CN116723754A - 压电微机械超声换能器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电微机械超声换能器，包括：衬底；释放层，释放层形成在衬底上，释放层的部分区域被释放，以在衬底上形成空腔；压电层，压电层采用各向异性压电薄膜形成，压电层适用于在横向电场的作用下发生机械振动以发射声波、以及适用于接收声波并在声波的作用下发生机械振动以发生电响应，压电层包括位于空腔上的第一部分和位于未被释放的释放层上的第二部分，第一部分包括多个并联设置的悬臂梁，其中悬臂梁的一端与压电层的第二部分相连接；以及金属电极层，包括设置在每个悬臂梁上正负交替排布的金属叉指电极对，金属叉指电极对之间形成横向电场。本发明还提出利用湿法工艺释放振膜，工艺简单、极大降低工艺成本。
Description
技术领域
本发明的至少一种实施例涉及一种压电微机械超声换能器，尤其涉及一种压电微机械超声换能器及其制作方法。
背景技术
压电微机械超声换能器(Piezoelectric Micromachined UltrasonicTransducer，PMUT)，是一类通过压电材料的正逆压电效应使压电薄膜振动，从而发射或者接收超声波信号的MEMS器件。超声波的发射和接收通过振膜的弯曲振动来实现，当PMUT用于发射超声波时，PMUT作为一个执行器；当PMUT用于接收超声波时，PMUT作为一个传感器。结合微机械工艺的压电微机械超声换能器具有尺寸小、低功耗等优势，在医学成像、智能传感等领域有广阔的应用前景。
通常PMUT结构为“压电层+上下电极”的叠层结构，工作原理是在上下电极之间施加电场，使压电层产生横向内应力，驱动器件发生弯曲振动。在PMUT结构中使用较多的压电材料是氮化铝(AlN)或者锆钛酸铅(PZT)，其工作原理是基于AlN或者PZT压电晶体的e31系数。AlN材料虽然具有良好的温度稳定性且与CMOS工艺兼容，但其压电系数e31值较小，大约在1C/m2，进行Sc掺杂后虽然可以提高氮化铝材料的压电系数，但是也会减小薄膜刚度，降低器件良品率。锆钛酸铅(PZT)的压电系数较高，声波发射性能好，但是锆钛酸铅(PZT)的介电常数大，利用锆钛酸铅(PZT)制作的换能器接收超声波的性能差。
基于“压电层+上下电极”的叠层结构，制作PMUT结构的过程通常利用DRIE(深反应离子刻蚀)对背部衬底完全刻蚀进行振膜释放，存在刻蚀时间长、成本高且光刻误差大的问题，如何降低刻蚀成本、减小工艺难度是研究的关键。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种压电微机械超声换能器及其制作方法，采用具有各向异性的压电晶体作为压电层，通过湿法工艺完成振膜释放，无需背部光刻，减小了工艺难度，降低了工艺成本；并且通过形成多个并联的悬臂梁组成阵列，以增大换能器的输出声压。
本发明公开了一种压电微机械超声换能器，包括：衬底；释放层，释放层形成在衬底上，释放层的部分区域被释放，以在衬底上形成空腔；压电层，压电层采用具有各向异性的压电薄膜形成，压电层适用于在横向电场的作用下发生机械振动以发射声波、以及适用于接收声波并在声波的作用下发生机械振动以发生电响应，压电层包括位于空腔上的第一部分和位于未被释放的释放层上的第二部分，第一部分包括多个并联设置的悬臂梁，其中多个悬臂梁的一端与压电层的第二部分相连接；以及金属电极层，包括设置在每个悬臂梁上的金属电极对，金属电极对包括一对施加相反相位激励信号的金属电极，每个悬臂梁上的金属电极对之间形成横向电场。
本发明还提供一种制作方法，适用于制作上述的压电微机械超声换能器，包括：在衬底上沉积释放层、通过薄膜转移技术在释放层上沉积具有各向异性的压电晶体作为压电薄膜；在压电薄膜上沉积金属层，对金属层进行图形化处理，得到金属电极层，金属电极层包括正负交替排布的多个金属电极；在金属电极层上生长掩膜层，对掩膜层进行图形化处理，得到图形化的掩膜层；利用图形化的掩膜层作掩膜刻蚀压电薄膜，以得到压电层，压电层包括第一部分和第二部分，第一部分包括多个并联设置的悬臂梁，每个悬臂梁上包括一对正负金属电极；采用湿法刻蚀法释放上述的释放层，以在衬底与压电层之间形成空腔；以及利用缓冲氧化物刻蚀液去除图形化的掩膜层。
