薄膜中的第一电极层（2-1）与电容腔体中的第二电极层（3-2）构成静电力驱动所需的电极对，可以通过施加直流偏置电压，以及交流耦合信号，对电容腔体的复合薄膜的形态进行静态和动态的控制与激励；
所属衬底（4）与复合薄膜（2）之间为一平整接触面，通过键合工艺使两者结合；衬底（4）给复合薄膜（2）提供支撑，并改变振动结构的边界条件，从而影响结构的谐振频率；
所述电容腔体（3）是衬底（4）从上而下刻蚀形成的凹陷结构，第二电极层（3-2）沉积在其底部，因而电容腔体（3）的形状与衬底（4）是互补的。
2.根据权利要求1所述的微机械超声换能器，其特征在于，对于第二电极层（3-2）与第一电极层（2-1）构成的电极对施加电压，使得复合薄膜与第二电极层（3-2）贴合的临界电压，定义该电压为塌陷电压；而电容腔体（3）工作所需的直流偏置电压，则为上述塌陷电压的1/3～2/3，使电极对产生电荷积累，并使复合薄膜具有一定的拉伸程度，以调控结构弹性和谐振频率；第二电极层（3-2）与复合薄膜（2）之间的空腔结构，给复合薄膜（2）提供振动空间，并确保复合薄膜（2）不出现塌陷和贴合非理想情况。
3.根据权利要求1所述的微机械超声换能器，其特征在于，所述复合薄膜（2）中的第一电极层（2-1），以光刻方式实现图形化刻蚀，从而减少第一电极层（2-1）与封装、互联过程中的走线层的交叠，减少寄生电容，减少充放电过程中的能量损耗。
4.根据权利要求1所述的微机械超声换能器，其特征在于，进一步包含形成在所述压电环（1）与复合薄膜（2）上方的绝缘层、走线层、钝化层与声匹配层；走线层为金属材料，钝化层、绝缘层与声匹配层为绝缘介质；其中，绝缘层用于隔绝走线层与电极层；走线层用于与电极层形成连接，并引出至外界引脚以便施加信号；钝化层用于保护压电材料与金属材料，使之和外界水汽或其它介质隔绝，实现隔离与钝化；声匹配层介于换能器单元的主体结构与负载介质之间，用于改善声发射效率。
5.根据权利要求1所述的微机械超声换能器，其特征在于，中空圆柱形腔体（3-1）内半径为5—100微米，以形成中心频率为0.5—100MHz的微机械超声换能器；环形电极层（1-1）的覆盖范围小于环形压电层（1-2），即内径不小于后者，外径不大于后者；环形压电层（1-2）厚度为0.1—5微米；中性层（2-2）厚度为0.1—5微米；环形电极层（1-1）、第一电极层（2-1）、第二电极层（3-2）各自厚度为0.01-1微米；中空圆柱形腔体（3-1）的高度大于第二电极层（3-2）的高度0.01-5微米，以确保第二电极层（3-2）与复合薄膜（2）间留有中空间隙。
6.根据权利要求1所述的微机械超声换能器，其特征在于，所述环形压电层（1-2）的内径为中空圆柱形腔体（3-1）半径的50%—100%，外径大于中空圆柱形腔体（3-1）半径，且略小于周期P/2；使复合薄膜（2）在弯曲振动时，中心处的复合薄膜为挤压状态，外周的薄膜即环形压电层位置处的复合薄膜为拉伸状态。
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