CN220027664U - 一种超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种超声换能器，其中，所述超声换能器包括以层叠的方式依序设置的基底、结构层、以及压电薄膜结构，所述基底具有在其厚度方向上贯通的背腔，所述结构层覆盖所述背腔，所述压电薄膜结构包括依次层叠设置的上电极片、压电材料层、下电极片，在所述基底的厚度方向上，所述上电极片位于所述压电材料层的远离所述结构层的一侧，所述下电极片位于所述压电材料层的靠近所述结构层的一侧；本实用新型所提供的超声换能器通过分别构建用于驱动的超声换能驱动单元和用于接收的超声换能检测单元，在不改变工艺条件下，解决了最小检测距离受限的问题，从而提升了超声传感器发射和接收性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)微机电技术领域，更为具体的说涉及一种超声换能器。
背景技术
近几年来，随着MEMS技术的不断发展，MEMS超声换能器的制备性能正在不断改善，应用价值也越来越高。超声换能器的一大主要用途就是用来测距，而在收发一体式超声测距的工作模式下(即单阵元超声换能器发射超声波后，还需要接收回波信号)需要同时考虑超声换能器的发收性能。
目前超声换能器主要有电容式超声换能器(Capacitive MicromachinedUltrasonic Transducer，CMUT)和压电式超声换能器(Piezoelectric MicromachinedUltrasonic Transducer，PMUT)两大类。与CMUT相比，PMUT不需要直流偏置和很小的电容间隙来提高换能器的灵敏度，并且电学阻抗低，是目前超声换能器发展的主要方向之一。
传统的PMUT器件是由同一个三明治结构的压电感测单元来实现压电层的驱动和检测信号，利用分时的方式通过压电效应和反压电效应产生膜片的振动和将超声波振动收集为电压的输出，使得驱动和检测的时序需要错开，这样就存在一个最小时间差，也就是对应最小检测距离。也即现有技术的最小检测距离会受限。
因此，需要对现有技术进行改进。
实用新型内容
本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种超声换能器。
本实用新型的目的采用以下技术方案实现：
根据本实用新型的一方面，提供一种超声换能器，所述超声换能器包括以层叠的方式依序设置的基底、结构层、以及压电薄膜结构；
所述基底具有在其厚度方向上贯通的背腔，所述结构层覆盖所述背腔，所述压电薄膜结构包括依次层叠设置的上电极片、压电材料层、下电极片，在所述基底的厚度方向上，所述上电极片位于所述压电材料层的远离所述结构层的一侧，所述下电极片位于所述压电材料层的靠近所述结构层的一侧；
所述上电极片包括相互隔离的第一电极和第二电极，所述压电材料层包括相互隔离的第一压电层和第二压电层，所述下电极片构成第三电极；
其中，在所述基底的厚度方向上，所述第一电极、所述第一压电层以及所述第三电极三者的投影交叠，以构成超声换能驱动单元，所述第二电极、所述第二压电层以及所述第三电极三者的投影交叠，以构成超声换能检测单元；
所述第一电极和所述第二电极被配置为独立施加电位，以允许所述超声换能驱动单元和所述超声换能检测单元彼此独立的发射和接收信号。
进一步地，所述第二电极环绕所述第一电极设置，且所述第二压电层环绕所述第一压电层设置。
进一步地，在所述基底的厚度方向上，所述第一压电层在所述结构层的投影位于所述背腔在所述结构层上的投影的中部，所述第二压电层在所述结构层的投影位于所述结构层的固定边界的附近。
进一步地，在所述基底靠近所述结构层的一侧上设置有用于支撑所述结构层的第一支撑体，所述第一支撑体位于所述基底的边缘，使得所述结构层悬空于所述背腔的上方。
可选地，所述第一压电层和所述第二压电层为相同的压电材料。
进一步地，所述第一压电层的压电系数大于所述第二压电层的压电系数。
可选地，所述第一压电层为锆钛酸铅，所述第二压电层为氮化铝。
可选地，所述下电极片包括相互隔离的第三子电极和第四子电极；其中，在所述基底的厚度方向上，所述第一电极、所述第一压电层以及所述第三子电极三者的投影交叠，以构成所述超声换能驱动单元，所述第二电极、所述第二压电层以及所述第四子电极三者的投影交叠，以构成所述超声换能检测单元。
进一步地，所述结构层是SOI结构的顶层硅。
进一步地，所述压电薄膜结构还包括第一电极引出结构、第二电极引出结构，所述第一电极引出结构、所述第二电极引出结构均位于所述结构层的边缘；所述第一电极引出结构包括第一焊盘，所述第二电极引出结构包括第二焊盘；其中，所述第一焊盘与所述第一电极电连接，所述第二焊盘与所述第二电极电连接。
