一种平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器制造技术

本发明专利技术属于微机电技术领域，具体为一种平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器。本发明专利技术微机械超声换能器由换能器单元经延拓组成的二维结构；换能器单元结构包括双压电叠层、中性层、空腔和衬底；双压电叠层包含内外两个压电叠层，第一个压电叠层包括圆形上电极层、圆形压电层与底电极层，第二个压电叠层包括环形上电极层、环形压电层与底电极层；中性层在双压电叠层下方，为后者提供支撑作用；空腔为复合薄膜提供振动空间；衬底与空腔的结构互补，为整体结构提供固定支撑作用；本发明专利技术具有双压电叠层的换能器单元，弥补采用单一压电材料的传统器件的发射或接收性能短板，提高换能器的发射—接收环路灵敏度，提升其回波超声成像的质量。像的质量。像的质量。

【技术实现步骤摘要】
一种平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器


[0001]本专利技术属于微机电
，具体涉及一种微机械超声换能器。

技术介绍

[0002]超声成像具有无电离副作用、灵敏度高、实时成像、对组织无损伤、成本低等优点，广泛应用于医学成像、工业无损检测、物联网与智能传感等领域。超声换能器是上述应用中的关键模块，它负责将超声波信号与电信号进行转换，其所拥有的环路灵敏度性能及带宽，直接决定了成像质量与传感精度的好坏。
[0003]微机械超声换能器采用MEMS工艺加工，适合高效率制备超声换能器阵列，且有潜力与CMOS芯片实现集成，有利于提升信噪比，降低超声系统的体积和成本。微机械超声换能器的基本原理在于，通过静电力效应或压电效应，将电信号激励转换为力学激励(或相反)，从而使中心处的薄膜弯曲振动，向外挤压导声介质，实现超声波的收发。
[0004]上述微机械超声换能器的传统结构基于水平方向压电圆盘及压电圆环等多压电层构成的弯曲振动模式，在受电信号激励或导声介质挤压时，呈现出薄膜中间局部凸起的振动形态。多压电层的主要特点在于采用了两种及以上不同材料的压电薄膜，如圆形压电层1
‑
2使用氮化铝薄膜材料(AlN)，环形压电层1
‑
4使用锆钛酸铅薄膜材料(PZT)，内外两层利用了薄膜谐振的不同区域，可分别或同时进行超声波发射与接收功能，可以成倍地增加器件的环路灵敏度，且在换能器空腔部分可以进一步增加额外电极，使其与上方电极板形成对复合薄膜的静电力作用，结合压电效应共同驱动换能器工作，有效提高换能器环路灵敏度性能。因而，提高薄膜振动的环路灵敏度，降低损耗，并结合可与CMOS集成电路异质封装的潜力，有助于突破目前微机械换能器的性能与工艺瓶颈，实现高灵敏度、高集成度的微机械超声换能器阵列。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提出一种平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器，弥补单一压电材料的灵敏度性能短板，提升器件的发射—接收环路灵敏度，改善回波成像质量。
[0006]本专利技术提供的平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器，由换能器单元(也称基本单元)经二维延拓紧密排列组成；所有换能器单元为全并联，换能器单元数量为数个至数万个(例如为3
‑
80000个)；或部分换能器单元并联，以形成M
×
N阵列，M、N可为1—256(优选M、N为2—256)；所述换能器单元结构示意图见图1和图2所示，包括双压电叠层1、中性层2、空腔3和衬底4；双压电叠层1自内而外包含一圆形压电层1
‑
2以及环形压电层1
‑
4，其中圆形压电层1
‑
2的上下方又包含上电极层1
‑
1和底电极层1
‑
5，而环形压电层1
‑
4的上下方则又包含上电极层1
‑
3和底电极层1
‑
5，内外两个压电层共用一个底电极层1
‑
5，底电极层1
‑
5依据压电薄膜工艺需要，可以进一步分割为圆形底电极层1
‑5‑
1与环形底电极层1
‑5‑
2；中性层2为双压电叠层1的各部件提供支撑，使得双压电叠层1在受激产生应变时，双压电叠层1与中性层2构成的复合薄膜的应变中性面处于中性层2内；空腔3是中性层2下方的中空结
构，为中性层2的支撑结构和双压电叠层1提供振动空间；衬底4上表面和中性层2的部分下表面结合，提供固定支撑，并与空腔3互补。
[0007]所述中性层2与衬底4间为一平整接触面，通过键合工艺使两者结合。
[0008]所述空腔3是衬底4从上而下刻蚀形成的凹陷结构，为上方结构提供振动空间，因而空腔3的形状与衬底4是互补的(即为一体的)。
[0009]所述双压电叠层1的上电极层1
‑
1与底电极层1
‑
5、上电极层1
‑
3与底电极层1
