CN115780223A - 一种mems超声波换能器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种MEMS超声波换能器，其包括若干个按照行列规则排布的换能器单元，由上而下依次为上电极层、振动薄膜、绝缘支撑层、衬底硅片和下电极层，振动薄膜和绝缘支撑层上开设有若干围绕上电极层设置的通孔，振动薄膜和绝缘支撑层上开设有一圈环形槽，衬底硅片的顶面中心处设有与通孔相通的凹槽。本发明通过在换能器单元器件层之间刻蚀环形槽结构来降低换能器在工作时的锚点损耗来，同时通过在换能器单元器件层上刻蚀通孔结构来使换能器振动薄膜从类高斯运动变为类活塞运动，最终达到了提高换能器灵敏度的目的。

Description

一种MEMS超声波换能器

技术领域

本发明涉及MEMS换能器技术领域，具体是一种MEMS超声波换能器。

背景技术

超声换能器作为超声技术的核心器件逐渐在各个领域日益流行，近年来，以MEMS工艺为基础工艺制造的电容式微机械超声波换能器（Capacitive MicromachinedUltrasonic Transducer, CMUT）成为科研热点并得到了快速发展，广泛应用于医疗成像、水下探测、超声识别以及材料的无损检测等领域。与压电式超声换能器（PiezoelectricMicromachined Ultrasonic Transducer, PMUT）相比，CMUT带宽大，且不需要阻抗匹配层，拥有较大的转换效率。高灵敏度CMUT结构一直是国内外学者的研究热点。

CMUT是一种基于静电能量转换机理的超声换能器，其基本结构一般包括金属上电极、振动薄膜、边缘支撑、支撑腔、硅衬底和下电极等组成结构。工作时需要在上下电极之间施加较高的直流偏置电压。工作在发射模式时，施加在上下电极之间的交变电场使振膜作弯曲振动，从而产生辐射声波；工作于接收模式时，在外界声压的作用下，振膜发生振动，使上下电极之间的电容量发生变化，并通过相应的接收电路获得与声压大小相对应的电信号。

CMUT的主要的能量损耗机制包括介质阻尼、锚点损耗和热弹性耗散。当CMUT工作在发射模式或者接收模式时，由于支撑结构对CMUT会造成很大的锚点损耗，进而降低其灵敏度。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种全新结构构造的MEMS超声波换能器。

本发明提供了两种结构的MEMS超声波换能器，分别通过如下技术方案实现的：

其一，一种MEMS超声波换能器，包括若干个按照行列规则排布的换能器单元；换能器单元整体呈圆柱型状，其由上而下依次为上电极层、振动薄膜、绝缘支撑层、衬底硅片和下电极层，其中，上电极层、振动薄膜、绝缘支撑层形成器件层结构，衬底硅片和下电极层形成衬底硅片结构；上电极层的直径小于圆柱型的直径，振动薄膜和绝缘支撑层上开设有若干通孔，若干通孔围绕上电极层一圈均布设置，若干通孔的连线呈圆环形、正方形或正六边形，每个通孔均贯穿振动薄膜和绝缘支撑层整体上下而设置；振动薄膜和绝缘支撑层上开设有一圈环形槽，环形槽围绕若干通孔的外侧设置，环形槽贯穿振动薄膜和绝缘支撑层整体上下而设置；衬底硅片的顶面中心处设有凹槽，凹槽与若干通孔相通，凹槽的直径小于环形槽的内径。

其二，一种MEMS超声波换能器，包括若干个按照行列规则排布的换能器单元；换能器单元整体呈圆柱型状，其由上而下依次为上电极层、振动薄膜、绝缘支撑层、衬底硅片和下电极层，其中，上电极层、振动薄膜、绝缘支撑层形成器件层结构，衬底硅片和下电极层形成衬底硅片结构；上电极层的直径小于圆柱型的直径，振动薄膜上开设有若干通孔，若干通孔围绕上电极层一圈均布设置，若干通孔的连线呈圆环形、正方形或正六边形，每个通孔均贯穿振动薄膜上下而设置；振动薄膜和绝缘支撑层上开设有一圈环形槽，环形槽围绕若干通孔的外侧设置，环形槽贯穿振动薄膜和绝缘支撑层整体上下而设置；绝缘支撑层的顶面中心处设有凹槽，凹槽与若干通孔相通，凹槽的平面尺寸小于环形槽的内径。

