CN115770720A - 一种具有隔离凹槽低应力双压电层结构的pmut及其工作和制备方法 - Google Patents

一种具有隔离凹槽低应力双压电层结构的pmut及其工作和制备方法 Download PDF

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CN115770720A
CN115770720A CN202211527622.0A CN202211527622A CN115770720A CN 115770720 A CN115770720 A CN 115770720A CN 202211527622 A CN202211527622 A CN 202211527622A CN 115770720 A CN115770720 A CN 115770720A
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李支康
李梓璇
赵立波
马琦
石璇
秦韶辉
罗国希
袁佳炜
杨萍
王小章
蒋庄德
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Xian Jiaotong University
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Abstract

本发明公开了一种具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT及其工作和制备方法,PMUT自上而下包括圆形多层复合薄膜、绝缘层、上基底、键合层和下基底。多层复合薄膜包括上压电层、下压电层、上电极层、中电极层和下电极层多层复合薄膜上具有同心的环形凹槽,并覆盖整个空腔的区域。本发明在有效降低PMUT单元间串扰、减小薄膜应力的同时实现薄膜内压电驱动弯矩的大幅增加,进而实现超声发射和接收性能提升,以满足小管径流量检测应用对低功耗、高性能超声换能器的迫切需求。

Description

一种具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT及其工作和制 备方法
技术领域
本发明涉及MEMS和超声换能器技术,特别涉及一种面向流量检测应用领域的具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT及其工作和制备方法。
背景技术
超声波是一种频率在20kHz以上的机械波,具有方向性强、穿透性好、能量集中与无噪音污染等特点。随着现代科技发展,超声设备被广泛应用在医学诊断、疾病治疗、无损检测、距离测量、姿态识别、指纹识别等诸多领域,而超声换能器正是发射和接收超声波的传感器。尽管基于厚度振动模式的传统体块式超声传感器的设计与制备已日趋成熟,并取得了广泛的应用,但复杂的制备过程限制了其成本的进一步降低、设备的小型化以及针对先进2D阵列成像系统的设计。随着微型机电系统(Microelectromechanical Systems,MEMS)的发展,基于MEMS技术的压电式微加工超声传感器(Piezoelectric MicromachinedUltrasonic Transducer,PMUT)逐渐在业界崭露头角,克服传统体块式压电超声换能器的缺点,PMUT具有阻抗匹配性好、无需高压脉冲极化、无需加载很高的直流偏置电压、对振动薄膜与基板间的间隙尺寸也无严格限制等特点让其设计更灵活以及应用更广泛。
近年来,流量测量与人们的日常生活有着密不可分的关系,广泛应用于石油、化工、冶金、核电、水利、航空等众多领域,通过检测流量变化实现故障预测和健康管理。超声波流量计是非介入式测量,不会破坏液体流场,无压力损失,对介质几乎无要求,非固定式测量,安装拆卸方便等优点,因此在流量测试领域中得到了广泛应用。目前,市售的超声波流量计基于传统的体PZT压电换能器。然而,这些传统的超声波流量计中的大多数对于小直径管道(例如直径≤15mm)的流量测量是不可行的,无论是用于原位还是实时流量监测,因为它们的缺点是尺寸大,功耗高且难以与IC集成。