CN209156327U - 具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器。换能器设有基底、结构层、底电极、压电层、上电极。换能器工作原理是利用正、逆压电效应实现机械能到电能或电能到机械能的转换。本实用新型将原为方形环结构的上电极及压电层切分为四块等面积矩形结构，这种结构可以减少上电极与底电极的正对面积，从而减少寄生电容，提高超声波换能器的信噪比。同时，在空出的四个边角处刻蚀出小孔，这样有利于降低振膜的刚度，提高换能器的发射灵敏度，进而弥补减少上电极面积对换能器发射灵敏度造成的损失。
Description
技术领域
本实用新型属于微机电系统(MEMS)技术领域中的换能器领域，特别是涉及一种具有高信噪比、高灵敏度的压电超声波换能器。
背景技术
压电超声波换能器是一种既可以将电能转换为机械能，又可以将机械能转化为电能的集收发超声波为一体的器件。传统的超声波换能器采用机械加工的方式，其体积大、功耗高、不利于集成化，且由于其声阻抗与传统声传递介质(空气、水)不匹配，其声发射效率较低。结合微机电系统技术采用的微制造工艺加工出的微机电超声波换能器则有效的克服了上述缺点。微机电超声波换能器按其工作原理可主要分为微机电电容式超声波换能器和微机电压电式超声波换能器：电容式超声波换能器的灵敏度和带宽较于压电式超声波换能器有一定优势，但其需要很高的直流偏置电压和极窄的电容间隙来实现，同时限于有限的振幅，其发射的声压也很有限[1]；相反，压电式超声波换能器的振幅要大很多，但限于现阶段压电材料有限的压电常数以及固有的寄生电容，微机电压电式超声波的信噪比及灵敏度还需要进一步的优化。本实用新型所设计的一种具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器可以有效的提高其灵敏度，增大其信噪比，在日常的应用场合如：指纹识别[2]、距离检测[3]和能量采集[4]等具有更大的优势。
引用文献：
[1]Jung J,Kim S,Lee W and Choi H 2013 Fabrication of a two-dimensional piezoelectric micromachined ultrasonic transducer array using atop-crossover-to-bottom structure and metal bridge connections,J.Micromechanics Microengineering 23 125037.
[2]Przybyla R J,Tang H Y,Shelton S E,Horsley D A and Boser B E 201412.1 3D ultrasonic gesture recognition Dig.Tech.Pap.-IEEE Int.Solid-StateCircuits Conf.57 210–1.
[3]Przybyla R J,Tang H,Member S,Guedes A,Shelton S E,Horsley D A andBoser B E 2015 3D Ultrasonic Range finder on a Chip IEEE J.Solid-StateCircuits 50 320–34
[4]He Q,Liu J,Yang B,Wang X,Chen X and Yang C 2014 MEMS-basedultrasonic transducer as the receiver for wireless power supply of theimplantable microdevices Sensors Actuators,A Phys.219 65–72
发明内容
本实用新型的目的在于解决现有技术中存在的信噪比及灵敏度不高的问题，并提供一种具有刻蚀孔及分块式上电极的的微机电压电超声波换能器。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器，其特征在于：包括基底、底电极、压电层和上电极，基底背面中间部分开设槽形空腔，使基底正面形成弹性结构层(41)，槽形空腔周边的基底作为弹性结构层的固定端；弹性结构层的正面依次堆叠底电极、压电层和上电极，与弹性结构层共同构成振动薄膜；其中底电极覆盖基底正面，而压电层由4块等面积的矩形单元组成，沿弹性结构层的中心点呈中心对称分布，围成边角缺失的方形环，且4块矩形单元相互不接触；所述的上电极结构与压电层完全相同，上电极的4块矩形单元与压电层的4块矩形单元一一对应重叠；在所述方形环的4个缺失边角处，刻蚀形成贯穿底电极和弹性结构层的通孔阵列；且压电层和上电极都不覆盖小孔。
换能器作为发射端时，通过在上、底电极施加交变电压利用逆压电效应驱动振膜做平面外振动，从而产生超声波；作为接收端时，利用正压电效应将在外部超声波激励下引起的振膜振动转化为电信号输出。
