CN116764922A - 一种平面式双压电材料驱动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，具体为一种平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器。本发明微机械超声换能器由换能器单元经延拓组成的二维结构；换能器单元结构包括双压电叠层、中性层、空腔和衬底；双压电叠层包含内外两个压电叠层，第一个压电叠层包括圆形上电极层、圆形压电层与底电极层，第二个压电叠层包括环形上电极层、环形压电层与底电极层；中性层在双压电叠层下方，为后者提供支撑作用；空腔为复合薄膜提供振动空间；衬底与空腔的结构互补，为整体结构提供固定支撑作用；本发明具有双压电叠层的换能器单元，弥补采用单一压电材料的传统器件的发射或接收性能短板，提高换能器的发射—接收环路灵敏度，提升其回波超声成像的质量。
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，其所拥有的环路灵敏度性能及带宽，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。
上述微机械超声换能器的传统结构基于水平方向压电圆盘及压电圆环等多压电层构成的弯曲振动模式，在受电信号激励或导声介质挤压时，呈现出薄膜中间局部凸起的振动形态。多压电层的主要特点在于采用了两种及以上不同材料的压电薄膜，如圆形压电层1-2使用氮化铝薄膜材料(AlN)，环形压电层1-4使用锆钛酸铅薄膜材料(PZT)，内外两层利用了薄膜谐振的不同区域，可分别或同时进行超声波发射与接收功能，可以成倍地增加器件的环路灵敏度，且在换能器空腔部分可以进一步增加额外电极，使其与上方电极板形成对复合薄膜的静电力作用，结合压电效应共同驱动换能器工作，有效提高换能器环路灵敏度性能。因而，提高薄膜振动的环路灵敏度，降低损耗，并结合可与CMOS集成电路异质封装的潜力，有助于突破目前微机械换能器的性能与工艺瓶颈，实现高灵敏度、高集成度的微机械超声换能器阵列。
发明内容
本发明的目的在于提出一种平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器，弥补单一压电材料的灵敏度性能短板，提升器件的发射—接收环路灵敏度，改善回波成像质量。
本发明提供的平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器，由换能器单元(也称基本单元)经二维延拓紧密排列组成；所有换能器单元为全并联，换能器单元数量为数个至数万个(例如为3-80000个)；或部分换能器单元并联，以形成M×N阵列，M、N可为1—256(优选M、N为2—256)；所述换能器单元结构示意图见图1和图2所示，包括双压电叠层1、中性层2、空腔3和衬底4；双压电叠层1自内而外包含一圆形压电层1-2以及环形压电层1-4，其中圆形压电层1-2的上下方又包含上电极层1-1和底电极层1-5，而环形压电层1-4的上下方则又包含上电极层1-3和底电极层1-5，内外两个压电层共用一个底电极层1-5，底电极层1-5依据压电薄膜工艺需要，可以进一步分割为圆形底电极层1-5-1与环形底电极层1-5-2；中性层2为双压电叠层1的各部件提供支撑，使得双压电叠层1在受激产生应变时，双压电叠层1与中性层2构成的复合薄膜的应变中性面处于中性层2内；空腔3是中性层2下方的中空结构，为中性层2的支撑结构和双压电叠层1提供振动空间；衬底4上表面和中性层2的部分下表面结合，提供固定支撑，并与空腔3互补。
所述中性层2与衬底4间为一平整接触面，通过键合工艺使两者结合。
所述空腔3是衬底4从上而下刻蚀形成的凹陷结构，为上方结构提供振动空间，因而空腔3的形状与衬底4是互补的(即为一体的)。
所述双压电叠层1的上电极层1-1与底电极层1-5、上电极层1-3与底电极层1-5分别构成电极对，用于压电层1-2和压电层1-4上的电场、电荷、电压的施加与采集；其中，可以通过施加不同幅度的直流偏置电压，对双压电叠层1进行静态控制；可以通过施加不同幅度与相位的交流耦合信号，对双压电叠层1进行动态激励。
进一步地，所述双压电叠层1采用两种不同材料的压电薄膜。例如，圆形压电层1-2使用氮化铝薄膜材料(AlN)，环形压电层1-4使用锆钛酸铅薄膜材料(PZT)；相应地，上电极层1-1、1-3依据压电薄膜工艺需要，材料不同；底电极层1-5依据压电薄膜工艺需要，可进一步分割为圆形底电极层与环形底电极层，一方面满足工艺加工需求，一方面提高器件工作的电连接方案。
进一步地，所述中性层2与衬底4之间为一平整接触面，通过键合工艺使两者结合；当空腔3不包含额外电极层时，中性层2与衬底4结合的结构关系及复合薄膜振动所需的空腔3空间可通过背部深刻蚀等工艺，在衬底晶圆上进行通孔刻蚀以实现。