根据本发明上述实施例提供的压电微机械超声换能器，采用具有各向异性的压电晶体形成压电层，利用形成在压电层上的横向电场驱动器件发生弯曲振动，采用刻蚀孔对释放层进行湿法刻蚀，无需背部光刻以降低器件制作的工艺难度，同时减少由于衬底背部刻蚀存在的对准和刻蚀误差引起的对器件工作频率的影响。
根据本发明上述实施例提供的压电微机械超声换能器，通过将压电层的第一部分设计为多个并联设置的悬臂梁组成的阵列，以增大压电微机械超声换能器的输出声压。
附图说明
图1为根据本发明实施例的压电微机械超声换能器的三维示意图；
图2为根据本发明实施例的压电微机械超声换能器沿图1中的A-A’的剖面图；
图3为根据本发明实施例的压电微机械超声换能器的俯视图；
图4为根据本发明实施例的压电微机械超声换能器的制作方法的流程图；
图5A～图5F为根据本发明实施例的压电微机械超声换能器的制作过程的示意图；
图6为根据本发明实施例的悬臂梁的示意图；
图7为根据本发明实施例的不同切向铌酸锂薄膜的压电系数e21值与金属电极旋转角度(不同横向电场激励方向)的关系图；
图8为根据本发明实施例的器件旋转角度的示意图；以及
图9为根据本发明实施例的悬臂梁的谐振频率仿真结果示意图。
【附图标记说明】
1-衬底；
2-释放层；
3-压电层；
4-金属电极层；
5-掩膜层；
6-图形化的掩膜层；
7-压电薄膜；
8-悬臂梁；
9-牺牲部；
10-板电极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。但是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使发明彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
需要说明的是，商用传统压电陶瓷超声换能器尺寸较大，难以实现集成化及应用于微型传感器领域，其振动模式为基于压电层的厚度方向振动，谐振频率由压电层的厚度决定，若要调整器件的谐振频率只能调整压电层的厚度，然而针对厚度方向可设计的自由度低，很难在同一衬底上实现阵列化设计。
有鉴于此，本发明提供一种压电微机械超声换能器及其制作方法，以使压电微机械超声换能器实现微型、可集成及可阵列化。
图1为根据本发明实施例的压电微机械超声换能器的三维示意图。图2为根据本发明实施例的压电微机械超声换能器沿图1中的A-A’的剖面图。图3为根据本发明实施例的压电微机械超声换能器的俯视图。
根据本发明的一种示例性实施例，本发明提供一种压电微机械超声换能器，参考图1～图3所示，包括：衬底1；释放层2，释放层2形成在衬底1上，释放层2的部分区域被释放，以在衬底1上形成空腔；压电层3，压电层3采用具有各向异性的压电晶体形成，压电层3适用于在横向电场的作用下发生机械振动以发射声波、以及适用于接收声波并在声波的作用下发生机械振动以发生电响应，压电层3包括位于空腔上的第一部分和位于未被释放的释放层2上的第二部分，第一部分包括多个并联设置的悬臂梁8，其中多个悬臂梁8的一端与压电层3的第二部分相连接；以及金属电极层4，包括设置在每个悬臂梁8上的金属电极对，金属电极对包括一对施加相反相位激励信号的金属电极，每个悬臂梁8上的金属电极对之间形成横向电场。
根据本发明的实施例，将压电层3的第一部分设置成多个并联的悬臂梁8，多个并联的悬臂梁8组成阵列可以增大换能器的输出声压。
需要说明的是，多个并联设置的悬臂梁8组成的阵列相当于多个换能器同时发射声波，声波在空间中会在某些特定区域聚焦，在聚焦的特定区域内声波信号得到加强，同时在特定区域外也会发生聚焦，特定区域外的聚焦称为耗散。特定聚焦区域称为主瓣，特定聚焦区域外发生聚焦的区域称为耗散区(又称栅瓣)。栅瓣的存在会损失声波能量。
根据本发明的实施例，将多个并联设置的悬臂梁8组成的阵列中阵元间距(相邻两个悬臂梁8之间的间距)设置为小于等于声波长的一半，以减小阵列声场的栅瓣效应，减少声波能量损失，其中声波长等于声速/频率。