本实用新型所提供的超声传感器，旨在通过分别构建用于驱动的超声换能驱动单元和用于接收的超声换能检测单元，在不改变工艺条件下，解决了最小检测距离受限的问题，从而提升超声传感器发射和接收性能。并且所述第一电极和所述第二电极被配置为独立施加电位，以允许超声换能驱动单元和超声换能检测单元彼此独立的发射和接收信号。有利于提高了超声换能器的接收/发射信号的灵敏度，提升了最小检测距离。
进一步地，在所述基底的厚度方向上，所述第一压电层在所述结构层的投影位于所述背腔在所述结构层上的投影的中部，所述第二压电层在所述结构层的投影位于所述结构层的固定边界的附近。有利于进一步增强超声换能器的发射和接收性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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实施方式。
图1是本实用新型实施例提供的一种超声换能器的立体结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的一个典型的绝缘体上半导体的结构示意图；
图3是本实用新型实施例提供的一种超声换能器的结构示意图；
图4是本实用新型实施例提供的又一种超声换能器的结构示意图；
图5是对应图3的俯视结构示意图。
具体实施方式
上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
图1是本实用新型实施例提供的一种超声换能器的立体结构示意图，图2是本实用新型实施例提供的一个典型的绝缘体上半导体的结构示意图，图3是本实用新型实施例提供的一种超声换能器的结构示意图。
如图1-图3所示，本实用新型实施例提供了一种超声传感器1000，包括以层叠的方式依序设置的基底101、结构层103、以及压电薄膜结构200；所述基底101具有在其厚度方向上贯通的背腔107；所述结构层103覆盖所述背腔107，所述压电薄膜结构200包括依次层叠设置的下电极片230、压电材料层220、上电极片210，在所述基底101的厚度方向上，所述上电极片210位于所述压电材料层220的远离所述结构层103的一侧，所述下电极片230位于所述压电材料层220的靠近所述结构层103的一侧；所述上电极片210包括相互隔离的第一电极211和第二电极212，所述压电材料层220包括相互隔离的第一压电层221和第二压电层222，所述下电极片230构成第三电极231；其中，在所述基底101的厚度方向上，所述第一电极211、所述第一压电层221以及所述第三电极231三者的投影交叠，以构成超声换能驱动单元，所述第二电极212、所述第二压电层222以及所述第三电极231三者的投影交叠，以构成超声换能检测单元。
具体地，所述第一电极和所述第二电极被配置为独立施加电位，以允许所述超声换能驱动单元和所述超声换能检测单元彼此独立的发射和接收信号，也即发射信号和接收信号之间不需要进行等待，从而提高了超声换能器的接收/发射信号的灵敏度，提升了最小检测距离。
在本实施例中，所述第三电极231分别与所述第一电极211和所述第二电极212的投影交叠。所述第一电极211、所述第二电极212、所述第三电极231可与收发器电路电耦合，且可充当单独的电极，分别提供信号发射的电极、信号接收的电极以及共同参考或者接地的电极。
示例性地，在本实施例中，通过对所述压电薄膜结构200进行光刻图案化，以分别得到超声换能驱动单元和超声换能检测单元，该超声换能驱动单元为三明治结构，例如包括依次层叠设置的第一电极211、第一压电层221和第三电极231，以用于驱动结构层103薄膜的振动，通过压电效应产生膜片的振动；该超声换能检测单元为三明治结构，例如包括依次层叠设置的第二电极212、第二压电层222和第三电极231，以用于接收结构层103薄膜的振动，通过反压电效应，将超声波振动收集为电压的输出，以制备出超声传感器。
上述的上电极片210、下电极片230可以为金属或者铟锡氧化物等，金属例如为Al、Mo或者Al或者Mo的合金。具体地，可以通过光刻蚀的方式将上电极片210刻蚀为相互隔离的第一电极211和第二电极212。
上述的结构层103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。
上述的压电材料层220包括氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)、有机压电膜、锆钛酸铅(PZT)、钙钛矿型压电膜、聚偏氟乙烯(PVDF)膜中的任意一种。具体地，可以通过光刻蚀的方式将压电材料层220刻蚀为相互隔离的第一压电层221和第二压电层222。