本发明中，双压电叠层1中，一个上电极层1-1，一个压电层1-2，底电极层1-5和中性层2的支撑部分都为圆形，且上电极层1-1比压电层1-2面积小，底电极层比压电层面积大；双压电叠层1中，另一个上电极层1-3，另一个压电层1-4为环形，且上电极层1-3比压电层1-4面积小，底电极层比压电层面积大；当上电极层1-1及上电极层1-3只覆盖部分压电层，或压电层只占据部分的中性层2的支撑结构时，所述上电极层1-1与底电极层1-5构成的电极对在施加电场时、以及上电极层1-3与底电极层1-5构成的电极对在施加电场时，压电层的应变响应可以更加集中于振膜所具有的特征谐振模态的弯曲部分，从而提高结构受激振动的效率和灵敏度；内外两个压电层可以紧贴或者留有一定间距避免短路或工艺污染。
本发明中，引入静电力效应与压电效应共同工作，可以进一步加强所述微机械超声换能器的环路灵敏度。具体是在空腔3的底部，进一步包含一薄的电极层5，电极层5与底电极层1-5构成一对电极对，其间保留有必要的间隙，以提供振动空间，并防止静电吸附；所述电极对可以施加直流偏置电压，以及交流耦合信号，基于静电力效应，对双压电叠层1和中性层2构成的复合薄膜的形态进行控制和激励。
本发明中，对于电极层5与电极层1-5构成的电极对施加电压，使得复合薄膜与电极层5贴合的临界电压，定义为塌陷电压；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80％左右，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5与复合薄膜之间的空腔结构，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，复合薄膜的圆形及环形压电叠层外侧可以增加相应的压电层及电极，构成水平方向三压电层结构，复合薄膜的圆形及环形压电叠层的上方也可以增加相应的压电层及电极，构成水平×垂直方向四压电层结构，最终水平方向可以增加到m层，垂直方向可以增加到n层，形成水平×垂直方向m×n层的压电层结构。
本发明中，复合薄膜中的电极层1-5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1-5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。
本发明中，两个压电层的间距为0—10微米，中性层2的厚度为0.1—5微米，各压电层的厚度为0.1—5微米，各电极层厚度为0.01—1微米，基本单元侧边界构成的圆形的圆周之间距离为1—500微米，圆柱形腔体3的高度大于电极层5的高度0.01-1微米，以确保电极层与复合薄膜间留有一定的中空间隙，最终形成中心频率为0.1—100MHz的微机械超声换能器。
进一步地，本发明中所述微机械换能器还包含形成在所述复合薄膜上方的绝缘层、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。
本发明提出的平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器，在振动时，由两个及以上压电层共同激励，且下部增加静电力与压电力共同驱动。相对于传统的微机械超声换能器，本发明所述微机械超声换能器，可以在形成阵列工作时输出更高的声压幅度，实现较高的环路灵敏度。基于本发明所述双压电材料驱动的阵列，可以进一步实现换能器和CMOS芯片的异质封装，从而提高通道均一性，降低电传输过程中阻抗不匹配造成的能量耗散，实现高性能的超声波的收发。
附图说明
图1为平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器三维结构示意图。
图2为平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器截面示意图。
图3为具有静电电极层的平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器截面示意图。
图4为平面式三压电材料驱动的微机械超声换能器截面示意图。
图5为平面×垂直式四压电材料驱动的微机械超声换能器截面示意图。
图6为实施例5示意图。
图7为实施例6示意图。
图8为本发明解耦工作模式和差分工作模式的环路灵敏度仿真比较图。
图9为本发明与传统MUT结构在解耦工作模式下的环路灵敏度仿真比较图。
图中标号：1为双压电叠层，1-1、1-3、1-6为上电极层，1-2、1-4、1-7、1-9、1-11为压电层，1-8、1-10为中间电极层，1-5为底电极层；2为中性层；3为空腔，4为衬底，5为静电电极层。
具体实施方式
以下通过实施例结合附图进一步介绍本发明。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。