根据本发明的实施例，每个悬臂梁8上包括一对施加相反相位激励信号的金属电极，相邻两个悬臂梁8之间由刻蚀腔隔离开，以减少相邻两个悬臂梁8之间的耦合串扰。
根据本发明的实施例，压电层3的材料包括铌酸锂或者钽酸锂。
根据本发明的实施例，由于铌酸锂材料具有各向异性，可以采用不同切向的铌酸锂材料形成压电层3，包括X切铌酸锂、Y切铌酸锂、Z切铌酸锂、36°Y切铌酸锂、128°Y切铌酸锂等。
根据本发明的实施例，压电层3的第一部分还包括两个牺牲部9，多个并联设置的悬臂梁8位于两个牺牲部9之间，牺牲部9上设置有引出电极，使得多个悬臂梁8通过引出电极与板电极10实现电学连接。
根据本发明的实施例，上述的压电微机械超声换能器还包括温度补偿层(图中未示出)，温度补偿层设置在金属电极层4上，温度补偿层还可作为弹性层调节器件工作频率，以及作为保护层对器件起到保护作用。
本发明还提供一种器件，在同一衬底集成多个上述的压电微机械超声换能器，其中，多个压电微机械超声换能器的悬臂梁8的长度不相等，以实现多个谐振频率不同的压电微机械超声换能器同时工作。
根据本发明的实施例，可以结合相控阵列方法对集成在同一衬底上的多个压电微机械超声换能器施加不同相位的电学激励信号，以控制多个压电微机械超声换能器形成的阵列声场。
图4为根据本发明实施例的压电微机械超声换能器的制作方法的流程图。图5A～图5F为根据本发明实施例的压电微机械超声换能器的制作过程的示意图。
根据本发明的一种示例性实施例，本发明提供一种压电微机械超声换能器的制作方法，参考图4及图5A～图5F所示，包括：步骤S01～步骤S06。
在步骤S01，在衬底1上沉积释放层2，通过薄膜转移技术在释放层2上沉积具有各向异性的压电晶体作为压电薄膜7。
根据本发明的实施例，衬底1的材料可以为硅；释放层2的材料可以为二氧化硅。
根据本发明的实施例，在衬底1上依次沉积释放层2、压电薄膜7之前，对衬底1进行预处理，使衬底1保持清洁。
在步骤S02，在压电薄膜7上沉积金属层，对金属层进行图形化处理，得到金属电极层4，金属电极层4包括正负交替排布的多个金属电极。
根据本发明的实施例，采用电子束刻蚀法(E-beam)或者溅射法(Sputter)在压电薄膜7上沉积金属层。金属电极可以为Pt电极。
在步骤S03，在金属电极层4上生长掩膜层5，对掩膜层5进行图形化处理，得到图形化的掩膜层6。
根据本发明的实施例，掩膜层5的材料可以为SiO2，采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)等工艺在金属电极层4上生长SiO2层。
根据本发明的实施例，采用反应离子刻蚀法(RIE)或者湿法刻蚀法对掩膜层5进行图形化处理，得到图形化的掩膜层6。湿法刻蚀的腐蚀液包括BOE溶液。
在步骤S04，利用图形化的掩膜层6作掩膜刻蚀压电薄膜7，以得到压电层3，压电层3包括第一部分和第二部分，第一部分包括多个并联设置的悬臂梁8，每个悬臂梁8上包括一对正负金属电极。
根据本发明的实施例，采用电感耦合等离子体法(ICP)刻蚀压电薄膜7，得到压电层3。
在步骤S05，采用湿法刻蚀法释放释放层2，以在衬底1与压电层3之间形成空腔。
根据本发明的实施例，湿法释放法采用的溶液包括BOE溶液。
在步骤S06，利用缓冲氧化物刻蚀液去除图形化的掩膜层6。
本发明还提供一种器件的制作方法，采用上述的制作方法在同一衬底上集成多个压电微机械超声换能器，多个压电微机械超声换能器的悬臂梁8的长度不相等，以实现多个谐振频率不同的压电微机械超声换能器同时工作。
图6为根据本发明实施例的悬臂梁的示意图。
根据本发明的实施例，参考图6所示，悬臂梁8的弯曲振动固有频率与结构尺寸关系如公式(1)所示：
需要说明的是，f表示悬臂梁8的谐振频率，D表示悬臂梁8的截面抗弯模量，E表示杨氏模量，I表示惯性矩，L表示悬臂梁8的长度，ρ表示悬臂梁8材料的密度，w表示悬臂梁8的宽度，t表示悬臂梁8的厚度，
K表示悬臂梁8的等效刚度，
参考式(1)所示，悬臂梁8的谐振频率f与悬臂梁8的长度L、宽度w、厚度t均有关，并且悬臂梁8的谐振频率f与长度L的平方成反比。即通过调整悬臂梁8的长度可以调节压电微机械超声换能器的工作频率，悬臂梁8的长度L越大，压电微机械超声换能器的工作频率越低。
