CN205949255U - 一种复合微机械电容式超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种复合微机械电容式超声换能器，提供了一种复合微机械电容式超声换能器包括CMUT的低频结构和CMUT的高频结构；所述的CMUT的低频结构与CMUT的高频结构键合。本实用新型通过在不同的硅片上分别获得CMUT的高频结构和低频结构，使得复合CMUT结构得以实现；并采用双SOI硅片，CMUT的振动弹性膜的平面度达到纳米量级，同时，CMUT的真空腔体的底部平面度同样可以达到纳米量级，增加CMUT的频宽，能有效地提高传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本实用新型涉及超声换能器技术领域，尤其涉及一种复合微机械电容式超声换能器。
背景技术
目前，在超声成像应用中，传感器阵列是成像设备中起决定主要的关键部件，其质量是成像质量的决定性因素。所以，迫切需求有可靠、有效、一致性好、灵敏度高、低成本并能成批生产的制造方法。
用于加工超声传感器及其阵列的当前技术总体上包括用于加工压电微机械超声传感器（pMUT）的技术和电容式微机械超声换能器（CMUT）及其阵列的技术。pMUT的加工技术主要涉及微加工薄膜工艺和压电叠层微加工工艺。电容式微机械超声换能器（CMUT）及其阵列的当前技术，其总体涉及牺牲层释放工艺或者晶片键合技术。文献“CapacitiveMicromachined Ultrasonic Transducers: Fabrication Technology”,A. S. Ergun 等,IEEE Transactions on Ultrasonic Ferroelectrics and Frequency Control, 52(12),2005 对涉及当前加工CMUT方法进行了概述。
由于传统加工方法的局限，小于超声波波长的微结构很难获得或加工成本极其昂贵。微机械加工技术的出现和发展，小于超声波波长的微结构可以很容易地实现。对于如何实现满足多频需求的结构，是现有需要解决的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种复合微机械电容式超声换能器，满足多频需求的同时，还具有传感器灵敏度高、性能一致性好的优点。
本实用新型采用的技术方案为：
一种复合微机械电容式超声换能器，包括CMUT的低频结构和CMUT的高频结构，所述的CMUT的低频结构包括由第一电极和振动薄膜的支撑体，二者通过绝缘层隔离设置；所述的第一电极上衬底为硼重参杂衬底，所述第一电极上设置有CMUT低频腔体；所述的CMUT的高频结构包括振动薄膜层和设置在振动薄膜层两面的第二电极、高频腔体支承墙，高频腔体支承墙与振动薄膜层形成高频腔体；所述的CMUT的低频结构与CMUT的高频结构键合，且振动薄膜的支撑体与振动薄膜构成低频真空腔体，所述的高频腔体支承墙设置在低频真空腔体内，而第二电极设置在低频真空腔体外。
所述的第二电极为硅片经过金属溅射和刻蚀形成。
所述的步骤2中的高频腔体支撑墙3由器件层构成。
本实用新型通过在不同的硅片上分别获得CMUT的高频结构和低频结构，使得复合CMUT结构得以实现；并采用双SOI硅片，CMUT的振动弹性膜的平面度达到纳米量级，同时，CMUT的真空腔体的底部平面度同样可以达到纳米量级，增加CMUT的频宽，能有效地提高传感器的灵敏度。
附图说明
图1为本实用新型所述在第一SOI硅片获得CMUT的低频结构的结构示意图；
图2为本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
如图1和2所示，本实用新型包括一种复合微机械电容式超声换能器，包括CMUT的低频结构和CMUT的高频结构，所述的CMUT的低频结构包括由第一电极6和振动薄膜的支撑体4，二者通过绝缘层5隔离设置；所述的第一电极6上衬底为硼重参杂衬底，所述第一电极6上设置有CMUT低频腔体；所述的CMUT的高频结构包括振动薄膜层1和分别设置在振动薄膜层1两个面上的第二电极7、高频腔体支承墙3，高频腔体支承墙3与振动薄膜层1形成高频腔体；所述的CMUT的低频结构与CMUT的高频结构键合，且振动薄膜层的支撑体4与振动薄膜层1构成低频真空腔体，所述的高频腔体支承墙3设置在低频真空腔体内，而第二电极7设置在低频真空腔体外。
所述的第二电极7为硅片经过金属溅射和刻蚀形成。
所述的高频腔体支撑墙由器件层构成。
本实用新型在第一SOI硅片上获得CMUT的高频结构，在第二SOI硅片上获得CMUT的低频结构；然后，采用双SOI硅片，CMUT的振动弹性膜的平面度达到纳米量级，同时，CMUT的真空腔体的底部平面度同样可以达到纳米量级。由于本实用新型CMUT的高频结构和低频结构分别在不同的硅片上实现，并通过硅片键合将高频和低频结构组合，实现了复合CMUT单元。
CMUT具有很大的优势。因为采用压电材料的传感器是通过改变压电材料的厚度来获得不同的频率, 所以，在同一微传感器很难通过微加工技术去实现不厚度的压电层。而且，在医学应用中，压电超声传感器必须有不同厚度的匹配层。这使得压电超声传感器更难以应用。而采用电容式的超声传感器，可以改变平面尺寸，而保持厚度一致就可获得不同的频率。因此，通过微加工可以容易实现传感器的多频组合结构。这也是本项目所提出的结构能容易实现的基础。另外，对于传统的PZT材料，当应用环境温度高于居里点，大约350C时，其压电特性会逐渐消失，从而传感器性能变差，直至失效。而CMUT在应用环境温度达到500C时，仍能正常工作。
本实用新型中对于低频部分，固有特性决定其结构尺寸较大，而高频部分则相反，其结构尺寸较小，而其具体的尺寸参数则可以根据需要进行设置。据此，可以在弹性膜的底部建构高频部分的支持结构。这样，就可以把高频部分和低频部分组合在一个真空腔体内，即把高频部分和低频部分加工在一个CMUT单元内，而不增加CMUT单元的结构尺寸。在应用低频部分的场合时，高频部分不影响低频部分发挥作用；在应用高频部分的场合，振动膜在低频部分的塌陷电压下，高频支撑结构域底部电极接触，从而形成高频结构，满足高频应用场合。
Claims (3)
1.一种复合微机械电容式超声换能器，其特征在于：包括CMUT的低频结构和CMUT的高频结构，所述的CMUT的低频结构包括由第一电极和振动薄膜的支撑体，二者通过绝缘层隔离设置；所述的第一电极上衬底为硼重参杂衬底，所述第一电极上设置有CMUT低频腔体；所述的CMUT的高频结构包括振动薄膜层和设置在振动薄膜层两面的第二电极、高频腔体支承墙，高频腔体支承墙与振动薄膜层形成高频腔体；所述的CMUT的低频结构与CMUT的高频结构键合，且振动薄膜的支撑体与振动薄膜构成低频真空腔体，所述的高频腔体支承墙设置在低频真空腔体内，而第二电极设置在低频真空腔体外。
2.根据权利要求1所述的一种复合微机械电容式超声换能器，其特征在于：所述的第二电极为硅片经过金属溅射和刻蚀形成。
3.根据权利要求2所述的一种复合微机械电容式超声换能器，其特征在于：所述的高频腔体支撑墙由器件层构成。
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| CN (1) | CN205949255U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109530194A (zh) * | 2018-10-18 | 2019-03-29 | 天津大学 | 一种多电极cmut单元及多频式电容微机械超声换能器 |
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2016
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