CN115945375A - 活塞模式电容压电复合微型超声换能器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及活塞模式电容压电复合微型超声换能器及其制备方法，包括上电极、压电薄膜、中电极、振动薄膜、绝缘层和下电极，所述振动薄膜连接在绝缘层上，所述振动薄膜与绝缘层之间开设有密封的空腔，所述绝缘层的下方连接有下电极，所述振动薄膜的上方从下至上依次连接有中电极、压电薄膜和上电极，所述压电薄膜的面积小于空腔的面积，且压电薄膜位于空腔的正上方设置。本发明可增加输出声压和接收灵敏度，降低工作电压，减小功耗，能够实现高性能超声发射和接收换能器的一体化。

Description

活塞模式电容压电复合微型超声换能器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种活塞模式电容压电复合微型超声换能器及其制备方法。

背景技术

基于微纳机械电子系统(MEMS)技术的微型超声换能器(MicromachinedUltrasonic Transducer，简称MUT)因具有微型化、加工精度高、声阻抗低、批量化制备成本低、易于实现二维阵列加工以及易于与集成电路(Integrated Circuit，简称IC)集成等特点，正在超高频超声成像、便携式超声成像、超声指纹识别、超声手势识别等前沿应用领域发挥巨大作用。

目前现有超声换能器大多为基于机械加工的压电陶瓷换能器。微型超声换能器作为新兴趋势正迅速发展，主要包括电容式微加工超声换能器(Capacitive MicromachinedUltrasonic Transducer，简称CMUT)和压电式微加工超声换能器(PiezoelectricMicromachined Ultrasonic Transducer，简称PMUT)两大类。

现有压电陶瓷超声换能器存在体积大、带宽窄、二维阵列制备困难、难与集成电路(Integrated Circuit，IC)集成等问题。微机电系统(Micro Electromechanical System，MEMS)微型超声换能器(Micromachined ultrasonic transducer，MUT)因其具备微型化、加工精度高、声阻抗低、批量化制备成本低、易于实现二维阵列加工以及易与IC集成等特性，正在超高频超声成像、便携式超声成像、超声指纹识别、超声手势识别等前沿应用领域发挥重要作用。

微型超声换能器按照工作原理主要分为电容式微机械超声换能器(CMUT)和压电式微机械超声换能器(PMUT)。PMUT因其带宽窄、灵敏度低、机电耦合系数低等原因，在高性能超声装备中的应用受到了严重的限制。CMUT由于其具有带宽大、灵敏度高、机电耦合系数高、易与IC电路集成等优点，目前占据微型换能器超声成像市场的主导地位。

尽管CMUT在带宽、机电耦合系数、发射和接收灵敏度等性能发明具有突出优势，然而其在超高频超声成像、便携式超声成像、超声指纹识别、超声手势识别等前沿技术领域仍面临亟待解决的技术难题：

(1)超高频超声成像因声波能量衰减随频率指数增长，要求超声换能器应同时具有优异的超声波发射和超声波接收性能。但目前常规的CMUT需要分离设计以获得优越的超声波发射或接收性能。CMUT用作超声波发射器时需要设计大空腔高度，以增大超声波输出声压，而用作超声波接收器时需要设计小空腔高度，以增大接收灵敏度。同一CMUT超声波输出声压和接收灵敏度相互制约，无法同时实现高性能超声波发射与接收。

(2)便携式超声成像、超声指纹识别、超声手势识别等应用要求超声换能器具有低工作电压、低功耗和便携性。例如，超声指纹识别应用需要超声换能器的功耗在毫瓦甚至更低级别，以便与手机等电子器件集成使用后降低整机功耗，提高待机时间，而日前常规的CMUT工作电压大、功耗高，工作时所需加载的高直流偏置电压(几十至几百伏不等)限制了其在便携式、低功耗以及长期在线检测发明的应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种活塞模式电容压电复合微型超声换能器及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

活塞模式电容压电复合微型超声换能器，包括上电极、压电薄膜、中电极、振动薄膜、绝缘层和下电极，所述振动薄膜连接在绝缘层上，所述振动薄膜与绝缘层之间开设有密封的空腔，所述绝缘层的下方连接有下电极，所述振动薄膜的上方从下至上依次连接有中电极、压电薄膜和上电极，所述压电薄膜的面积小于空腔的面积，且压电薄膜位于空腔的正上方设置；

当下电极与中电极间加载直流偏置电压，中电极加载交流电压，中电极与下电极之间的电容静电力使振动薄膜弯曲并发生振动，同时将上电极接地，中电极与上电极之间的电压差使压电薄膜弯曲并加强振动薄膜的振动幅度。

优选地，所述的活塞模式电容压电复合微型超声换能器，所述上电极、中电极、振动薄膜和下电极均为低阻导电材料，其电阻率低于0.1Ohm·cm。

优选地，所述的活塞模式电容压电复合微型超声换能器，所述压电薄膜的压电材料采用AlN压电材料、ScAlN压电材料、PVDF压电材料、PZT压电材料、ZnO压电材料、KNN压电材料或PMN-PT压电材料中的一种。