本实用新型实施例提供的超声传感器，旨在通过分别构建用于驱动的超声换能驱动单元和用于接收的超声换能检测单元，在不改变工艺条件下，解决了最小检测距离受限的问题，从而提升超声传感器发射和接收性能。
进一步地，为了同时提升超声换能器的发射和接收性能，所述第二电极212环绕所述第一电极211设置，且所述第二压电层222环绕所述第一压电层221设置。示例性地，将第一电极211构造为内部圆形电极，将第二电极212构成为环绕所述第一电极211的外部圆环电极。类似地，将第一压电层221构造为内部圆形压电层，将第二压电层222构造成环绕所述第一压电层221的外部圆环压电层。
进一步地，在所述基底101的厚度方向上，所述第一压电层221在所述结构层103的投影位于所述背腔107在所述结构层103上的投影的中部，所述第二压电层222在所述结构层103的投影位于所述结构层103的固定边界的附近。
本实施例利用了结构层103薄膜的振动敏感区域的分布，将用于驱动的第一电极211、第一压电层221布置于结构层103薄膜的振动形变量最大的区域，有利于在驱动结构层103薄膜的振动时，通过压电效应产生膜片较大的振动，从而进一步增强超声换能器的发射性能。
本实施例利用了结构层103薄膜的应力分布，将用于检测的第二电极212、第二压电层222布置于结构层103的固定边界的边缘区域，此处的结构层103薄膜的在弯曲期间经历不同定向的机械应力或应变最大，有利于在接收结构层103薄膜的振动时，通过反压电效应，将超声波振动收集为电压的输出，从而进一步增强超声换能器的接收性能，提升了接收信号的信号强度，进而增加了超声换能器的最远检测距离。
可选地，所述第一压电层221和所述第二压电层222为相同的压电材料，以简化制作工艺，可通过制作同一种压电材料层进行光刻蚀分离即可。
进一步地，所述第一压电层221的压电系数大于所述第二压电层222的压电系数。第一压电层221和第二压电层222的压电系数存在差异，目的也是同时增强超声换能器的发射和接收性能。
可选地，所述第一压电层221为锆钛酸铅(PZT)，所述第二压电层222为氮化铝(AlN)。
表一为锆钛酸铅(PZT)和氮化铝(AlN)的材料对比
| d33(pC/N) | Tx e33(C/m2) | ε33 | Rxd33/ε33(pC/N) | |
| PZT | 300 | 10 | 1200 | 0.25 |
| AlN | 6 | 1.55 | 9 | 0.67 |
如表一所示，锆钛酸铅(PZT)的压电系数d33和氮化铝(AlN)的压电系数d33存在明显差异。其中，ε33表示各自材料的介电常数。
并且可知，锆钛酸铅(PZT)的驱动能力(Txe33(C/m2))是氮化铝(AlN)的7倍左右，而氮化铝(AlN)的检测能力(Rxd33/ε33(pC/N))是锆钛酸铅(PZT)的3倍左右；从而可以充分利用各自压电材料的优势分别布置第一压电层和第二压电层，进而同时提升超声换能器的发射和接收性能，以提升测距距离。
在一些实施方式中，如图4所示，也可以将超声换能驱动单元和超声换能检测单元中的各个电极完全分隔开，具体地，所述下电极片230包括相互隔离的第三子电极2311和第四子电极2312；其中，在所述基底101的厚度方向上，所述第一电极211、所述第一压电层221以及所述第三子电极2311三者的投影交叠，以构成所述超声换能驱动单元，所述第二电极212、所述第二压电层222以及所述第四子电极2312三者的投影交叠，以构成所述超声换能检测单元。
在本实施例中，可以基于绝缘体上的半导体而制造超声传感器，示例性地，绝缘体上的半导体可以是例如SOI(Silicon-On-Insulator)。如图2所示，绝缘体上半导体可包括：绝缘层102、形成在绝缘层102上的结构层103以及位于所述绝缘层102下方的基底101，其中基底101又称为背衬底(或背衬底层)，结构层103可以是硅，又称顶层硅，示例性地，所述结构层103是SOI结构的顶层硅。
在其他实施例中，也可以基于硅或其他任何合适的硅基化合物或衍生物，例如SiO2而制造超声传感器，在此不做限制。
示例性地，在所述基底101靠近所述结构层103的一侧上设置有用于支撑所述结构层103的第一支撑体1021，所述第一支撑体1021位于所述基底101的边缘，使得所述结构层103悬空于所述背腔107的上方。
所述第一支撑体1021是SOI结构的中间绝缘层，由于第一支撑体1021的厚度较薄，故相比于基底101的厚度可以忽略不记。
