CN216925791U - 一种压电mems超声波传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种压电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，硅基层内部形成有纵剖面呈T形的硅基腔体，压电结构中的PZT压电薄膜层位于硅基腔体处且PZT压电薄膜的尺寸与硅基腔体的横部尺寸相匹配，压电结构覆盖硅振动膜表面的薄膜区域、上电极区域和下电极区域，硅振动膜表面在压电结构以外的区域外露；压电结构中除去其上电极层的外圈部分，其余部分被均等分割成以穿过圆环中心的分割线为轴对称分布的分块压电结构；该传感器可以精确控制PZT压电薄膜层的直径，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

一种压电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。

现有的超声波传感器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，虽然这种超声波传感器具有尺寸小、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的压电结构的直径一般是通过内部的空腔直径来控制的，这样会导致压电结构的直径精度较差，使得超声波传感器的一致性不好，且残余应力也会影响器件的性能。

实用新型内容

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

一种压电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，硅基层内部形成有纵剖面呈T形的硅基腔体，硅基腔体包括横部和纵部，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，PZT压电薄膜层位于硅基腔体处且PZT压电薄膜层的尺寸与硅基腔体的横部尺寸相匹配；压电结构覆盖硅振动膜表面的薄膜区域、上电极区域和下电极区域，薄膜区域为PZT压电薄膜层所在区域，硅振动膜表面在压电结构以外的区域外露；压电结构的横剖面呈圆环状，且除去压电结构的上电极层的外圈部分，其余部分被均等分割成至少三块分块压电结构。

其进一步的技术方案为，硅基腔体的横剖面呈圆形，PZT压电薄膜层的横剖面呈圆环，且硅基腔体的横剖面的圆心与PZT压电薄膜层的横剖面的圆心在同一垂直位置处；PZT压电薄膜层的外直径为硅基腔体的横部直径的80％-150％、PZT压电薄膜层的内直径为硅基腔体的横部直径的50％-90％，硅基腔体的横部直径比纵部直径大0.5μm-100μm。

其进一步的技术方案为，硅基层包括硅片及其上表面覆盖的二氧化硅薄膜，硅基腔体的横部位于二氧化硅薄膜位置处，且硅基腔体的纵部不贯穿硅基层的底部、在硅基层和硅振动膜之间形成真空气隙。

其进一步的技术方案为，硅基层包括硅片及其上表面覆盖的二氧化硅薄膜，硅基腔体的横部位于二氧化硅薄膜位置处，且硅基腔体的纵部贯穿硅基层。

其进一步的技术方案为，在位于压电结构的圆环中心位置的硅振动膜上开孔，孔连通硅基腔体用于平衡压电MEMS超声波传感器的内外压差，孔的直径为0.1μm-50μm。

其进一步的技术方案为，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压电薄膜层及其周边预定范围内的区域。

其进一步的技术方案为，在压电结构中，二氧化硅层覆盖在硅振动膜表面的薄膜区域、上电极区域和下电极区域，下电极层覆盖在二氧化硅层表面的全部区域，PZT压电薄膜层覆盖在下电极层表面的薄膜区域处，钝化层覆盖在下电极层表面的上电极区域处以及薄膜区域处除PZT压电薄膜层以外的区域，上电极层覆盖在PZT压电薄膜层表面以及钝化层表面的上电极区域处，使得下电极层在下电极区域处外露，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，由于纵剖面呈T形的硅基腔体的横部尺寸相对于纵部尺寸在工艺上更好控制，因此通过硅基腔体的横部直径可以很精确的控制PZT压电薄膜层的直径，使得超声波传感器一致性较好；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，且通过将压电结构进行图形化处理，形成两两对称的分块压电结构，进一步减小了残余应力的影响，从而提高超声波传感器的性能。

进一步的，将PZT压电薄膜层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是本申请的压电MEMS超声波传感器的俯视结构图。

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中垂直于分割线CC所在直线BB为剖面线的纵剖面结构图。

图4是图1中所在分割线CC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。

本申请公开了一种压电MEMS超声波传感器，请参考图1-4，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4和压电结构。其中，硅基层具体包括硅片1及其上表面覆盖的二氧化硅薄膜2。可选的，还包括硅片1下表面覆盖的二氧化硅薄膜。

硅基层内部形成有纵剖面呈T形的硅基腔体3，硅基腔体3包括横部31和纵部32。在一个实施例中，硅基腔体3的横部31位于硅片1上表面的二氧化硅薄膜2位置处、从而在硅基层和硅振动膜4之间形成真空气隙，具体的，硅基腔体3的纵部32穿透硅片1的部分区域。在另一个实施例中，硅基腔体3的纵部贯穿整个硅基层，如图2-4均以这种情况为例。

