一种压电式MEMS超声换能器制造技术

本发明专利技术属于压电式超声换能器技术，具体涉及一种压电式MEMS超声换能器，换能器单元包括带有空腔的衬底硅片和换能器结构层，换能器结构层位于衬底硅片上方并与衬底硅片固定结合，使衬底空腔形成密封腔室；换能器结构层从下到上依次由氧化硅层、硅结构层、电介质层、底电极层、压电材料层、顶电极层、顶电介质层和电气连接层堆叠组成；底电极层和顶电极层至少一层以换能器单元几何中心作为原点由内向外依次排布内电极、屏蔽电极和外电极。该换能器通过屏蔽电极接地或悬空电位，使内外电极产生电学隔离，减小了电学串扰，降低了换能器的寄生电容，提高了换能器的接收/发射灵敏度，结构简单、灵敏度高。敏度高。敏度高。

【技术实现步骤摘要】
一种压电式MEMS超声换能器


[0001]本专利技术属于压电式超声换能器
，特别涉及一种压电式MEMS超声换能器。

技术介绍

[0002]随着微电子机械系统(Micro Electromechanical System,MEMS)和微纳米技术的迅速发展，超声换能器的制造进入了一个全新的阶段。超声换能器是一种用于发射和检测超声波的器件，广泛应用于水下通讯、医疗成像、工业控制，以及消费电子等领域。目前超声换能器主要有电容式超声换能器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,CMUT)和压电式超声换能器(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic 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。
[0003]PMUT一般由压电膜、上下电极和振动膜等组成。当其处于发射模式时，在压电膜的上下电极之间施加一定的电压，由于压电膜逆压电效应，产生的压力使膜结构发生弯曲，从而引起振动膜发生形变。当施加交变电压时，将使振动膜产生振动，向外辐射声压，从而实现由电能向声能的转化。当其处于接收模式时，振动膜由于外界声压的作用而发生形变，并使压电膜发生形变，由于压电效应而产生相应的电荷，从而将声能转化为电能，然后通过接收电路实现声信号的接收。
[0004]目前已有的高性能PMUT通过在电极层设计内外两个电极增加驱动性能来提高接收/发射灵敏度，但是同一电极层存在的内外电极之间会产生较大的寄生电容，大的寄生电容会降低换能器的接收/发射灵敏度。