作为优选，所述的通孔阵列中，通孔的孔径(直径)为3-5μm，间距为6-8μm。
作为优选，所述上电极的4块矩形单元与压电层的4块矩形单元的宽度均为所述槽形空腔半边长的30％-35％，长度为槽形空腔边长的65％-70％；所述方形环的外边沿与槽形空腔的外边沿重合。
作为优选，所述通孔深度与弹性结构层及底电极厚度之和一致，为4～7μm。
作为优选，所述的基底和弹性结构层为半导体材料硅，包括单晶硅或多晶硅。
作为优选，所述的槽形空腔通过在基底背面选择性刻蚀形成。
作为优选，所述的压电层中的压电材料为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷。
作为优选，所述的底电极为硼掺杂的硅，或金属材料金、铂、铝或锡。
作为优选，所述的上电极为金属材料金、铂、铝或锡。
作为优选，所述上电极的4块矩形单元连接同一激励源，上电极用同一激励源激励。
本实用新型的换能器工作原理是利用正、逆压电效应实现机械能到电能或电能到机械能的转换。将原来方形环的上电极切分成四块等面积的矩形块，这样改变换能器上下电极的对应面积，从而减少了寄生电容值，这样有利于提高换能器的信噪比。同时，在原方形环的四个边角处刻蚀小孔，这样有利于减少振膜的刚度，从而提高换能器的灵敏度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明
图1是本实用新型中具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器的结构示意图；
图2是图1的A-A剖面示意图；
图3是图2中虚线框B的局部放大图；
图4是具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器的等效电路图；
图中：上电极1、压电层2、底电极3、基底4、弹性结构层41、振动薄膜00。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步阐述和说明。本实用新型中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1～3所示，一种具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器，其主要包括基底4、底电极3、压电层2和上电极1。通过在基底4背部选择性刻蚀出一个槽形空腔，使基底4正面形成一定厚度的弹性结构层41，弹性结构层41周边未被刻蚀的部分基底4形成固定端(锚端)。弹性结构层41的正面由下至上依次堆叠底电极3、压电层2和上电极1，底电极3、压电层2和上电极1与弹性结构层41共同构成振动薄膜00。其中底电极3覆盖基底4的上表面，而压电层2和上电极1的覆盖面积相对较小。压电层2由4块等面积的矩形单元组成，沿弹性结构层41的中心点呈中心对称分布。压电层2的4块矩形单元各自紧贴弹性结构层41的一条外边，围成一个近似的方形环，但4块矩形单元相互不接触，使得该方形环的4个边角处均缺失了一块正方形区域。但整体上，该方形环的外边沿与槽形空腔的外边沿投影是重合的。同样的，上电极1结构与压电层2完全相同，也是将上电极1在原来方形环的基础上切分成四块等面积的矩形单元，形成分块式上电极。上电极1的4块矩形单元与压电层2的4块矩形单元一一对应重叠覆盖。在压电层2和上电极1的方形环的4个缺失边角区域，刻蚀形成N×N的通孔阵列，每个通孔均在刻蚀过程中贯穿弹性结构层41和底电极3。上电极的4块矩形单元连接同一激励源，用同一激励源进行激励。如图1所示，上电极1和压电层2均匀分布在四边，压电层2和上电极1与小孔相邻分布且不覆盖小孔。换能器作为发射端时，通过在上、底电极施加交变电压利用逆压电效应驱动振膜做平面外振动，从而产生超声波；作为接收端时，利用正压电效应将在外部超声波激励下引起的振膜振动转化为电信号输出。
另外，本实施例中，各部件的结构参数如下：上电极1材料为铝电极，厚度为1μm；压电层2材料为氮化铝，厚度为0.5μm。上电极1的任意一块矩形单元与压电层2的任意一块矩形单元，宽度均为37.5μm，长度均为175μm。图1～3中为了区分显示上电极和压电层，故将压电层的内边和外边与弹性结构层中心的距离进行了适度的延伸，但本实施例中上电极和压电层的内、外边缘实际在垂直方向上(即水平投影)完全重合，上电极1形成的方形环和压电层2形成的方形环在水平投影上也与槽形空腔的外边沿完全重合。底电极3材料为硼掺杂的硅，厚度为1μm。基底4材料为半导体硅，厚度为400μm，通过从背部选择性刻蚀部分硅来释放振膜00，刻蚀后形成的弹性结构层41的厚度为5μm，长度和宽度为250μm。小孔的深度与弹性结构层41及底电极3厚度之和一致，为6μm。每个缺失边角区域的通孔阵列中，阵列均为4×4的矩形阵列，每个通孔的孔径为3-5μm，阵列中的相邻孔间距相同，为6-8μm。