随着MEMS技术的发展,PMUT由于其体积小,不需要声阻抗匹配层,低功耗,制造成本低且易于与IC集成,因此成为传统超声换能器的有前途的替代品。这些优势使MUT能够与管道小且重量,尺寸和功耗要求高的测量目标实现紧凑集成,例如飞机和航空航天飞机中的石油管道系统或医疗诊断中的血管血流监测,以实现原位,长期和实时流量监测。由于超声波在钢管中传播时会迅速衰减,且钢管声阻抗与PMUT阻抗的不一致性也会引起较大反射损耗,因此,要求PMUT具有高强度超声波发射能力和高接收灵敏度。然而,目前常规的PMUT结构有上电极、压电层、下电极、绝缘层、结构层和衬底组成,且主要通过设计新颖的薄膜结构来增大薄膜平均位移,进而提高输出声压以及灵敏度,这种方法导致薄膜结构设计复杂,增加了工艺难度,并抑制阵列中单元结构的一致性。因此,采用常规结构PMUT的制备工艺简单,但是输出声压、接收性能以及灵敏度,难以达到用于金属材料小管径的流量检测的性能。
发明内容
为解决上述技术难题,本发明提出一种具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT及其工作和制备方法,本发明在有效降低PMUT单元间串扰、减小薄膜应力的同时实现薄膜内压电驱动弯矩的大幅增加,进而实现超声发射和接收性能提升,以满足小管径流量检测应用对低功耗、高性能超声换能器的迫切需求。
本发明采用的技术方案如下:
一种具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT,包括第一换能器单元和第二换能单元,第一换能器单元和第二换能单元结构相同;
第一换能器单元和第二换能单元均包括多层复合薄膜、绝缘层、上基底和下基底,绝缘层、上基底和下基底依次堆叠设置,上基底中开设有圆形空腔,多层复合薄膜设置于绝缘层上且位于圆形空腔上方部分的形状为圆形;
第一换能器单元和第二换能单元公用绝缘层、上基底和下基底,第一换能器单元和第二换能单元的多层复合薄膜位于圆形空腔上方部分的外周均设有环形凹槽,环形凹槽从多层复合薄膜的表面延伸至绝缘层的表面;
多层复合薄膜中位于圆形空腔上方的部分包括上压电层、下压电层、上电极层、中电极层和下电极层,下电极层设置于绝缘层表面,下压电层设置于下电极层表面,中电极层设置于下电极层表面,上压电层设置于中电极层表面,中电极层包括圆形的中内电极以及环形的并位于中电极层外围的中外电极,中内电极的外缘和中外电极的內缘之间具有间隙,上电极层设置于上压电层表面。
优选的,上基底和下基底之间通过键合层键合。
优选的,上压电层和下压电层采用氮化铝压电材料,绝缘层和键合层采用二氧化硅材料,所述上基底和下基底采用硅材料。
优选的,多层复合薄膜中位于圆形空腔上方的部分与圆形空腔同轴。
优选的,多层复合薄膜中位于圆形空腔上方的部分的横向尺寸圆形空腔的直径。
优选的,第一换能器单元和第二换能单元的上电极之间通过引线相连,第一换能器单元和第二换能单元的中外电极之间通过引线相连,第一换能器单元和第二换能单元的中内电极之间通过引线相连,第一换能器单元和第二换能单元通过引线相连,第一换能器单元和第二换能单元的下电极之间通过引线相连。
本发明如上所述的具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT的工作方法,包括如下过程:
在上电极和下电极加载0V的驱动电压,在中外电极和中内电极加载幅值相等、相位相反的驱动电压,在上压电层和下压电层内产生大小相等、方向相反的面内应力,使上压电层和下压电层翘曲产生弯曲振动。
优选的,加载于中内电极的驱动电压V1和中外电极的驱动电压V2均为正弦信号,且驱动电压V1和驱动电压V2的幅值相等、相位相差π。
本发明如上所述的具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT的制备方法,包括如下步骤:
步骤1:通过干法刻蚀去除低阻双面抛光SOI片上表面的顶层二氧化硅,再采用湿法刻蚀掉低阻双面抛光SOI片的顶层硅;
