【技术实现步骤摘要】
一种双频压电式微机械超声换能器及其制备方法
本专利技术属于微机电
，涉及一种超声换能器，具体是一种双频压电式微机械超声换能器及其制备方法。
技术介绍
超声技术在工业检测和生物医学中有广泛应用，比如超声探伤、超声驱动、医学成像、超声治疗、微粒操纵等。超声波可以通过如压电效应、磁致伸缩和光声效应等激发，其中，压电激发超声是最常见的。传统压电超声换能器具有三明治结构，即一层压电材料夹在两个金属电极之间。此外，在前端和后端分别加上匹配层和背衬层，就组成了一个典型的d33振动模式超声换能器。这种换能器的工作频率直接取决于压电材料层厚度，因此，换能器的几何形状和结构受到极大限制。例如，d33模式下锆钛酸铅薄膜的共振频率至少为几百兆赫兹。然而，频率过高导致衰减过快，超声穿透深度很浅，同时匹配层很难精确制作，难以应用于体内组织成像。微机械超声换能器的诞生克服了上述问题。微机械超声换能器一般分为两类，一种是基于静电力作用的电容式微机械超声换能器，另一种是基于压电作用的压电式微机械超声换能器，它们典型的振动模式都是d31模式。工作中，其振动膜发生弯曲形变，从而产生超声波。这与传...
【技术保护点】
1.一种双频压电式微机械超声换能器，整体为柱体，正多边形底面的直径为20～20000微米；由上至下依次包括金属上电极层(1)、压电薄膜层(2)、金属下电极层(3)、硅器件层(4)、埋氧层(5)、硅衬底层(6)，其特征在于：埋氧层(5)和硅衬底层(6)的中心位置开有微腔(7)；所述的微腔(7)为圆柱或棱柱形，贯穿埋氧层(5)设置，硅器件层(4)附着埋氧层(5)上，将微腔(7)的顶部封闭；所述的硅器件层(4)厚度为0.1～10微米，埋氧层(5)厚度为0.5～5微米，硅衬底层(6)厚度为200～800微米；所述的微腔(7)的直径为10～10000微米；所述的压电薄膜层(2)设置在...
【技术特征摘要】
1.一种双频压电式微机械超声换能器，整体为柱体，正多边形底面的直径为20～20000微米；由上至下依次包括金属上电极层(1)、压电薄膜层(2)、金属下电极层(3)、硅器件层(4)、埋氧层(5)、硅衬底层(6)，其特征在于：埋氧层(5)和硅衬底层(6)的中心位置开有微腔(7)；所述的微腔(7)为圆柱或棱柱形，贯穿埋氧层(5)设置，硅器件层(4)附着埋氧层(5)上，将微腔(7)的顶部封闭；所述的硅器件层(4)厚度为0.1～10微米，埋氧层(5)厚度为0.5～5微米，硅衬底层(6)厚度为200～800微米；所述的微腔(7)的直径为10～10000微米；所述的压电薄膜层(2)设置在金属上电极层(1)与金属下电极层(3)之间，包括位于同一平面的正多边形外框(2-1)和设置在外框内的圆形片(2-2)，圆形片(2-2)与微腔(7)同心设置，圆形片(2-2)的外沿与外框(2-1)各边的中间位置连接，外框(2-1)的两个顶点分别与圆形片(2-2)的外沿通过条形片连接；所述的金属上电极层(1)包括位于同一平面互不接触的两个圆环形上电极，分别为外环上电极(1-1)和内环上电极(1-2)；外环上电极(1-1)包括一体设置的条形金属片和具有开口的圆环形金属片，条形金属片一端接至圆环形金属片外沿，另一端延伸至压电薄膜层的外框(2-1)一边的中间位置；内环上电极(1-2)包括一体设置的条形金属片和完整的圆环形金属片，条形金属片一端接至圆环形金属片外沿，另一端穿过所述的开口延伸至压电薄膜层的外框(2-1)的一个顶点，并与压电薄膜层(2)的一个条形片位置对应；外环上电极(1-1)和内环上电极(1-2)的圆环形金属片均与微腔(7)同心设置，外环上电极(1-1)的圆环形金属片的外径小于微腔(7)的内径；所述的金属下电极层(3)包括位于同一平面互不接触的两个圆环形下电极，分别为外环下电极(3-1)和内环下电极(3-2)；外环下电极(3-1)包括一体设置的条形金属片和具有开口的圆环形金属片，条形金属片一端接至圆环形金属片外沿，另一端延伸至硅器件层的外框(2-1)另一边的中间位置；内环下电极(3-2)包括一体设置的条形金属片和完整的圆环形金属片，条形金属片一端接至圆环形金属片外沿，另一端穿过所述的开口延伸至压电薄膜层的外框(2-1)的另一个顶点，并与压电薄膜