根据本发明的实施例，通过调整悬臂梁8的长度，可以调节压电微机械超声换能器的工作频率，实现工作频率在20kHz～1MHz范围，即工作频率在超声波的低频频段。需要注意的是，根据超声波传输的特性，工作频率越高，在传输过程中衰减越快，可传输的距离越短。工作频率在20kHz～1MHz低频频段的超声波在介质中传播损耗小，可传输距离大，可用于远距离超声测距、超声检测、声发射探测等。
需要说明的是，本发明利用铌酸锂薄膜的压电系数e21值实现弯曲振动，铌酸锂薄膜具有各向异性，可以通过改变薄膜切向和不同器件放置方向(电场激励方向)对压电系数e21值进行优化。
图7为根据本发明实施例的不同切向铌酸锂薄膜的压电系数e21值与金属电极旋转角度(不同横向电场激励方向)的关系图。
根据本发明的实施例，参考图7所示，对于图示X-切的铌酸锂薄膜，在金属电极旋转角度为50°时，压电薄膜的压电系数e21值最大，可达3C/m2，大于AlN材料的e31值(约1C/m2)。
需要说明的是，压电层3的压电晶体的切向在此不作限制，例如可以为Y切铌酸锂、Z切铌酸锂、36°Y切铌酸锂、128°Y切铌酸锂等。
根据本发明的实施例，通过横向电场激励各向异性压电薄膜e21模式下的弯曲振动，与传统AlN压电微机械超声换能器厚度方向电场激励e31模式下弯曲振动不同，结合薄膜的各向异性，可通过不同切向及不同器件放置方向优化器件性能，优化后可实现e21值优于AlN器件e31值。
图8为根据本发明实施例的器件旋转角度的示意图。
图8为器件俯视图，表示在同一衬底上制备不同旋转角度的器件，也即不同横向电场方向的器件。基于铌酸锂材料的各向异性，沿不同方向施加电场激励器件，器件的性能不同。
根据本发明的实施例，参考图8所示，金属电极的旋转角度为0～±180°。
图9位根据本发明实施例的悬臂梁的谐振频率仿真结果示意图。
根据本发明的实施例，参考图9所示，悬臂梁8的长度设置为50μm时，悬臂梁8的机械谐振频率为57kHz，在谐振频率处，悬臂梁8的自由端的最大谐振位移可达2600nm/V，悬臂梁8的振动幅值越大，换能器能够发射的声压越大。
根据本发明上述实施例提供的压电微机械超声换能器，通过将压电层的第一部分设计为多个并联设置的悬臂梁组成的阵列，以增大压电微机械超声换能器的输出声压。
根据本发明上述实施例提供的器件，通过将压电微机械超声换能器的压电层的第一部分设计为多个并联设置的悬臂梁，并且可以在同一衬底上集成多个不同长度悬臂梁的压电微机械超声换能器，以实现多个谐振频率不同的压电微机械超声换能器同时工作，使器件工作在多个谐振频率。
根据本发明上述实施例提供的压电微机械超声换能器的制作方法，采用具有各向异性的压电晶体形成压电层，利用形成在压电层上的横向电场驱动器件发生弯曲振动，采用刻蚀孔进行振膜释放，无需背部光刻，降低器件制作的工艺难度，同时减少由于衬底背部刻蚀存在的误差引起的对器件工作频率的影响。
根据本发明上述实施例提供的压电微机械超声换能器的制作方法，采用湿法工艺完成振膜释放，无需采用传统的深反应离子刻蚀工艺(DRIE)，刻蚀时间短，工艺成本大幅降低。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种压电微机械超声换能器，其特征在于，包括：
衬底(1)；
释放层(2)，所述释放层(2)形成在所述衬底(1)上，所述释放层(2)的部分区域被释放，以在所述衬底(1)上形成空腔；
压电层(3)，所述压电层(3)采用具有各向异性的压电晶体形成，所述压电层(3)适用于在横向电场的作用下发生机械振动以发射声波、以及适用于接收声波并在声波的作用下发生机械振动以发生电响应，所述压电层(3)包括位于所述空腔上的第一部分和位于未被释放的所述释放层(2)上的第二部分，所述第一部分包括多个并联设置的悬臂梁(8)，其中所述悬臂梁(8)的一端与所述压电层(3)的第二部分相连接；以及
金属电极层(4)，包括设置在每个所述悬臂梁(8)上的金属电极对，所述金属电极对包括一对施加相反相位激励信号的金属电极，每个所述悬臂梁(8)上的所述金属电极对之间形成所述横向电场。