步骤2:光刻低阻双面抛光SOI片的底层二氧化硅层,将圆形空腔在低阻双面抛光SOI片的硅衬底上对应的区域通过干法刻蚀刻蚀掉,刻蚀停止于低阻双面抛光SOI片的中间二氧化硅的底面,此时形成圆形空腔,对低阻双面抛光SOI片的中间二氧化硅的厚度进行减薄,形成绝缘层,绝缘层作为振动薄膜,得到第一结构;
步骤3:取另外一片单面抛光并减薄的单晶硅片作为下基底,通过扩散键合所述单晶硅片与第一结构的绝缘层,此时控制圆形空腔内的真空度达到设计需要的真空吸力,最后完成圆形空腔的密封;
步骤4:在绝缘层表面磁控溅射第一金属层,然后光刻图案化,最后通过干法刻蚀形成下电极层;
步骤5:在下电极层表面磁控溅射第一压电层,然后光刻图案化,最后通过干法与湿法刻蚀相结合的方法形成下压电层;
步骤6:在下压电层表面磁控溅射第二金属层,然后光刻图案化,形成中内电极和中外电极的区域,再通过干法刻蚀形成中电极层;
步骤7:在中电极层表面磁控溅射第二压电层,然后光刻图案化,最后通过干法与湿法刻蚀相结合的方法形成上压电层;
步骤8:在上压电层表面磁控溅射第三金属层,然后光刻图案化,最后通过干法刻蚀形成上电极层,制备完成。
优选的,步骤3中,单晶硅片与第一结构的硅衬底时,通过调节单晶硅片与第一结构的硅衬底之间圆形空腔的真空度,实现圆形空腔内向下的真空吸力与第一结构的硅衬底的向上的加工应力达到平衡。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明PMUT中,中内电极的外缘和中外电极的內缘之间具有间隙,该间隙作为第一换能器单元和第二换能单元之间的环形隔离凹槽,从而抑制超声横波沿结构层的传播,降低单元间的串扰来实现声功率的提升;多层复合薄膜中位于圆形空腔上方的部分采用了双压电层,该双压电层能够通过差分驱动,该差分驱动双压电层结构能增大薄膜内的横向应力从而大幅提升压电弯矩,以及通同对双压电层反向电场的激励方式实现薄膜内的弯矩在振动中心的集中和边缘处的减小,进一步提高薄膜内的平均变形,进而提高输出声压;本发明中,通过调整圆形空腔内的真空度形成向下的真空吸力与向上的薄膜加工应力达到平衡,从而降低振动薄膜内的应力,从而有效增大灵敏度。综上,本发明的PMUT在有效降低PMUT串扰同时实现超声发射和接收性能的大幅提高,能够满足小管径流量检测应用对低功耗、高性能超声换能器的迫切需求。
附图说明
图1(a)为本发明具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT的顶视图;
图1(b)为图1(a)中A-A截面的剖视图。
图2为本发明具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT驱动信号加载以及工作振形的示意图(图1(a)中A-A截面)。
图3为本发明具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT制备方法步骤示意图。
图中的标号如下表所示:
1 多层复合薄膜 1-1 顶电极
1-2 压电驱动层 1-2-1 上压电层
1-2-2 下压电层 1-3 中电极
1-3-1 中内电极 1-3-2 中外电极
1-4 底电极 2 隔离凹槽
3 绝缘层 4 上基底
5 圆形空腔 6 键合层
7 下基底 8 顶电极引线
9 中内电极引线 10 中外电极引线
11 底电极引线 12 底层二氧化硅
13 顶层二氧化硅 14 顶层硅
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明进行详细说明:
本发明提出具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT,通过降低PMUT单元间串扰、减小薄膜应力的同时实现薄膜内压电驱动弯矩的大幅增加,进而实现超声发射和接收性能提升,以满足小管径流量检测应用对低功耗、高性能超声换能器的需求。
如图1(a)和图1(b)所示,本发明具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT,自上而下包括多层复合薄膜1、绝缘层3、上基底4、键合层6和下基底7;