实施例1，本发明提供的平面式双压电材料驱动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为2—256)，以形成各单元可单独控制的二维面阵列；当列方向并联，行方向为可单独控制的配置时，构成一维线阵列换能器；所述换能器的基本单元结构参照三维示意图1及截面示意图2，本发明所提出的平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器，包含双压电叠层、中性层、空腔和衬底。首先，双压电叠层自上而下由上电极层、压电层和底电极层组成，自内而外由内部圆形压电叠层以及外部环形压电叠层组成，其基本形状为圆形(内部)或者环形(外部)；双压电叠层下方由中性层支撑，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，用以给上方压电层及电极提供支撑和平衡扭矩的功能；中性层之下，有一基本为圆柱形的空腔，为上方振动薄膜提供可以振动的空间，空腔边界的几何参数对结构的谐振频率有较大的影响；因空腔是衬底自上而下刻蚀形成的，空腔和衬底是互补的，对于衬底未被刻蚀的平整的上表面，利用键合工艺，与中性层的下表面结合。
本发明所述的微机械超声换能器，具体的几何设计参数为：中性层2的厚度为0.1—5微米，各压电层的厚度为0.1—5微米，各电极层厚度为0.01—1微米，基本单元侧边界构成的圆形的圆周之间距离为1—500微米，圆柱形腔体3的高度大于电极层5的高度0.01-1微米，以确保电极层与复合薄膜间留有一定的中空间隙，最终形成中心频率为0.1—100MHz的微机械超声换能器。
实施例2，具有静电电极层的平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器，其截面示意图见图3所示，设在图1、图2所示微机械超声换能器的基础上，在衬底4的表面，进一步覆盖了静电电极层5，从而引入静电力效应，与压电效应共同工作可以进一步加强所述微机械超声换能器的环路灵敏度。所述静电电极层5与底电极层1-5构成了一对电极对，其间保留有间隙，以提供振动空间并防止静电吸附；所述电极对可以施加直流偏置电压，以及交流耦合信号，基于静电力效应，对双压电叠层1和中性层2构成的复合薄膜的形态进行控制和激励。
实施例3，平面式三压电材料驱动的微机械超声换能器，其截面示意图见图4所示，设在图1、图2所示微机械超声换能器的基础上，在圆形及环形压电叠层外侧再增加相应的压电层及电极，构成水平方向三压电层结构。
实施例4，平面×垂直式四压电材料驱动的微机械超声换能器，其截面示意图见图5所示，设在图1、图2所示微机械超声换能器的基础上，在圆形及环形压电叠层上方再增加相应的压电层及电极，构成水平×垂直方向四压电层结构。最终可以在圆形及环形压电叠层的外侧和上方增加多个压电层及电极，通过多个压电层共同工作来进一步加强所述微机械超声换能器的环路灵敏度。
实施例5，参见图6所示，所述微机械超声换能器具体描述如下：两交流信号源分别被加载在双压电叠层1的上电极层1-1与底电极层1-5构成的电极对、上电极层1-3与底电极层1-5构成的电极对之上，随着电场的变化，压电层具有应变响应，通过压电层的拉伸或收缩，带动中性层受挤压或扩张，从而结构呈现弯曲振动。当外界加载有导声介质如水、油时，薄膜振动挤压导声介质，从而实现超声波的发射，反之亦然。
实施例6，参照图7所示，一直流偏置电压施加在空腔的电极层5与底电极层1-5间构成的电极对间，底电极层1-5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。
两交流信号源分别被施加在上电极层1-1与底电极层1-5构成的电极对、上电极层1-3与底电极层1-5构成的电极对之间，通过瞬时的电压变化，在电极间产生电场变化，压电材料基于其逆压电效应产生应变响应，并带动复合薄膜弯曲，并且，底电极层1-5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，上电极层1-1与底电极层1-5构成的电极对、上电极层1-3与底电极层1-5构成的电极对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。
实施例7，本发明解耦工作模式和差分工作模式的环路灵敏度仿真比较图，参见图8所示；分析两个压电叠层中三个电极的相互连接关系并考量实际电路设计可行性，双压电层换能器的电学连接关系可分为解耦工作模式与差分工作模式，其中解耦工作模式是指发射超声波时仅对发射性能较好的PZT压电层进行激励；而接收超声波时仅使用接收性能较好的AlN压电层进行接收的工作方式，以此来提高换能器的环路灵敏度；而差分工作模式则是指两个压电层极化方向相同，公共电极接电源地，而独立电极分别作为差分输入或输出的两端，实现信号激励和接收，在发射超声波时压电薄膜对复合板结构的弯矩作用累积产生了更高的薄膜振动幅度，在接收超声波时使两个压电层承受幅度相近的拉伸或压缩应力，相较解耦工作模式，差分工作模式可以进一步提高器件的环路灵敏度。通过对两种工作模式下的器件在0—15MHz的环路灵敏度进行仿真分析，可以看出，差分工作模式(虚线所示环路灵敏度)确实具有更高的环路灵敏度，虽然双压电材料换能器差分工作时的环路灵敏度稍高于解耦工作模式，但该电学连接方式将增加激励与小信号放大电路的复杂性，实用性差于解耦工作模式。