如图4所示，上述换能器的等效电路图，上电极1和底电极3之间有一个寄生电容C0，它的存在给电路带来了噪声，降低了换能器的性能。根据公式可知，减少两块极板的相对面积S可以相应的减少寄生电容值，提高换能器的信噪比。并且在底电极和结构层刻蚀出小孔来降低振膜的刚度，提高换能器的灵敏度。
本实用新型所提出一种具有有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器，通过切分形成分块式上电极并在边角刻蚀小孔的这种结构可以使得上电极与底电极的正对面积减小，从而减少了寄生电容的危害，提高了换能器的信噪比。同时，由于这种小孔的结构使得振膜的刚度减少，进一步提高换能器的灵敏度。综上，具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器有高信噪比和高灵敏度的优势。
Claims (10)
1.一种具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器，其特征在于：包括基底(4)、底电极(3)、压电层(2)和上电极(1)，基底(4)背面中间部分开设槽形空腔，使基底(4)正面形成弹性结构层(41)，槽形空腔周边的基底(4)作为弹性结构层(41)的固定端；弹性结构层(41)的正面依次堆叠底电极(3)、压电层(2)和上电极(1)，与弹性结构层(41)共同构成振动薄膜(00)；其中底电极(3)覆盖基底(4)正面，而压电层(2)由4块等面积的矩形单元组成，沿弹性结构层(41)的中心点呈中心对称分布，围成边角缺失的方形环，且4块矩形单元相互不接触；所述的上电极(1)结构与压电层(2)完全相同，上电极(1)的4块矩形单元与压电层(2)的4块矩形单元一一对应重叠；在所述方形环的4个缺失边角处，刻蚀形成贯穿底电极(3)和弹性结构层(41)的通孔阵列；且压电层(2)和上电极(1)都不覆盖小孔。
2.根据权利要求1所述的具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器，其特征在于：所述的通孔阵列中，通孔的孔径为3-5μm，间距为6-8μm。
3.根据权利要求1所述的具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器，其特征在于：所述上电极(1)的4块矩形单元与压电层(2)的4块矩形单元的宽度均为所述槽形空腔半边长的30％-35％，长度为槽形空腔边长的65％-70％；所述方形环的外边沿与槽形空腔的外边沿重合。
4.根据权利要求1所述的具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器，其特征在于：所述通孔深度与弹性结构层(41)及底电极(3)厚度之和一致，为4～7μm。
5.根据权利要求1所述的具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器，其特征在于：所述的基底(4)和弹性结构层(41)为半导体材料硅，包括单晶硅或多晶硅。
6.根据权利要求1所述的具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器，其特征在于：所述的槽形空腔通过在基底(4)背面选择性刻蚀形成。
7.根据权利要求1所述的具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器，其特征在于：所述的压电层(2)中的压电材料为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷。
8.根据权利要求1所述的具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器，其特征在于：所述的底电极(3)为硼掺杂的硅，或金属材料金、铂、铝或锡。
9.根据权利要求1所述的具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器，其特征在于：所述的上电极(1)为金属材料金、铂、铝或锡。
10.根据权利要求1所述的具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器，其特征在于：所述上电极(1)的4块矩形单元连接同一激励源。
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| CN109261477A (zh) * | 2018-10-23 | 2019-01-25 | 浙江大学 | 一种具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器 |
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