如图1(b)所示,多层复合薄膜1包括压电驱动层1-2、上电极层1-1、中电极层1-3和下电极层1-4;其中压电驱动层结构1-2在厚度方向自上而下包括上电极层1-2-1和下电极层1-2-2;中电极层1-3设置于上电极层1-2-1和下电极层1-2-2之间,中电极层1-3在沿半径方向自边界到圆心包括中外电极层1-3-2和中内电极层1-3-1,参见图1(a),中内电极层1-3-1为一圆形结构,中外电极层1-3-2为一环形结构并套在中内电极层1-3-1的外圈,中内电极层1-3-1的外缘与中外电极层1-3-2內缘之间具有间隙。
多层复合薄膜1在加工时可设置为一整块,之后在多层复合薄膜1上位于上基底4中的圆形空腔5上方的部分的外缘刻蚀出环形凹槽2,环形凹槽2内的部分为一圆形结构并位于圆形空腔5上方,且环形凹槽2与圆形空腔5处于同心位置;所述绝缘层3、上基底4、键合层6和下基底11自上而下将圆形空腔5进行密封。
相邻的第一换能器单元和第二换能器单元的上电极1-1之间通过上电极引线8互连,相邻的第一换能器单元和第二换能器单元的中外电极1-3-2之间通过中外电极引线9互连,相邻的第一换能器单元和第二换能器单元的中内电极1-3-1之间通过中内电极引线10互连,相邻的第一换能器单元和第二换能器单元的下电极1-4之间通过下电极引线11互连。
多层复合薄膜1上位于环形凹槽2以内部分的上电极1、压电驱动层1-2、中外电极1-3-2、下电极1-4的横向尺寸一致;中外电极1-3-2的内壁和中内电极1-3-1的外壁的间距设为2~5μm;上电极1-1、压电驱动层1-2、中外电极1-3-2、下电极1-4的横向尺寸大于空腔5的横向尺寸;
本发明具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT中,压电驱动层1-2采用氮化铝压电材料,绝缘层3和键合层6采用二氧化硅材料,所述上基底4和下基底7采用硅材料。上压电驱动层1-2不仅是提供压电驱动弯矩的驱动层,也是实现自身的振动的结构层,替代传统振动结构层,在整体上减薄了单元的厚度。
本发明具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT在工作时,上电极1-1和下电极1-4的驱动电压为0V,中外电极1-3-2和中内电极1-3-1的驱动电压的幅值相等但相位相反,在中电极1-3覆盖区域的上压电层1-2-1和下压电层1-2-2内产生大小相等、方向相反的面内应力,进而让上压电层1-2-1和下压电层1-2-2翘曲产生弯曲振动,参见图2所述加载于中内电极1-3-1和中外电极1-3-2的驱动信号V1与驱动信号V2均为正弦信号,且驱动信号V1与驱动信号V2的幅值相等、相位相差π。
相邻的第一换能器单元和第二换能器单元的多层复合薄膜1之间通过隔离凹槽2来降低超声串扰。同时单元多层复合薄膜1通过隔离凹槽2来降低边界应力来提升振动位移。
通过调节绝缘层3和键合层6之间圆形空腔5的真空度,实现向下的真空吸力与薄膜的向上的加工应力达到平衡。
用作超声波发射工作模式时,通过对圆形中内电极和环形中外电极以一定的相位差进行激励,可以实现双压电层的差分驱动,增大膜内的压电弯矩,环形隔离凹槽具有抑制单元间的串扰以及降低边界应力来提升振动位移,真空腔产生的向下的真空吸力与薄膜内应力平衡,大幅提高单元的超声发射性能;用作超声波接收工作模式时,入射超声波让多层复合薄膜发生振动,产生可检测的电信号,实现超声波的接收。
参看图3,图1所示本发明具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT的制备方法,包括如下步骤:
步骤(1):取一低阻双面抛光SOI片(可简称为SOI片)作为上基底结构,通过干法刻蚀去除SOI片上表面的二氧化硅13,再采用湿法刻蚀掉上层硅14,留下中间二氧化硅层,中间二氧化硅层后续加工成绝缘层3;
步骤(2):光刻SOI片底面二氧化硅层12,干法刻蚀将背腔图形(即圆形空腔5对应的区域)内的硅衬底(硅衬底后续加工为上基底4)刻蚀掉,刻蚀停止于SOI中间二氧化硅的底面,通过机械研磨对硅衬底的厚度进行减薄,达到圆形空腔5所需的高度,此时形成振动薄膜(绝缘层3上与圆形空腔5对应的区域)的圆形空腔5;选取另外一片单面抛光并减薄的单晶硅片作为下基底7和键合层6的组合体,通过扩散键合将下基底7与完成背腔刻蚀的SOI片的硅衬底键合,此时需要控制真空度保证设计需要的真空吸力,最后完成圆形空腔5的密封;