优选的，上述两种换能器中，上电极层和下电极层的材料为金或铝，振动薄膜和衬底硅片的材料为硅，绝缘支撑层的材料为二氧化硅。

优选的，上述两种换能器中，凹槽的形状为圆形、正方形或正六边形。

优选的，上述两种换能器中，所有换能器单元的上电极层相互连接、下电极层相互连接。

优选的，上述两种换能器中，换能器单元为电容式换能器单元或压电式换能器单元。

本发明MEMS超声波换能器中的各个换能器单元按行列规则排布，并且各换能器单元的器件层上均刻蚀有环形槽结构，环形槽结构降低了换能器在振动时的锚点损耗，即减小了换能器在工作过程中的能量损耗，从而提高了换能器的灵敏度。另外，在换能器单元振动薄膜上刻蚀通孔结构，从而使换能器振动薄膜由类高斯运动变为类活塞运动，进而对其灵敏度进行了进一步的增强。本发明提出的MEMS超声波换能器设计科学、结构简单，且在不增加任何工艺复杂度的前提下极大地增加了MEMS超声波换能器的接收/发射灵敏度。

附图说明

此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1和实施例3中换能器单元的截面示意图。

图2为本发明实施例2中换能器单元的截面示意图。

图3为本发明实施例1中换能器单元的俯视图。

图4为本发明实施例2中换能器单元的俯视图。

图5为本发明实施例3中换能器单元的俯视图。

图6为本发明实施例1中MEMS超声波换能器整体的俯视图。

图7为本发明实施例2中MEMS超声波换能器整体的俯视图。

图8为本发明实施例3中MEMS超声波换能器整体的俯视图。

图中：100-下电极层、101-衬底硅片、102-凹槽、103-绝缘支撑层、104-振动薄膜、105-上电极层、106-通孔、107-环形槽。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施方式及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“外侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

一种MEMS超声波换能器，包括若干个按照行列规则排布的换能器单元；如图1所示，换能器单元整体呈圆柱型状，其由上而下依次为上电极层105、振动薄膜104、绝缘支撑层103、衬底硅片101和下电极层100，其中，上电极层105和下电极层100的材料为金，振动薄膜104和衬底硅片101的材料为硅，绝缘支撑层103的材料为二氧化硅；上电极层105、振动薄膜104、绝缘支撑层103形成器件层结构，衬底硅片101和下电极层100形成衬底硅片101结构；上电极层105的直径小于圆柱型的直径，振动薄膜104和绝缘支撑层103上开设有若干通孔106，若干通孔106围绕上电极层105一圈均布设置，若干通孔106的连线呈如图3和图6所示的圆环形，每个通孔106均贯穿振动薄膜104和绝缘支撑层103整体上下而设置；振动薄膜104和绝缘支撑层103上开设有一圈环形槽107，环形槽107围绕若干通孔106的外侧设置，环形槽107贯穿振动薄膜104和绝缘支撑层103整体上下而设置；衬底硅片101的顶面中心处设有圆形凹槽102，圆形凹槽102与若干通孔106相通，圆形凹槽102的直径小于环形槽107的内径；其中，衬底硅片101上的圆形凹槽102、下电极层100和上电极层105的几何中心在换能器单元垂直方向的几何中心线上；所有换能器单元的上电极层105相互连接、下电极层100相互连接，在电学上形成并联结构。

实施例2

一种MEMS超声波换能器，包括若干个按照行列规则排布的换能器单元；如图2所示，换能器单元整体呈圆柱型状，其由上而下依次为上电极层105、振动薄膜104、绝缘支撑层103、衬底硅片101和下电极层100，其中，上电极层105和下电极层100的材料为铝，振动薄膜104和衬底硅片101的材料为硅，绝缘支撑层103的材料为二氧化硅；上电极层105、振动薄膜104、绝缘支撑层103形成器件层结构，衬底硅片101和下电极层100形成衬底硅片101结构；上电极层105的直径小于圆柱型的直径，振动薄膜104上开设有若干通孔106，若干通孔106围绕上电极层105一圈均布设置，若干通孔106的连线呈如图4和图7所示的正方形，每个通孔106均贯穿振动薄膜104上下而设置；振动薄膜104和绝缘支撑层103上开设有一圈环形槽107，环形槽107围绕若干通孔106的外侧设置，环形槽107贯穿振动薄膜104和绝缘支撑层103整体上下而设置；绝缘支撑层103的顶面中心处设有正方形凹槽102，正方形凹槽102与若干通孔106相通，正方形凹槽102的对角线长度小于环形槽107的内径；其中，绝缘支撑层103上的正方形凹槽102、下电极层100和上电极层105的几何中心在换能器单元垂直方向的几何中心线上；所有换能器单元的上电极层105相互连接、下电极层100相互连接，在电学上形成并联结构。