压电结构包括从底至顶依次层叠的二氧化硅层5、下电极层6、PZT压电薄膜层7、钝化层8和上电极层9，PZT压电薄膜层7位于硅基腔体3处且PZT压电薄膜层7的尺寸与硅基腔体3的横部31尺寸相匹配。具体的，硅基腔体3的横剖面呈圆形，PZT压电薄膜层7的横剖面呈圆环，且硅基腔体3的横剖面的圆心与PZT压电薄膜层7的横剖面的圆心在同一垂直位置处。PZT压电薄膜层7的外直径为硅基腔体3的横部31直径的80％-150％、PZT压电薄膜层7的内直径为硅基腔体3的横部31直径的50％-90％，硅基腔体3的横部31直径比纵部32直径大0.5μm-100μm。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，由于纵剖面呈T形的硅基腔体的横部尺寸相对于纵部尺寸在工艺上更好控制，因此通过硅基腔体的横部直径可以很精确的控制PZT压电薄膜的直径，使得超声波传感器一致性较好。

压电结构覆盖硅振动膜4表面的薄膜区域、上电极区域和下电极区域，硅振动膜4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7所在区域，且区域尺寸通常大于PZT压电薄膜层7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7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7。比如图1所示，当PZT压电薄膜层7的横剖面为圆环时，薄膜区域的横剖面为面积稍大的圆环。

压电结构的横剖面呈圆环状，且除去压电结构的上电极层9的外圈部分，其余部分被均等分割成至少三块分块压电结构10，也即分块压电结构10的上电极层9的外圈部分相连不切断，外圈部分通过上连接引线连接上电极PAD。在本实施例中，如图1所示，除去压电结构的上电极层9的外圈部分，其余部分被均等分割成以穿过圆环中心的分割线为轴对称分布的分块压电结构10，也即被均等分割成六块分块压电结构10，其中，相对侧的分块压电结构10以垂直相对连线的分割线CC为轴对称分布。

硅振动膜4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，且通过将压电结构进行图形化处理，形成两两对称的分块压电结构10，进一步减小了残余应力的影响，从而提高超声波传感器的性能。

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以垂直于分割线CC所在直线BB为剖面线的纵剖面结构图，图4是图1以所在分割线CC为剖面线的纵剖面结构图。

请结合图2和3所示，在压电结构中，二氧化硅层5覆盖在硅振动膜4表面的薄膜区域、上电极区域和下电极区域。下电极层6覆盖在二氧化硅层5表面的全部区域。PZT压电薄膜层7覆盖在下电极层6表面的薄膜区域处。钝化层8覆盖在下电极层6表面的上电极区域处以及下电极层6的薄膜区域处除PZT压电薄膜层7以外的区域。上电极层9覆盖在PZT压电薄膜层7表面外露处以及钝化层8表面的上电极区域处。这种层叠结构使得下电极层6在下电极区域处外露，上电极层9在薄膜区域和上电极区域处外露。

如图1所示，本申请的压电MEMS超声波传感器在位于压电结构的圆环中心位置的硅振动膜4上开孔11，孔11连通硅基腔体用于平衡压电MEMS超声波传感器的内外压差，孔11的直径为0.1μm-50μm。

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)

1.一种压电MEMS超声波传感器，其特征在于，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纵剖面呈T形的硅基腔体，所述硅基腔体包括横部和纵部，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压电薄膜层的尺寸与所述硅基腔体的横部尺寸相匹配；所述压电结构覆盖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；所述压电结构的横剖面呈圆环状，且除去所述压电结构的上电极层的外圈部分，其余部分被均等分割成至少三块分块压电结构。

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横部直径的80％-150％、所述PZT压电薄膜层的内直径为所述硅基腔体的横部直径的50％-90％，所述硅基腔体的横部直径比纵部直径大0.5μm-100μm。

3.根据权利要求1或2所述的压电MEMS超声波传感器，其特征在于，所述硅基层包括硅片及其上表面覆盖的二氧化硅薄膜，所述硅基腔体的横部位于所述二氧化硅薄膜位置处，且所述硅基腔体的纵部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。

4.根据权利要求1或2所述的压电MEMS超声波传感器，其特征在于，所述硅基层包括硅片及其上表面覆盖的二氧化硅薄膜，所述硅基腔体的横部位于所述二氧化硅薄膜位置处，且所述硅基腔体的纵部贯穿所述硅基层。

5.根据权利要求1或2所述的压电MEMS超声波传感器，其特征在于，在位于所述压电结构的圆环中心位置的硅振动膜上开孔，孔连通所述硅基腔体用于平衡所述压电MEMS超声波传感器的内外压差，所述孔的直径为0.1μm-50μm。

6.根据权利要求1或2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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