步骤(3):通过磁控溅射第一金属层,然后光刻图案化,将隔离凹槽2处对应的第一金属层去除,最后通过干法刻蚀形成底电极层1-4;
步骤(4):通过磁控溅射第一氮化铝层,然后光刻图案化,将隔离凹槽2处对应的第一氮化铝层去除,最后通过干法与湿法刻蚀相结合的方法形成下压电层1-2-2;
步骤(5):通过磁控溅射第二金属层,然后光刻图案化,将隔离凹槽2处对应的第二金属层去除,同时将中内电极1-3-1外缘和中外电极1-3-2內缘之间区域的第二金属层去除,再通过干法刻蚀形成中电极层1-3;
步骤(6):通过磁控溅射第二氮化铝层,然后光刻图案化,将隔离凹槽2处对应的第二氮化铝层去除,最后通过干法与湿法刻蚀相结合的方法形成上压电层1-2-1;
步骤(7):通过磁控溅射第三金属层,然后光刻图案化,将隔离凹槽2处对应的第三金属层去除,最后通过干法刻蚀形成上电极层1-1;至此本发明具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT制备完成。
从上述方案可以看出,本发明首先通过隔离凹槽设计来减小相邻单元间的声串扰以及进一步减小薄膜固定区域对薄膜变形的束缚;其次通过双压电层差分驱动的设计来增大薄膜的压电驱动弯矩;最后通过真空腔的设计来实现与薄膜的加工应力平衡。这些设计在保证单元厚度的情况下极大的增大薄膜的变形位移,进而提高输出声压,增大机电耦合系数以及发射和接收灵敏度等性能。此外,本发明制备工艺简单,所制备的PMUT结构及性能一致性好,本发明的PMUT在有效降低PMUT串扰同时实现超声发射和接收性能的大幅提高,能够满足小管径流量检测应用对低功耗、高性能超声换能器的迫切需求。
以上所述仅为本发明的几种实施方式,不是全部或唯一的实施方式,本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换,均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT,其特征在于,包括第一换能器单元和第二换能单元,第一换能器单元和第二换能单元结构相同;
第一换能器单元和第二换能单元均包括多层复合薄膜(1)、绝缘层(3)、上基底(4)和下基底(7),绝缘层(3)、上基底(4)和下基底(7)依次堆叠设置,上基底(4)中开设有圆形空腔(5),多层复合薄膜(1)设置于绝缘层(3)上且位于圆形空腔(5)上方部分的形状为圆形;
第一换能器单元和第二换能单元公用绝缘层(3)、上基底(4)和下基底(7),第一换能器单元和第二换能单元的多层复合薄膜(1)位于圆形空腔(5)上方部分的外周均设有环形凹槽(2),环形凹槽(2)从多层复合薄膜(1)的表面延伸至绝缘层(3)的表面;
多层复合薄膜(1)中位于圆形空腔(5)上方的部分包括上压电层(1-2-1)、下压电层(1-2-2)、上电极层(1-1)、中电极层(1-3)和下电极层(1-4),下电极层(1-4)设置于绝缘层(3)表面,下压电层(1-2-2)设置于下电极层(1-4)表面,中电极层(1-3)设置于下电极层(1-4)表面,上压电层(1-2-1)设置于中电极层(1-3)表面,中电极层(1-3)包括圆形的中内电极(1-3-1)以及环形的并位于中电极层(1-3)外围的中外电极(1-3-2),中内电极(1-3-1)的外缘和中外电极(1-3-2)的內缘之间具有间隙,上电极层(1-1)设置于上压电层(1-2-1)表面。
2.根据权利要求1所述的一种具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT,其特征在于,上基底(4)和下基底(7)之间通过键合层(6)键合。
3.根据权利要求2所述的一种具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT,其特征在于,上压电层(1-2-1)和下压电层(1-2-2)采用氮化铝压电材料,绝缘层(3)和键合层(6)采用二氧化硅材料,所述上基底(4)和下基底(7)采用硅材料。
