CN214390968U - 一种mems压电超声换能器 - Google Patents

一种mems压电超声换能器 Download PDF

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刘端
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Abstract

本申请公开了一种MEMS压电超声换能器，包括：衬底，具有空腔；第一电极层，形成在所述衬底上方并且覆盖所述空腔；第一压电层，形成在所述第一电极层上方；第二电极层，形成在所述第一压电层上方；结构层，形成在所述第二电极层上方；第三电极层，形成在所述结构层上方；第二压电层，形成在所述第三电极层上方，并且所述第一压电层的压电系数d31比所述第二压电层的压电系数d31大；第四电极层，形成在所述第二压电层上方。本申请所提供的压电超声换能器兼具了良好的发射和接收声波信号的功能。

Description

一种MEMS压电超声换能器
技术领域
本申请涉及超声换能器技术领域，具体来说，涉及一种MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，即微机电系统)压电超声换能器。
背景技术
压电超声换能器的英文全称是piezoelectric micromachined ultrasonictransducer，简称PMUT。超声换能器主要用来发射和接收声波，通常由压电材料或者其他磁致伸缩材料制成。常见的超声波清洗器、超声雾化器以及超声探头都是超声换能器的应用实例。超声换能器既可以将电能转化为机械能来发射信号，也可以将机械能转换为电能来接收信号，但是如何设计超声换能器的结构以兼具发射和接收声波的双重功能，目前的现有技术没有合适的解决方案。
实用新型内容
针对相关技术中的问题，本申请提出一种MEMS压电超声换能器，能够兼具发射和接收声波的功能。
本申请的技术方案是这样实现的：
根据本申请的一个方面，提供了一种压电超声换能器，包括：
衬底，具有空腔；
第一电极层，形成在所述衬底上方并且覆盖所述空腔；
第一压电层，形成在所述第一电极层上方；
第二电极层，形成在所述第一压电层上方；
结构层，形成在所述第二电极层上方；
第三电极层，形成在所述结构层上方；
第二压电层，形成在所述第三电极层上方，并且所述第一压电层的压电系数d31比所述第二压电层的压电系数d31大；
第四电极层，形成在所述第二压电层上方。
其中，所述第三电极层、所述第二压电层和所述第四电极层的投影区域位于所述空腔内。
其中，所述第三电极层、所述第二压电层和所述第四电极层的投影区域呈环形并且覆盖部分空腔。
其中，所述第三电极层、所述第二压电层和所述第四电极层具有从所述第四电极层的上表面穿透至所述结构层的上表面的凹槽，所述凹槽的投影区域位于所述空腔内。
其中，所述第一压电层包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅或钙钛矿型压电膜中的一层或多层，所述第二压电层包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅或钙钛矿型压电膜中的一层或多层。
其中，所述第一压电层的材料包括锆钛酸铅，所述第二压电层的材料包括氧化锌。
其中，所述第一电极层、所述第一压电层和所述第二压电层用作发射声波信号，所述第三电极层、所述第二压电层和所述第四电极层用作接收声波信号。
其中，所述结构层的材料包括氮化硅、氧化硅、单晶硅、多晶硅构成的单层或者多层。
以上本申请所提供的压电超声换能器兼具了良好的发射和接收声波信号的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。
图1示出了第一实施例提供的压电超声换能器的示意图；
图2是第一实施例的压电超声换能器的剖面立体图；
图3示出了第二实施例提供的压电超声换能器的示意图；
图4是第二实施例的压电超声换能器的剖面立体图；
图5示出了第三实施例提供的压电超声换能器的示意图；
图6是第三实施例的压电超声换能器的剖面立体图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
值得注意的是，本申请的第一实施例、第二实施例和第三实施例中的相同的标号表示相同的部件。
第一实施例
参见图1和图2，根据本申请的第一实施例，提供了一种PMUT，兼具发射和接收声波信号的功能。该PMUT包括衬底10、第一电极层21、第一压电层22、第二电极层23、结构层30、第三电极层41、第二压电层42和第四电极层43。以下将详细说明该PMUT的结构。
衬底10具有空腔11。衬底10包括硅或任何合适的硅基化合物或衍生物(例如硅晶片、SOI、SiO2)。
第一电极层21形成在衬底10上方并且覆盖空腔11。第一压电层22形成在第一电极层21上方。第二电极层23形成在第一压电层22上方。第一电极层21、第一压电层22和第二压电层42用作将电能转换为声波信号，并且发射出该声波信号。
结构层30形成在第二电极层23上方。结构层30的材料包括氮化硅(Si3N4)、氧化硅、单晶硅、多晶硅构成的单层或者多层或其他合适的材料。
第三电极层41形成在结构层30上方。第二压电层42形成在第三电极层41上方，并且第二压电层42的材料与第一压电层22的材料不同。第四电极层43形成在第二压电层42上方。第三电极层41、第二压电层42和第四电极层43用作接收声波信号。并且第三电极层41、第二压电层42和第四电极层43的投影区域位于空腔11内。