优选地，所述的活塞模式电容压电复合微型超声换能器，所述振动薄膜与压电薄膜之间构成正方形、长方形、圆形、交叉形、六边形、椭圆形或圆环形结构的一种。

活塞模式电容压电复合微型超声换能器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：下电极制备，取一低阻单晶硅片，采用氧化技术或化学气相沉积(CVD)技术在单晶硅片表面生成绝缘层，绝缘层材料为二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)，剩余单晶硅则形成下电极；

步骤2：光刻，图形化单晶硅上表面绝缘层再刻蚀绝缘层，刻蚀停止于指定深度，形成绝缘层及空腔；

步骤3：对绝缘体上硅(SOI)硅片顶层硅以及单晶硅片绝缘层表面进行活化处理，将SOI硅片顶层硅和单晶硅片绝缘层进行真空熔融键合，此时将空腔密封；

步骤4：采用化学机械抛光法首先去除部分SOI硅片基底硅，再用湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术，刻蚀剩余的基底硅，刻蚀停止于SOI硅片埋层二氧化硅；再采用湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术刻蚀SOI硅片埋层二氧化硅，释放SOI硅片顶层硅，形成振动薄膜；

步骤5：在振动薄膜表面溅射中电极层，压电材料层以及上电极层，覆盖振动薄膜表面；

步骤6：光刻，图形化上电极层和压电材料层，再刻蚀上电极层和压电材料层，刻蚀停止于中电极层，蚀刻后上电极层和压电材料层覆盖面积小于空腔面积；

步骤7：振动薄膜与压电薄膜成型。

优选地，所述的活塞模式电容压电复合微型超声换能器的制备方法，所述压电材料层采用AlN压电材料、ScAlN压电材料、PVDF压电材料、PZT压电材料、ZnO压电材料、KNN压电材料或PMN-PT压电材料中的一种。

优选地，所述的活塞模式电容压电复合微型超声换能器的制备方法，振动薄膜、下电极、中电极和上电极的材料采用低阻导电材料，电阻率低于0.1Ohm·cm。

优选地，所述的活塞模式电容压电复合微型超声换能器的制备方法，步骤7中的成型结构包括正方形、长方形、圆形、交叉形、六边形、椭圆形和圆环形。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

1、本发明采取电容压电复合微型超声换能器设计，通过压电薄膜的弯曲加强振动薄膜的振动幅度，同时压电薄膜增加了振动薄膜中间部分的振动刚度，使得振动模态由常规微型超声换能器的弯曲模态变为本发明的活塞模式变形模态，由此增加了薄膜振动等效振幅，进而增大了输出声压。

2、本发明在接收超声波回波过程中，入射超声波使振动薄膜与压电薄膜弯曲并发生振动，振动模态同样为活塞模式，由此增加了薄膜接收超声波的等效振幅，提高了接收灵敏度。

3、本发明可有效提高输出声压和接收灵敏度，实现高性能超声发射和接收换能器的一体化设计与制备，并能在保证收发性能与常规微型超声换能器相当的条件下降低直流偏置电压、减小功耗。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的归一化振幅图；

图3a至3f是发明的制备流程示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或竖直，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例

如图1和图2所示，活塞模式电容压电复合微型超声换能器，包括上电极1、压电薄膜2、中电极3、振动薄膜4、绝缘层6和下电极7，所述振动薄膜4连接在绝缘层6上，所述振动薄膜4与绝缘层6之间开设有密封的空腔5，所述绝缘层6的下方连接有下电极7，所述振动薄膜4的上从下至上依次连接有中电极3、压电薄膜2和上电极1，所述压电薄膜2的面积小于空腔5的面积，且压电薄膜2位于空腔5的正上方设置；

当下电极7加载直流偏置电压，中电极3加载交流电压，中电极3与下电极7之间的电容静电力使振动薄膜弯曲并发生振动，同时将上电极1接地，中电极3与上电极1之间的电压差使压电薄膜弯曲并加强振动薄膜的振动幅度，压电薄膜覆盖于中电极上表面，面积小于空腔面积，以增加振动薄膜中间部分的振动刚度，使得振动模态由常规弯曲模态变为活塞模式变形模态(如图2所示)。在接收超声波回波过程中，入射超声波使振动薄膜与压电薄膜弯曲并发生振动，振动模态同样为活塞模式，振动信号通过电容静电效应和压电效应分别转换为电压信号。

本发明中所述上电极1、中电极3、振动薄膜4和下电极7均为低阻导电材料，其电阻率低于0.1Ohm·cm。

本发明中所述压电薄膜2的压电材料采用AlN压电材料、ScAlN压电材料、PVDF压电材料、PZT压电材料、ZnO压电材料、KNN压电材料或PMN-PT压电材料中的一种。

本发明中所述振动薄膜4与压电薄膜2之间构成正方形、长方形、圆形、交叉形、六边形、椭圆形或圆环形结构的一种。

如图3a至图3f所示，活塞模式电容压电复合微型超声换能器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：下电极制备，取一低阻单晶硅片，采用氧化技术或化学气相沉积(CVD)技术在单晶硅片表面生成绝缘层，绝缘层材料为二氧化硅SiO2或氮化硅Si3N4，剩余单晶硅则形成下电极；