4.根据权利要求1所述的一种具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT,其特征在于,多层复合薄膜(1)中位于圆形空腔(5)上方的部分与圆形空腔(5)同轴。
5.根据权利要求1所述的一种具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT,其特征在于,多层复合薄膜(1)中位于圆形空腔(5)上方的部分的横向尺寸圆形空腔(5)的直径。
6.根据权利要求1所述的一种具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT,其特征在于,第一换能器单元和第二换能单元的上电极(1-1)之间通过引线相连,第一换能器单元和第二换能单元的中外电极(1-3-2)之间通过引线相连,第一换能器单元和第二换能单元的中内电极(1-3-1)之间通过引线相连,第一换能器单元和第二换能单元通过引线相连,第一换能器单元和第二换能单元的下电极(1-4)之间通过引线相连。
7.权利要求1-6任意一项所述的一种具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT的工作方法,其特征在于,包括如下过程:
在上电极(1-1)和下电极(1-4)加载0V的驱动电压,在中外电极(1-3-2)和中内电极(1-3-1)加载幅值相等、相位相反的驱动电压,在上压电层(1-2-1)和下压电层(1-2-2)内产生大小相等、方向相反的面内应力,使上压电层(1-2-1)和下压电层(1-2-2)翘曲产生弯曲振动。
8.根据权利要求7所述的一种具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT的工作方法,其特征在于,加载于中内电极(1-3-1)的驱动电压V1和中外电极(1-3-2)的驱动电压V2均为正弦信号,且驱动电压V1和驱动电压V2的幅值相等、相位相差π。
9.权利要求1-6任意一项所述的一种具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:通过干法刻蚀去除低阻双面抛光SOI片上表面的顶层二氧化硅(13),再采用湿法刻蚀掉低阻双面抛光SOI片的顶层硅(14);
步骤2:光刻低阻双面抛光SOI片的底层二氧化硅层(12),将圆形空腔(5)在低阻双面抛光SOI片的硅衬底上对应的区域通过干法刻蚀刻蚀掉,刻蚀停止于低阻双面抛光SOI片的中间二氧化硅的底面,此时形成圆形空腔(5),对低阻双面抛光SOI片的中间二氧化硅的厚度进行减薄,形成绝缘层(3),绝缘层(3)作为振动薄膜,得到第一结构;
步骤3:取另外一片单面抛光并减薄的单晶硅片作为下基底,通过扩散键合所述单晶硅片与第一结构的绝缘层(3),此时控制圆形空腔(5)内的真空度达到设计需要的真空吸力,最后完成圆形空腔(5)的密封;
步骤4:在绝缘层(3)表面磁控溅射第一金属层,然后光刻图案化,最后通过干法刻蚀形成下电极层(1-4);
步骤5:在下电极层(1-4)表面磁控溅射第一压电层,然后光刻图案化,最后通过干法与湿法刻蚀相结合的方法形成下压电层(1-2-2);
步骤6:在下压电层(1-2-2)表面磁控溅射第二金属层,然后光刻图案化,形成中内电极(1-3-1)和中外电极(1-3-2)的区域,再通过干法刻蚀形成中电极层(1-3);
步骤7:在中电极层(1-3)表面磁控溅射第二压电层,然后光刻图案化,最后通过干法与湿法刻蚀相结合的方法形成上压电层(1-2-1);
步骤8:在上压电层(1-2-1)表面磁控溅射第三金属层,然后光刻图案化,最后通过干法刻蚀形成上电极层(1-1),制备完成。
10.权利要求9所述的一种具有隔离凹槽低应力双压电层结构的PMUT的制备方法,其特征在于,步骤3中,单晶硅片与第一结构的硅衬底时,通过调节单晶硅片与第一结构的硅衬底之间圆形空腔(5)的真空度,实现圆形空腔(5)内向下的真空吸力与第一结构的硅衬底的向上的加工应力达到平衡。
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