CN214471312U - 高性能的压电mems超声波传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高性能的压电MEMS超声波传感器，涉及传感器技术领域，该超声波传感器包括从底至顶依次层叠的硅基层、硅振动膜和压电结构，硅基层内部形成有硅基腔体，压电结构中的PZT压电薄膜层位于所述硅基腔体处且所述PZT压电薄膜的尺寸与所述硅基腔体的尺寸相匹配，压电结构覆盖所述硅振动膜表面的薄膜区域、上电极区域和下电极区域，硅振动膜表面在所述压电结构以外的区域外露；该超声波传感器尺寸较小，且可以有效降低压电结构的残余应力的影响，提高传感器性能。

Description

高性能的压电MEMS超声波传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，尤其是一种高性能的压电MEMS超声波传感器。

背景技术

超声波传感器一般工作在20kHz-1000kHz，在汽车的倒车雷达、工业中的液位仪和气体流量计等需要测距的场景中被广泛应用。

最初传统的超声波传感器采用压电陶瓷作为换能元件，压电陶瓷的上下表面镀有金属，再通过点胶等方式将压电陶瓷和声学振动结构固接在一起，形成超声波传感器的振动结构，比如专利号为201680075252.8的专利中描述的超声波传感器，采用这种方式制造的超声波传感器存在尺寸大、一致性差和制造麻烦等缺点。

随着发展，目前逐渐出现了使用微米厚度的压电薄膜作为换能元件且基于弯曲振动模式所制造得到的超声波传感器，比如专利号为201822122152.5的专利中描述的超声波传感器，这种超声波传感器具有尺寸小、一致性高、能耗低、与空气耦合良好以及可批量制造的优点，但是这种超声波传感器中，残余应力会影响器件的性能。

实用新型内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种高性能的压电MEMS超声波传感器，本实用新型的技术方案如下：

一种高性能的压电MEMS超声波传感器，该压电MEMS超声波传感器包括：从底至顶依次层叠的硅基层、硅振动膜和压电结构，所述硅基层内部形成有硅基腔体，所述压电结构包括从底至顶依次层叠的二氧化硅层、下电极层、PZT压电薄膜层、钝化层和上电极层，所述PZT压电薄膜层位于所述硅基腔体处且所述PZT压电薄膜的尺寸与所述硅基腔体的尺寸相匹配；所述压电结构覆盖所述硅振动膜表面的薄膜区域、上电极区域和下电极区域，所述薄膜区域为所述PZT压电薄膜层所在区域，所述硅振动膜表面在所述压电结构以外的区域外露。

其进一步的技术方案为，所述硅基腔体和所述PZT压电薄膜层的横剖面均呈圆形且圆心在同一垂直位置处，所述PZT压电薄膜层的直径为所述硅基腔体的直径的40％-80％。

其进一步的技术方案为，所述硅基腔体的横剖面呈圆形，所述PZT压电薄膜层的横剖面呈圆环，且所述硅基腔体的横剖面的圆心与所述PZT压电薄膜层的横剖面的圆心在同一垂直位置处，所述PZT压电薄膜层的外直径为所述硅基腔体的直径的80％-150％、所述PZT压电薄膜层的内直径为所述硅基腔体的直径的50％-90％。

其进一步的技术方案为，所述硅基腔体位于所述硅基层的顶部且不贯穿所述硅基层的底部、在所述硅基层和所述硅振动膜之间形成真空气隙。

其进一步的技术方案为，所述硅基腔体贯穿所述硅基层。

其进一步的技术方案为，所述薄膜区域的横剖面与所述PZT压电薄膜层的横剖面的形状相同，且所述薄膜区域包含所述PZT压电薄膜层及其周边预定范围内的区域。

其进一步的技术方案为，在所述压电结构中，所述二氧化硅层覆盖在所述硅振动膜表面的所述薄膜区域、上电极区域和下电极区域，所述下电极层覆盖在所述二氧化硅层表面的全部区域，所述PZT压电薄膜层覆盖在所述下电极层表面的薄膜区域处，所述钝化层覆盖在所述下电极层表面的上电极区域处以及薄膜区域处除所述PZT压电薄膜层以外的区域，所述上电极层覆盖在所述PZT压电薄膜层表面以及所述钝化层表面的上电极区域处，使得所述下电极层在下电极区域处外露，所述上电极层在薄膜区域和上电极区域处外露。