2.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器，其特征在于，相邻两个所述悬臂梁(8)之间的间距小于等于发射声波波长的一半，以减小所述多个并联设置的悬臂梁(8)组成的阵列形成的声场的栅瓣效应。
3.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器，其特征在于，所述压电层(3)的材料包括铌酸锂或者钽酸锂。
4.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器，其特征在于，所述第一部分还包括两个牺牲部(9)，所述多个并联设置的悬臂梁(8)位于两个所述牺牲部(9)之间，
所述牺牲部(9)上设置有引出电极，使得多个所述悬臂梁(8)通过所述引出电极与板电极(10)实现电学连接。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的压电微机械超声换能器，其特征在于，还包括温度补偿层，
所述温度补偿层设置在所述金属电极层(4)上。
6.一种器件，其特征在于，在同一衬底集成多个如权利要求1～5中的任一项所述的压电微机械超声换能器，
其中，所述多个压电微机械超声换能器的悬臂梁(8)的长度不相等，以实现多个谐振频率不同的压电微机械超声换能器同时工作。
7.一种制作方法，适用于制作如权利要求1～5中的任一项所述的压电微机械超声换能器，其特征在于，包括：
在衬底(1)上沉积释放层(2)、通过薄膜转移技术在所述释放层(2)上沉积具有各向异性的压电晶体作为压电薄膜(7)；
在所述压电薄膜(7)上沉积金属层，对所述金属层进行图形化处理，得到金属电极层(4)，所述金属电极层(4)包括正负交替排布的多个金属电极；
在所述金属电极层(4)上生长掩膜层(5)，对所述掩膜层(5)进行图形化处理，得到图形化的掩膜层(6)；
利用所述图形化的掩膜层(6)作掩膜刻蚀所述压电薄膜(7)，以得到压电层(3)，所述压电层(3)包括第一部分和第二部分，所述第一部分包括多个并联设置的悬臂梁(8)，每个所述悬臂梁(8)上包括一对正负金属电极；
采用湿法刻蚀法释放所述释放层(2)，以在所述衬底(1)与所述压电层(3)之间形成空腔；以及
利用缓冲氧化物刻蚀液去除所述图形化的掩膜层(6)。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，采用湿法刻蚀法释放所述释放层(2)包括：
采用BOE溶液刻蚀所述释放层(2)。
9.一种器件的制作方法，其特征在于，采用如权利要求7～8中任一项所述的制作方法在同一衬底上集成多个压电微机械超声换能器，所述多个压电微机械超声换能器的悬臂梁(8)的长度不相等，以实现多个谐振频率不同的压电微机械超声换能器同时工作。
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| CN202310526513.5A CN116723754A (zh) | 2023-05-10 | 2023-05-10 | 压电微机械超声换能器及其制作方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116944006A (zh) * | 2023-09-19 | 2023-10-27 | 中北大学 | 一种d11工作模式驱动的PMUT单元及其制备方法 |
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2023
- 2023-05-10 CN CN202310526513.5A patent/CN116723754A/zh active Pending
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| CN116944006A (zh) * | 2023-09-19 | 2023-10-27 | 中北大学 | 一种d11工作模式驱动的PMUT单元及其制备方法 |
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