图5是对应图3的俯视结构示意图。
示例性地，如图5所示，所述压电薄膜结构200还包括第一电极引出结构50和第二电极引出结构60，所述第一电极引出结构50和所述第二电极引出结构60均位于所述结构层的边缘；所述第一电极引出结构50包括第一焊盘51，所述第二电极引出结构60包括第二焊盘61；其中，第一焊盘51与第二焊盘61电隔离；其中，所述第一焊盘51与所述第一电极211电连接，以施加或者传递电信号，所述第二焊盘61与所述第二电极212电连接，以施加或者传递电信号。
因此，采用本实用新型实施例提供的超声传感器，旨在通过分别构建用于驱动的超声换能驱动单元和用于接收的超声换能检测单元，在不改变工艺条件下，解决了最小检测距离受限的问题，从而提升超声传感器发射和接收性能。
进一步地，所述第一电极和所述第二电极被配置为分时施加电位，以允许超声换能驱动单元和超声换能检测单元彼此独立的发射和接收信号的时序。有利于提高了超声换能器的接收/发射信号的灵敏度，提升了最小检测距离。
进一步地，在所述基底的厚度方向上，所述第一压电层在所述结构层的投影位于所述背腔在所述结构层上的投影的中部，所述第二压电层在所述结构层的投影位于所述结构层的固定边界的附近。有利于进一步增强超声换能器的发射和接收性能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种超声换能器，其特征在于，包括以层叠的方式依序设置的基底、结构层以及压电薄膜结构；
所述基底具有在其厚度方向上贯通的背腔，所述结构层覆盖所述背腔，所述压电薄膜结构包括依次层叠设置的下电极片、压电材料层、上电极片，在所述基底的厚度方向上，所述上电极片位于所述压电材料层的远离所述结构层的一侧，所述下电极片位于所述压电材料层的靠近所述结构层的一侧；
所述上电极片包括相互隔离的第一电极和第二电极，所述压电材料层包括相互隔离的第一压电层和第二压电层，所述下电极片构成第三电极；
其中，在所述基底的厚度方向上，所述第一电极、所述第一压电层以及所述第三电极三者的投影交叠，以构成超声换能驱动单元，所述第二电极、所述第二压电层以及所述第三电极三者的投影交叠，以构成超声换能检测单元；
所述第一电极和所述第二电极被配置为独立施加电位，以允许所述超声换能驱动单元和所述超声换能检测单元彼此独立的发射和接收信号。
2.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，
所述第二电极环绕所述第一电极设置，且所述第二压电层环绕所述第一压电层设置。
3.如权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，
在所述基底的厚度方向上，所述第一压电层在所述结构层的投影位于所述背腔在所述结构层上的投影的中部，所述第二压电层在所述结构层的投影位于所述结构层的固定边界的附近。
4.如权利要求3所述的超声换能器，其特征在于，
所述第一压电层和所述第二压电层为相同的压电材料。
5.如权利要求3所述的超声换能器，其特征在于，
所述第一压电层的压电系数大于所述第二压电层的压电系数。
6.如权利要求5所述的超声换能器，其特征在于，
所述第一压电层为锆钛酸铅，所述第二压电层为氮化铝。
7.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，
所述下电极片包括相互隔离的第三子电极和第四子电极；
其中，在所述基底的厚度方向上，所述第一电极、所述第一压电层以及所述第三子电极三者的投影交叠，以构成所述超声换能驱动单元，所述第二电极、所述第二压电层以及所述第四子电极三者的投影交叠，以构成所述超声换能检测单元。
8.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，
所述结构层是SOI结构的顶层硅。
9.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，
所述压电薄膜结构还包括第一电极引出结构、第二电极引出结构，所述第一电极引出结构、所述第二电极引出结构均位于所述结构层的边缘；所述第一电极引出结构包括第一焊盘，所述第二电极引出结构包括第二焊盘；
其中，所述第一焊盘与所述第一电极电连接，所述第二焊盘与所述第二电极电连接。
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|---|---|---|---|
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