本实用新型的有益技术效果是：

本申请公开了一种高性能的压电MEMS超声波传感器，基于微米厚度的压电薄膜制成，尺寸较小，硅振动膜表面在压电结构以外的区域外露，可以有效降低压电结构的残余应力的影响，提高传感器性能。

进一步的，可以对PZT压电薄膜的横剖面形状进行设计，通过将其设计为与硅基腔体匹配的圆形结构使得超声波传感器可以在保证频率的基础上实现尺寸的小型化，提高集成度。或者可以将PZT压电薄膜的横剖面设计为与硅基腔体匹配的圆环形结构使得超声波传感器虽然在尺寸方面略有牺牲，但信号接收性能更优。

附图说明

图1是本申请的高性能的压电MEMS超声波传感器的一种结构的俯视结构图。

图2是图1中上连接引线和下连接引线所在直线AA为剖面线的纵剖面结构图。

图3是图1中垂直于上连接引线和下连接引线所在直线BB为剖面线的纵剖面结构图。

图4是本申请的高性能的压电MEMS超声波传感器的另一种结构的俯视结构图。

图5是图4中上连接引线和下连接引线所在直线CC为剖面线的纵剖面结构图。

图6是图4中上连接引线和下连接引线所在直线DD为剖面线的纵剖面结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种高性能的压电MEMS超声波传感器，请参考图1-6，该压电MEMS超声波传感器包括从底至顶依次层叠的硅基层、硅振动膜5和压电结构。其中，硅基层具体包括硅片1及其上表面和下表面覆盖的二氧化硅薄膜2和二氧化硅薄膜3。

硅基层内部形成有硅基腔体4。在一个实施例中，硅基腔体4位于硅基层的顶部且不贯穿硅基层的底部、从而在硅基层和硅振动膜5之间形成真空气隙，如图2、3、5、6均以这种情况为例，具体的，硅基腔体4穿透硅片1上表面的二氧化硅薄膜3以及硅片1的部分区域。在另一个实施例中，硅基腔体4贯穿整个硅基层，也即硅基腔体4从硅片1上表面的二氧化硅薄膜3一直穿透至下表面的二氧化硅薄膜2。

压电结构包括从底至顶依次层叠的二氧化硅层6、下电极层7、PZT压电薄膜层8、钝化层9和上电极层10，PZT压电薄膜层8位于硅基腔体4处且PZT压电薄膜8的尺寸与硅基腔体4的尺寸相匹配。

在一个实施例中，硅基腔体4和PZT压电薄膜层8的横剖面均呈圆形且圆心在同一垂直位置处，PZT压电薄膜层8的直径为硅基腔体4的直径的40％-80％，这种可以在保证频率不变的情况下使得整体尺寸更小，有利于传感器的小型化，如图1-3以这种结构为例。

在另一个实施例中，硅基腔体4的横剖面呈圆形，PZT压电薄膜层8的横剖面呈圆环，且硅基腔体4的横剖面的圆心与PZT压电薄膜层8的横剖面的圆心在同一垂直位置处，PZT压电薄膜层8的外直径为硅基腔体4的直径的80％-150％、PZT压电薄膜层8的内直径为硅基腔体4的直径的50％-90％。这种结构可以有效降低PZT压电薄膜层的电容、提高传感器的接收信号的性能，如图4-6以这种结构为例。

压电结构覆盖硅振动膜5表面的薄膜区域、上电极区域和下电极区域，硅振动膜5表面在压电结构以外的区域外露。薄膜区域为PZT压电薄膜层8所在区域，且区域尺寸通常大于PZT压电薄膜层8的尺寸。可选的，薄膜区域的横剖面与PZT压电薄膜层的横剖面的形状相同，且薄膜区域包含PZT压电薄膜层8及其周边预定范围内的区域，也即薄膜区域略大于PZT压电薄膜层8。比如图1所示，当PZT压电薄膜层8的横剖面为圆形时，薄膜区域的横剖面为面积稍大的圆形。再比如图4，当PZT压电薄膜层8的横剖面为圆环时，薄膜区域的横剖面为面积稍大的圆环。