第一压电层22包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅或钙钛矿型压电膜中的一层或多层。第二压电层42包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅或钙钛矿型压电膜中的一层或多层。第一压电层22的d31压电系数比第二压电层42的压电系数d31大，第一压电层22的压电系数e31比第二压电层42的压电系数e31大。第一电极层21、第二电极层23、第三电极层41和第四电极层43的材料包括铝、金、铂、钼、钛、铬以及它们组成的复合膜或其他合适的材料。
优选的，第一压电层22的材料包括锆钛酸铅，第二压电层42的材料包括氧化锌。
在第一实施例中，第一压电层22采用锆钛酸铅材料，以用作发射声波信号，因为锆钛酸铅的压电常数较大，电压固定情况下可以得到更大的振幅。而且当第一压电层22覆盖整个空腔11时，相对于其他结构能获得更大的振幅，最终得到更大的发射声波信号。第二压电层42采用氧化锌材料，由于氧化锌的介电损耗小，压电常数较高，所以适合用作接收声波信号部分。而边缘“悬空”可以避免第二压电层42内正负电荷中和，在固定声压下可以接收到更大的输入信号。从而提高了该PMUT的发射和接收声波信号的性能。
第二实施例
参见图3和图4，第二实施例的PMUT结构与第一实施例的PMUT结构大致相同，其不同之处在于：第一实施例的第三电极层41、第二压电层42和第四电极层43的投影区域位于空腔11内。第二实施例的第三电极层41、第二压电层42和第四电极层43的投影区域呈环形并且覆盖部分空腔11。
第二实施例的声波接收部分采用中间“悬空”的第二压电层42。由于第二压电层42的介电损耗小，压电常数较高，所以适合做声波接收部分。而中间“悬空”的第二压电层42可以避免正负电荷中和，从而可以在固定声压下接收到更大的输入信号。
第三实施例
参见图5和图6，第三实施例的PMUT结构与第一实施例的PMUT结构大致相同，其不同之处在于：第一实施例的第三电极层41、第二压电层42和第四电极层43的投影区域位于空腔11内。第三实施例的第三电极层41、第二压电层42和第四电极层43具有从第四电极层43的上表面穿透至结构层30的上表面的凹槽，凹槽的投影区域位于空腔11内。
第三实施例结合了第一实施例和第二实施例的特征，将边缘环形结构和中心圆结构电极串联起来以进一步提高接收声波信号的能力。
综上，借助于本申请的上述技术方案，本申请所提供的压电超声换能器兼具了良好的发射和接收声波信号的功能。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种压电超声换能器，其特征在于，包括：
衬底，具有空腔；
第一电极层，形成在所述衬底上方并且覆盖所述空腔；
第一压电层，形成在所述第一电极层上方；
第二电极层，形成在所述第一压电层上方；
结构层，形成在所述第二电极层上方；
第三电极层，形成在所述结构层上方；
第二压电层，形成在所述第三电极层上方，并且所述第一压电层的压电系数d31比所述第二压电层的压电系数d31大；
第四电极层，形成在所述第二压电层上方。
2.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述第三电极层、所述第二压电层和所述第四电极层的投影区域位于所述空腔内。
3.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述第三电极层、所述第二压电层和所述第四电极层的投影区域呈环形并且覆盖部分空腔。
4.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述第三电极层、所述第二压电层和所述第四电极层具有从所述第四电极层的上表面穿透至所述结构层的上表面的凹槽，所述凹槽的投影区域位于所述空腔内。
5.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述第一压电层包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅或钙钛矿型压电膜中的一层或多层，所述第二压电层包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅或钙钛矿型压电膜中的一层或多层。
6.根据权利要求5所述的压电超声换能器，其特征在于，所述第一压电层的材料包括锆钛酸铅，所述第二压电层的材料包括氧化锌。
7.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述第一电极层、所述第一压电层和所述第二压电层用作发射声波信号，所述第三电极层、所述第二压电层和所述第四电极层用作接收声波信号。
8.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述结构层的材料包括氮化硅、氧化硅、单晶硅、多晶硅构成的单层或者多层。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115055356A (zh) * 2022-06-10 2022-09-16 复旦大学 一种具有环状压电层的微机械超声换能器
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