步骤2：光刻，图形化单晶硅上表面绝缘层再刻蚀绝缘层，刻蚀停止于指定深度，形成绝缘层及空腔；

步骤3：对绝缘体上硅SOI硅片顶层硅以及单晶硅片绝缘层表面进行活化处理，将SOI硅片顶层硅和单晶硅片绝缘层进行真空熔融键合，此时将空腔密封；

步骤4：采用化学机械抛光法首先去除部分SOI硅片基底硅，再用湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术，刻蚀剩余的基底硅，刻蚀停止于SOI硅片埋层二氧化硅；再采用湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术刻蚀SOI硅片埋层二氧化硅，释放SOI硅片顶层硅，形成振动薄膜；

步骤5：在振动薄膜表面溅射中电极层，压电材料层以及上电极层，覆盖振动薄膜表面；

步骤6：光刻，图形化上电极层和压电材料层，再刻蚀上电极层和压电材料层，刻蚀停止于中电极层，蚀刻后上电极层和压电材料层覆盖面积小于空腔面积；

步骤7：振动薄膜与压电薄膜成型。

本发明振动薄膜、下电极、中电极和上电极的材料采用低阻导电材料，电阻率低于0.1Ohm·cm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.活塞模式电容压电复合微型超声换能器，其特征在于：包括上电极(1)、压电薄膜(2)、中电极(3)、振动薄膜(4)、绝缘层(6)和下电极(7)，所述振动薄膜(4)连接在绝缘层(6)上，所述振动薄膜(4)与绝缘层(6)之间开设有密封的空腔(5)，所述绝缘层(6)的下方连接有下电极(7)，所述振动薄膜(4)的上方从下至上依次连接有中电极(3)、压电薄膜(2)和上电极(1)，所述压电薄膜(2)的面积小于空腔(5)的面积，且压电薄膜(2)位于空腔(5)的正上方设置；

当下电极(7)与中电极(3)间加载直流偏置电压，中电极(3)加载交流电压，中电极(3)与下电极(7)之间的电容静电力使振动薄膜弯曲并发生振动，同时将上电极(1)接地，中电极(3)与上电极(1)之间的电压差使压电薄膜弯曲并加强振动薄膜的振动幅度。

2.根据权利要求1所述的活塞模式电容压电复合微型超声换能器，其特征在于：所述上电极(1)、中电极(3)、振动薄膜(4)和下电极(7)均为低阻导电材料，其电阻率低于0.1Ohm·cm。

3.根据权利要求1所述的活塞模式电容压电复合微型超声换能器，其特征在于：所述压电薄膜(2)的压电材料采用AlN压电材料、ScAlN压电材料、PVDF压电材料、PZT压电材料、ZnO压电材料、KNN压电材料或PMN-PT压电材料中的一种。

4.根据权利要求1所述的活塞模式电容压电复合微型超声换能器，其特征在于：所述振动薄膜(4)与压电薄膜(2)之间构成正方形、长方形、圆形、交叉形、六边形、椭圆形或圆环形结构的一种。

5.活塞模式电容压电复合微型超声换能器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：下电极制备，取一低阻单晶硅片，采用氧化技术或化学气相沉积技术在单晶硅片表面生成绝缘层，剩余单晶硅则形成下电极；

步骤2：光刻，图形化单晶硅上表面绝缘层再刻蚀绝缘层，刻蚀停止于指定深度，形成绝缘层及空腔；

步骤3：对绝缘体上硅硅片顶层硅以及单晶硅片绝缘层表面进行活化处理，将SOI硅片顶层硅和单晶硅片绝缘层进行真空熔融键合，此时将空腔密封；

步骤4：采用化学机械抛光法首先去除部分SOI硅片基底硅，再用湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术，刻蚀剩余的基底硅，刻蚀停止于SOI硅片埋层二氧化硅；再采用湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术刻蚀SOI硅片埋层二氧化硅，释放SOI硅片顶层硅，形成振动薄膜；

步骤5：在振动薄膜表面溅射中电极层，压电材料层以及上电极层，覆盖振动薄膜表面；

步骤6：光刻，图形化上电极层和压电材料层，再刻蚀上电极层和压电材料层，刻蚀停止于中电极层，蚀刻后上电极层和压电材料层覆盖面积小于空腔面积；

步骤7：振动薄膜与压电薄膜成型。

6.根据权利要求5所述的活塞模式电容压电复合微型超声换能器的制备方法，其特征在于：所述压电材料层采用AlN压电材料、ScAlN压电材料、PVDF压电材料、PZT压电材料、ZnO压电材料、KNN压电材料或PMN-PT压电材料中的一种。

7.根据权利要求5所述的活塞模式电容压电复合微型超声换能器的制备方法，其特征在于：振动薄膜、下电极、中电极和上电极的材料采用低阻导电材料，电阻率低于0.1Ohm·cm。

8.根据权利要求5所述的活塞模式电容压电复合微型超声换能器的制备方法，其特征在于：步骤7中的成型结构包括正方形、长方形、圆形、交叉形、六边形、椭圆形和圆环形。

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