上电极区域对应上连接引线及其相连的上电极PAD所在的区域，如图1和4中薄膜区域的右上角为上电极区域、包括与薄膜区域连通的上连接引线所在区域及其末端的上电极PAD所在的区域。下电极区域对应下连接引线及其相连的上电极PAD所在的区域，如图1和4中薄膜区域的左下角为下电极区域、包括与薄膜区域连通的下连接引线所在区域及其末端的下电极PAD所在的区域。如图1和4以上电极区域和下电极区域相对于薄膜区域中心对称为例，实际可以不做这种限定。则如图2是图1以上连接引线和下连接引线所在直线AA为剖面线的纵剖面结构图，而图3是图1以垂直于上连接引线和下连接引线所在直线BB为剖面线的纵剖面结构图。图4是图3以上连接引线和下连接引线所在直线CC为剖面线的纵剖面结构图，图5是图1以垂直于上连接引线和下连接引线所在直线DD为剖面线的纵剖面结构图。

请结合图2和3以及图5和6，在压电结构中，二氧化硅层6覆盖在硅振动膜5表面的薄膜区域、上电极区域和下电极区域。下电极层7覆盖在二氧化硅层6表面的全部区域。PZT压电薄膜层8覆盖在下电极层7表面的薄膜区域处。钝化层9覆盖在下电极层7表面的上电极区域处以及下电极层7的薄膜区域处除PZT压电薄膜层8以外的区域。上电极层10覆盖在PZT压电薄膜层8表面外露处以及钝化层9表面的上电极区域处。这种层叠结构使得下电极层7在下电极区域处外露，上电极层10在薄膜区域和上电极区域处外露。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高性能的压电MEMS超声波传感器，其特征在于，所述压电MEMS超声波传感器包括：从底至顶依次层叠的硅基层、硅振动膜和压电结构，所述硅基层内部形成有硅基腔体，所述压电结构包括从底至顶依次层叠的二氧化硅层、下电极层、PZT压电薄膜层、钝化层和上电极层，所述PZT压电薄膜层位于所述硅基腔体处且所述PZT压电薄膜的尺寸与所述硅基腔体的尺寸相匹配；所述压电结构覆盖所述硅振动膜表面的薄膜区域、上电极区域和下电极区域，所述薄膜区域为所述PZT压电薄膜层所在区域，所述硅振动膜表面在所述压电结构以外的区域外露。

2.根据权利要求1所述的压电MEMS超声波传感器，其特征在于，所述硅基腔体和所述PZT压电薄膜层的横剖面均呈圆形且圆心在同一垂直位置处，所述PZT压电薄膜层的直径为所述硅基腔体的直径的40％-80％。

3.根据权利要求1所述的压电MEMS超声波传感器，其特征在于，所述硅基腔体的横剖面呈圆形，所述PZT压电薄膜层的横剖面呈圆环，且所述硅基腔体的横剖面的圆心与所述PZT压电薄膜层的横剖面的圆心在同一垂直位置处，所述PZT压电薄膜层的外直径为所述硅基腔体的直径的80％-150％、所述PZT压电薄膜层的内直径为所述硅基腔体的直径的50％-90％。

4.根据权利要求1-3任一所述的压电MEMS超声波传感器，其特征在于，所述硅基腔体位于所述硅基层的顶部且不贯穿所述硅基层的底部、在所述硅基层和所述硅振动膜之间形成真空气隙。

5.根据权利要求1-3任一所述的压电MEMS超声波传感器，其特征在于，所述硅基腔体贯穿所述硅基层。

6.根据权利要求1-3任一所述的压电MEMS超声波传感器，其特征在于，所述薄膜区域的横剖面与所述PZT压电薄膜层的横剖面的形状相同，且所述薄膜区域包含所述PZT压电薄膜层及其周边预定范围内的区域。

7.根据权利要求6所述的压电MEMS超声波传感器，其特征在于，在所述压电结构中，所述二氧化硅层覆盖在所述硅振动膜表面的所述薄膜区域、上电极区域和下电极区域，所述下电极层覆盖在所述二氧化硅层表面的全部区域，所述PZT压电薄膜层覆盖在所述下电极层表面的薄膜区域处，所述钝化层覆盖在所述下电极层表面的上电极区域处以及薄膜区域处除所述PZT压电薄膜层以外的区域，所述上电极层覆盖在所述PZT压电薄膜层表面以及所述钝化层表面的上电极区域处，使得所述下电极层在下电极区域处外露，所述上电极层在薄膜区域和上电极区域处外露。

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