实施例3

一种MEMS超声波换能器，包括若干个按照行列规则排布的换能器单元；如图1所示，换能器单元整体呈圆柱型状，其由上而下依次为上电极层105、振动薄膜104、绝缘支撑层103、衬底硅片101和下电极层100，其中，上电极层105和下电极层100的材料为金，振动薄膜104和衬底硅片101的材料为硅，绝缘支撑层103的材料为二氧化硅；上电极层105、振动薄膜104、绝缘支撑层103形成器件层结构，衬底硅片101和下电极层100形成衬底硅片101结构；上电极层105的直径小于圆柱型的直径，振动薄膜104和绝缘支撑层103上开设有若干通孔106，若干通孔106围绕上电极层105一圈均布设置，若干通孔106的连线呈如图5和图8所示的正六边形，每个通孔106均贯穿振动薄膜104和绝缘支撑层103整体上下而设置；振动薄膜104和绝缘支撑层103上开设有一圈环形槽107，环形槽107围绕若干通孔106的外侧设置，环形槽107贯穿振动薄膜104和绝缘支撑层103整体上下而设置；衬底硅片101的顶面中心处设有正六边形凹槽102，正六边形凹槽102与若干通孔106相通，正六边形凹槽102的对角线长度小于环形槽107的内径；其中，衬底硅片101上的正六边形凹槽102、下电极层100和上电极层105的几何中心在换能器单元垂直方向的几何中心线上；所有换能器单元的上电极层105相互连接、下电极层100相互连接，在电学上形成并联结构。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种MEMS超声波换能器，其特征在于：包括若干个按照行列规则排布的换能器单元；换能器单元整体呈圆柱型状，其由上而下依次为上电极层、振动薄膜、绝缘支撑层、衬底硅片和下电极层；上电极层的直径小于圆柱型的直径，振动薄膜和绝缘支撑层上开设有若干通孔，若干通孔围绕上电极层一圈均布设置，若干通孔的连线呈圆环形、正方形或正六边形，每个通孔均贯穿振动薄膜和绝缘支撑层整体上下而设置；振动薄膜和绝缘支撑层上开设有一圈环形槽，环形槽围绕若干通孔的外侧设置，环形槽贯穿振动薄膜和绝缘支撑层整体上下而设置；衬底硅片的顶面中心处设有凹槽，凹槽与若干通孔相通，凹槽的直径小于环形槽的内径。

2.一种MEMS超声波换能器，其特征在于：包括若干个按照行列规则排布的换能器单元；换能器单元整体呈圆柱型状，其由上而下依次为上电极层、振动薄膜、绝缘支撑层、衬底硅片和下电极层；上电极层的直径小于圆柱型的直径，振动薄膜上开设有若干通孔，若干通孔围绕上电极层一圈均布设置，若干通孔的连线呈圆环形、正方形或正六边形，每个通孔均贯穿振动薄膜上下而设置；振动薄膜和绝缘支撑层上开设有一圈环形槽，环形槽围绕若干通孔的外侧设置，环形槽贯穿振动薄膜和绝缘支撑层整体上下而设置；绝缘支撑层的顶面中心处设有凹槽，凹槽与若干通孔相通，凹槽的平面尺寸小于环形槽的内径。

3.根据权利要求1或2所述的一种MEMS超声波换能器，其特征在于：上电极层和下电极层的材料为金或铝，振动薄膜和衬底硅片的材料为硅，绝缘支撑层的材料为二氧化硅。

4.根据权利要求1或2所述的一种MEMS超声波换能器，其特征在于：凹槽的形状为圆形、正方形或正六边形。

5.根据权利要求1或2所述的一种MEMS超声波换能器，其特征在于：所有换能器单元的上电极层相互连接、下电极层相互连接。

6.根据权利要求1或2所述的一种MEMS超声波换能器，其特征在于：换能器单元为电容式换能器单元或压电式换能器单元。

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