‑
5分别构成电极对，用于压电层1
‑
2和压电层1
‑
4上的电场、电荷、电压的施加与采集；其中，可以通过施加不同幅度的直流偏置电压，对双压电叠层1进行静态控制；可以通过施加不同幅度与相位的交流耦合信号，对双压电叠层1进行动态激励。
[0010]进一步地，所述双压电叠层1采用两种不同材料的压电薄膜。例如，圆形压电层1
‑
2使用氮化铝薄膜材料(AlN)，环形压电层1
‑
4使用锆钛酸铅薄膜材料(PZT)；相应地，上电极层1
‑
1、1
‑
3依据压电薄膜工艺需要，材料不同；底电极层1
‑
5依据压电薄膜工艺需要，可进一步分割为圆形底电极层与环形底电极层，一方面满足工艺加工需求，一方面提高器件工作的电连接方案。
[0011]进一步地，所述中性层2与衬底4之间为一平整接触面，通过键合工艺使两者结合；当空腔3不包含额外电极层时，中性层2与衬底4结合的结构关系及复合薄膜振动所需的空腔3空间可通过背部深刻蚀等工艺，在衬底晶圆上进行通孔刻蚀以实现。
[0012]本专利技术中，双压电叠层1中，一个上电极层1
‑
1，一个压电层1
‑
2，底电极层1
‑
5和中性层2的支撑部分都为圆形，且上电极层1
‑
1比压电层1
‑
2面积小，底电极层比压电层面积大；双压电叠层1中，另一个上电极层1
‑
3，另一个压电层1
‑
4为环形，且上电极层1
‑
3比压电层1
‑
4面积小，底电极层比压电层面积大；当上电极层1
‑
1及上电极层1
‑
3只覆盖部分压电层，或压电层只占据部分的中性层2的支撑结构时，所述上电极层1
‑
1与底电极层1
‑
5构成的电极对在施加电场时、以及上电极层1
‑
3与底电极层1
‑
5构成的电极对在施加电场时，压电层的应变响应可以更加集中于振膜所具有的特征谐振模态的弯曲部分，从而提高结构受激振动的效率和灵敏度；内外两个压电层可以紧贴或者留有一定间距避免短路或工艺污染。
[0013]本专利技术中，引入静电力效应与压电效应共同工作，可以进一步加强所述微机械超声换能器的环路灵敏度。具体是在空腔3的底部，进一步包含一薄的电极层5，电极层5与底电极层1
‑
5构成一对电极对，其间保留有必要的间隙，以提供振动空间，并防止静电吸附；所述电极对可以施加直流偏置电压，以及交流耦合信号，基于静电力效应，对双压电叠层1和中性层2构成的复合薄膜的形态进行控制和激励。
[0014]本专利技术中，对于电极层5与电极层1
‑
5构成的电极对施加电压，使得复合薄膜与电极层5贴合的临界电压，定义为塌陷电压；而电容空腔3工作所需的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器，其特征在于，由换能器单元经二维延拓紧密排列组成；所有换能器单元为全并联，换能器单元数量为数个至数万个；或部分并联的换能器单元以形成M
×
N阵列，M、N为1—256；所述换能器单元的结构包括双压电叠层(1)、中性层(2)、空腔(3)和衬底(4)；双压电叠层包含内外两个压电叠层，其中第一个压电叠层包括圆形上电极层(1
‑
1)、圆形压电层(1
‑
2)与底电极层(1
‑
5)，第二个压电叠层包括环形上电极层(1
‑
3)、环形压电层(1
‑
4)与底电极层(1
‑
5)，两个压电叠层共用底电极层(1
‑
5)；中性层(2)在双压电叠层(1)下方，为后者提供支撑作用；空腔(3)位于中性层(2)下方，为复合薄膜提供振动空间；衬底(4)与空腔(3)的结构互补，为整体结构提供固定支撑作用；所述中性层(2)与衬底(4)间为一平整接触面，通过键合工艺使两者结合；所述双压电叠层(1)的圆形上电极层(1
‑
1)与底电极层(1
‑
5)构成电极对，环形上电极层(1
‑
3)与底电极层(1
‑
5)构成电极对，用于施加与采集压电层(1
‑
2与1
‑
4)上的电场、电荷或电压信息；其中，通过施加直流偏置电压，对压电层(1
‑
2与1
‑
4)进行静态控制；通过施加交流耦合信号，对压电层(1
‑
2与1
‑
4)进行动态激励。2.根据权利要求1所述的微机械超声换能器，其特征在于，所述双压电叠层(1)中，一个上电极层(1
‑
1)，一个压电层(1
‑
2)，底电极层(1
‑
5)和中性层(2)的支撑部分都为圆形，且上电极层(1
‑
1)比压电层(1
‑
2)面积小，底电极层比压电层面积大；双压电叠层(1)中，另一个上电极层(1
‑
3)，另一个压电层(1
‑
4)为环形，且上电极层(1
‑
3)比压电层(1
‑
4)面积小，底电极层比压电层面积大；当上电极层(1
‑
1)及上电极层(1
‑
3)只覆盖部分压电层，或压电层只占据部分的中性层(2)的支撑结构时，所述上电极层(1
‑
1)与底电极层(1
‑
5)构成的电极对在施加电场时、...

【专利技术属性】
技术研发人员：任俊彦，何勒铭，吕宁，王言，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：