实施例8，本发明与传统MUT结构在解耦工作模式下的环路灵敏度仿真比较图，参见图9所示。仿真中，对PMUT模型在0—15MHz的环路灵敏度进行分析，图中实线为平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器的环路灵敏度-频率曲线，可以看出，在同种中心频率下，平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器的环路灵敏度远远高于传统MUT结构的环路灵敏度，适用于高频高灵敏度微机械超声换能器的制备。
Claims (7)
1.一种平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器，其特征在于，由换能器单元经二维延拓紧密排列组成；所有换能器单元为全并联，换能器单元数量为数个至数万个；或部分并联的换能器单元以形成M×N阵列，M、N为1—256；所述换能器单元的结构包括双压电叠层(1)、中性层(2)、空腔(3)和衬底(4)；双压电叠层包含内外两个压电叠层，其中第一个压电叠层包括圆形上电极层(1-1)、圆形压电层(1-2)与底电极层(1-5)，第二个压电叠层包括环形上电极层(1-3)、环形压电层(1-4)与底电极层(1-5)，两个压电叠层共用底电极层(1-5)；中性层(2)在双压电叠层(1)下方，为后者提供支撑作用；空腔(3)位于中性层(2)下方，为复合薄膜提供振动空间；衬底(4)与空腔(3)的结构互补，为整体结构提供固定支撑作用；
所述中性层(2)与衬底(4)间为一平整接触面，通过键合工艺使两者结合；
所述双压电叠层(1)的圆形上电极层(1-1)与底电极层(1-5)构成电极对，环形上电极层(1-3)与底电极层(1-5)构成电极对，用于施加与采集压电层(1-2与1-4)上的电场、电荷或电压信息；其中，通过施加直流偏置电压，对压电层(1-2与1-4)进行静态控制；通过施加交流耦合信号，对压电层(1-2与1-4)进行动态激励。
2.根据权利要求1所述的微机械超声换能器，其特征在于，所述双压电叠层(1)中，一个上电极层(1-1)，一个压电层(1-2)，底电极层(1-5)和中性层(2)的支撑部分都为圆形，且上电极层(1-1)比压电层(1-2)面积小，底电极层比压电层面积大；双压电叠层(1)中，另一个上电极层(1-3)，另一个压电层(1-4)为环形，且上电极层(1-3)比压电层(1-4)面积小，底电极层比压电层面积大；当上电极层(1-1)及上电极层(1-3)只覆盖部分压电层，或压电层只占据部分的中性层(2)的支撑结构时，所述上电极层(1-1)与底电极层(1-5)构成的电极对在施加电场时、以及上电极层(1-3)与底电极层(1-5)构成的电极对在施加电场时，压电层的应变响应可以更加集中于振膜所具有的特征谐振模态的弯曲部分，从而提高结构受激振动的效率和灵敏度；内外两个压电层紧贴或者留有一定间距，以避免短路或工艺污染。
3.根据权利要求1或2所述的微机械超声换能器，其特征在于，引入静电力效应与压电效应共同工作，进一步加强所述微机械超声换能器的环路灵敏度；具体是在空腔(3)的底部，进一步包含一薄的电极层(5)，电极层(5)与底电极层(1-5)构成一对电极对，其间保留有必要的间隙，以提供振动空间，并防止静电吸附；所述电极对可以施加直流偏置电压，以及交流耦合信号，基于静电力效应，对双压电叠层(1)和中性层(2)构成的复合薄膜的形态进行控制和激励。
4.根据权利要求1所述的微机械超声换能器，其特征在于，换能器圆形及环形压电叠层外侧进一步增加相应的压电层及电极，构成水平方向三压电层结构，或者在圆形及环形压电叠层上方增加相应的压电层及电极，构成水平×垂直方向四压电层结构，最终水平方向增加到m层，垂直方向增加到n层，形成水平×垂直方向m×n层的压电层结构。
5.根据权利要求1-3之一所述的微机械超声换能器，其特征在于，两个压电层的间距为0—10微米，中性层(2)的厚度为0.1—5微米，各压电层的厚度为0.1—5微米，各电极层厚度为0.01—1微米，基本单元侧边界构成的圆形的圆周之间距离为1—500微米，圆柱形腔体(3)的高度大于电极层(5)的高度0.01-1微米，以确保电极层与复合薄膜间留有一定的中空间隙，最终形成中心频率为0.1—100MHz的微机械超声换能器。
6.根据权利要求1-3之一所述的微机械超声换能器，其特征在于，所述双压电叠层(1)采用两种不同材料的压电薄膜；具体地，圆形压电层(1-2)使用氮化铝薄膜材料(AlN)，环形压电层(1-4)使用锆钛酸铅薄膜材料(PZT)；相应地，上电极层(1-1、1-3)依据压电薄膜工艺需要，材料不同。
7.根据权利要求1-3之一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双压电叠层(1)和中性层(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。
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2023
- 2023-05-18 CN CN202310564462.5A patent/CN116764922A/zh active Pending
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