技术实现思路

[0005]针对
技术介绍
存在的问题，本专利技术提供一种低寄生电容MEMS换能器，以提高换能器的接收/发射灵敏度。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种压电式MEMS超声换能器，MEMS超声换能器包括若干换能器阵列，换能器阵列包括若干个换能器单元按照等距离间隔排布；换能器单元包括带有空腔的衬底硅片和换能器结构层，换能器结构层位于衬底硅片上方并与衬底硅片固定结合，使衬底空腔形成密封腔室；换能器结构层从下到上依次由氧化硅层、硅结构层、电介质层、底电极层、压电材料层、顶电极层、顶电介质层和电气连接层堆叠组成；底电极层和顶电极层至少一层以换能器单元几何中心作为原点由内向外依次排布内电极、屏蔽电极和外电极。
[0007]在上述压电式MEMS超声换能器中，底电极和顶电极之一或两者都依据换能器单元的应力分布，沿换能器单元零应变轴线，在轴线上布置屏蔽电极，在轴线内外两侧分别布置内电极和外电极；内电极和外电极为一对极性相反的电极对。
[0008]在上述压电式MEMS超声换能器中，内电极、屏蔽电极和外电极分别通过电气连接层相互连接；所有换能器单元的屏蔽电极相互连接；内电极和外电极为信号输入或输出电
极，屏蔽电极为接地或悬空电位，用于实现内电极与外电极之间的电学隔离。
[0009]在上述压电式MEMS超声换能器中，衬底硅片空腔、内电极、屏蔽电极和外电极的几何中心在换能器单元垂直方向的几何中心线上。
[0010]在上述压电式MEMS超声换能器中，换能器单元为正方形、圆形或者正六边形结构，若干个换能器单元按照优化规则排布成换能器单元阵列从而形成换能器；衬底硅片的空腔为正方形、圆形或者正六边形结构；底电极层和顶电极层至少有一层对应衬底硅片空腔的形状。
[0011]在上述压电式MEMS超声换能器中，换能器结构层采用重掺杂的硅结构层作为底电极层，换能器结构层从下到上依次由氧化硅层、重掺杂的硅结构层、压电材料层、顶电极层、顶电介质层和电气连接层堆叠组成。
[0012]在上述压电式MEMS超声换能器中，换能器结构层中的氧化硅层与换能器单元结构保持一致；氧化硅层布置于换能器单元的底部、或者布置于换能器单元的顶部、或者同时布置于换能器单元的底部和顶部。
[0013]在上述压电式MEMS超声换能器中，硅结构层为单晶硅、多晶硅、或非晶硅；压电材料层为氮化铝、氧化锌、或锆钛酸铅；内电极、屏蔽电极和外电极材料为金、铝、钼、铂、铜、钨、铬中的任意一种；顶电介质层为氧化硅或者氮化硅。
[0014]在上述压电式MEMS超声换能器中，内电极尺寸为衬底硅片上空腔尺寸的40％～80％，优选值为75％；内电极的尺寸保证底电极层和/或顶电极层的内电极区域以及外电极区域应力同为拉伸应力，或者同为压缩应力；屏蔽电极位于零应力轴线。
[0015]在上述压电式MEMS超声换能器中，换能器阵列在电学上相互串联；换能器单元在电学上相互并联。
[0016]与现有技术相比，本专利技术提出的MEMS换能器通过在顶电极层和底电极层至少一层布置内电极、屏蔽电极和外电极三层结构，内电极和外电极之间布置了一圈金属屏蔽电极，并且金属屏蔽电极单端接地或悬空电位，减小内外电极之间的电学串扰，提高了换能器的接收/发射灵敏度；与传统的只有内外电极的MEMS超声换能器相比，屏蔽电极接地或者悬空电位可以有效降低同一阵元内外电极之间的寄生电容，实现内外电极之间的电学隔离，减小电学串扰，从而提高换能器的电学性能。且结构简单、灵敏度高。
附图说明
[0017]图1为本专利技术一个实施例换能器阵列压电层和上电极的连接电气排列俯视示意图；
[0018]其中，101
‑
衬底、102
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内电极、103
‑
外电极、104
‑
屏蔽电极；
[0019]图2为本专利技术一个实施例换能器对应的传统换能器压电层和上电极的连接电气排列俯视示意图；
[0020]图3为本专利技术一个实施例不同形状带屏蔽层的换能器阵列压电层和上电极的连接电气排列俯视示意图；
[0021]图4(a)为本专利技术实施例1的换能器单元截面结构示意图；
[0022]其中，201
‑
衬底、202
‑
氧化硅层、203
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硅结构层、204
‑
电介质层、205
‑
底电极层、206
‑
压电材料层、207
‑
顶电介质层、208
‑
顶电极层、209
‑
电气连接层；
[0023]图4(b)为本专利技术实施例1的换能器单元上电极电气结构俯视示意图；
[0024]实施例1中：301
‑
内电极、302
‑
外电极、303
‑
屏蔽电极
[0025]图5为本专利技术实施例2的换能器单元截面结构示意图；
[0026]实施例2中：401
‑
衬底、402
‑
氧化硅层、403
‑
硅结构层(重掺杂)、404
‑
压电材料层、405
‑
顶电介质层、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压电式MEMS超声换能器，MEMS超声换能器包括若干换能器阵列，换能器阵列包括若干个换能器单元按照等距离间隔排布；换能器单元包括带有空腔的衬底硅片和换能器结构层，换能器结构层位于衬底硅片上方并与衬底硅片固定结合，使衬底空腔形成密封腔室；换能器结构层从下到上依次由氧化硅层、硅结构层、电介质层、底电极层、压电材料层、顶电极层、顶电介质层和电气连接层堆叠组成；其特征在于：底电极层和顶电极层至少一层以换能器单元几何中心作为原点由内向外依次排布内电极、屏蔽电极和外电极。2.根据权利要求1所述压电式MEMS超声换能器，其特征在于：底电极和顶电极之一或两者都依据换能器单元的应力分布，沿换能器单元零应变轴线，在轴线上布置屏蔽电极，在轴线内外两侧分别布置内电极和外电极；内电极和外电极为一对极性相反的电极对。3.根据权利要求1所述压电式MEMS超声换能器，其特征在于：内电极、屏蔽电极和外电极分别通过电气连接层相互连接；所有换能器单元的屏蔽电极相互连接；内电极和外电极为信号输入或输出电极，屏蔽电极为接地或悬空电位，用于实现内电极与外电极之间的电学隔离。4.根据权利要求1所述压电式MEMS超声换能器，其特征在于：衬底硅片空腔、内电极、屏蔽电极和外电极的几何中心在换能器单元垂直方向的几何中心线上。5.根据权利要求1所述压电式MEMS超声换能器，其特征在于：换能器单元为正方形、圆形或者正六边形结构，若干个换能...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴国强，姚运昕，贾利成，肖宇豪，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：