层(2)的另一个条形片位置对应；外环下电极(3-1)和内环下电极(3-2)的圆环形金属片均与微腔(7)同心设置，外环下电极(3-1)的圆环形金属片的外径小于微腔(7)的内径；所述的外环上电极(1-1)和外环下电极(3-1)的圆环形金属片形状和尺寸相同，位置对应；所述的外环上电极(1-1)和外环下电极的条形金属片形状和尺寸相同，分别延伸至压电薄膜层的外框(2-1)不同两边的中间位置；所述的内环上电极(1-2)和内环下电极(3-2)的圆环形金属片形状和尺寸相同，位置对应；内环上电极(1-2)和内环下电极(3-2)的条形金属片形状和尺寸相同，分别延伸至电薄膜层的外框(2-1)不同的两个顶点，电薄膜层(2)的两个条形片分别与内环上电极(1-2)和内环下电极(3-2)的条形金属片位置对应；所述的内环上电极(1-2)和内环下电极(3-2)的圆环形金属片的外圆半径Ri与内圆半径ri的比例为5:2；所述的外环上电极(1-1)和外环下电极(3-1)的圆环形金属片的外圆半径Re与内圆半径re的比例为4:3；所述的外环上电极(1-1)和外环下电极(3-1)的圆环形金属片的内圆半径re，与内环上电极(1-2)和内环下电极(3-2)的圆环形金属片的外圆半径Ri的比例为6:5。2.如权利要求1所述的一种双频压电式微机械超声换能器，其特征在于：贯穿埋氧层(5)中心位置开有通孔，硅衬底层(6)上对应该通孔位置开有盲孔，微腔(7)由该通孔和盲孔形成，为封闭的腔体，微腔(7)高度为1～10微米。3.如权利要求1所述的一种双频压电式微机械超声换能器，其特征在于：贯穿埋氧层(5)和硅衬底层(6)中心位置开有通孔，微腔(7)由该通孔形成，为一端开放的腔体。4.如权利要求1、2或3所述的一种双频压电式微机械超声换能器，其特征在于：所述的压电薄膜层(2)的材料为PZT、AlN或ZnO，厚度为0.1～10微米。5.如权利要求1、2或3所述的一种双频压电式微机械超声换能器，其特征在于：所述的金属上电极层(1)厚度为100～300纳米，为金、钛、铬、铝、铂、铜的单层或任意两种的双层金属薄膜。6.如权利要求1、2或3所述的一种双频压电式微机械超声换能器，其特征在于：所述的金属下电极层(3)厚度为100～300纳米，为金、钛、铬、铝、铂、铜的单层或任意两种的双层金属薄膜。7.制备如权利要求2所述的双频压电式微机械超声换能器的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1.在厚度为200～800微米的硅衬底上沉积0.5～5微米的SiO2,作为埋氧层(5)；步骤2.由埋氧层(5)向下刻蚀高度为1～10微米、直径为10～10000微米的柱形腔体，其中埋氧层(5)刻穿；步骤3.埋氧层(5)上覆盖厚度为0.1～10微米的硅，作为硅器件层(4)，将柱形腔体封闭，形成微腔(7)；步骤4.在硅器件层(4)上沉积厚度为100～300纳米的金属薄膜，然后通过光刻刻蚀工艺将下电极图案转移至金属薄膜上，形成金属下电极层(3)；步骤5.金属下电极层(3)上沉积厚度为0.1～10微米的PZT、AlN或ZnO，然后通过光刻刻蚀工艺将压电材料薄膜图案先后转移至压电材料薄膜，形成压电薄膜层(2)；步骤6.在压电薄膜层(2)上沉积厚度为100～300纳米的金属薄膜，然后通过光刻刻蚀工艺将上电极图案转移至金属薄膜上，形成金属上电极层(1)。8.如权利要求7所述的双频压电式微机械超声换能器的制备方法，其特征在于：所述的压电薄膜层(2)的压电材料薄膜图案为：包括位于同一平面的正多边形外框(2-1)和设置在外框内的圆形片(2-2)，圆形片(2-2)与微腔(7)同心设置，圆形片(2-2)的外沿与外框(2-1)各边的中间位置连接，外框(2-1)的两个顶点分别与圆形片(2-2)的外沿通过条形片连接；所述的金属上电极层(1)的上电极图案为：包括位于同一平面互不接触的两个圆环形上电极，分别为外环上电极(1-1)和内环上电极(1-2)；外环上电极(1-1)包括一体设置的条形金属片和具有开口的圆环形金属片，条形金属片一端接至圆环形金属片外沿，另...
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