仿郎之万振子的压电MEMS超声换能器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种仿郎之万振子的压电MEMS超声换能器及其制备方法，包括由下至上依次设置的第一硅层、第一电极层、压电层、第二电极层和第二硅层；其中：第一硅层上设有多个阵列单元，阵列单元之间通过沟槽隔开，沟槽贯穿压电层和第二电极层，第二电极层通过沟槽被划分为多个第二电极层单元；第二硅层包括多个呈台阶状的凸起结构，凸起结构分别位于第二电极层单元上；凸起结构包括同轴设置的上层第二硅层和下层第二硅层，上层第二硅层远离第二电极层单元；上层第二硅层的面积小于下层第二硅层的面积。本发明专利技术实现了仿郎之万振子的d

【技术实现步骤摘要】
仿郎之万振子的压电MEMS超声换能器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及MEMS超声换能器
，具体地，涉及一种仿郎之万振子的压电MEMS超声换能器及其制备方法。

技术介绍

[0002]超声在工业和生物医学领域的应用越来越广泛，例如在无损评估、超声驱动、医学成像、治疗性超声以及粒子和细胞操作等诸多领域。超声可以通过许多不同的方法来激发，包括压电效应、磁致伸缩和光声效应。其中，压电效应是最常见也是最常用的。传统压电式超声换能器(郎之万超声换能器)通常有一层压电材料，中间是薄的高导电性电极层，如Au或Pt，通常下面还有一层附着力层，如Cr或Ti，并与电线相连。这种传统的超声换能器采用压电材料的纵向振动模态(d
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振动模态)。但是这种郎之万超声换能器尺寸过大，在很多场合的应用受到了极大的限制。
[0003]随着微机电系统(MEMS)技术的快速发展，基于电容式(cMUT)和压电式(pMUT)的微机械超声换能器，可以显著减小器件的尺寸，用于各种复杂的高分辨率的应用，而低功耗和更好的声学阻抗匹配介质使其具有更广泛的应用场景。一般来说，cMUT有很高的机电耦合系数，但是其具有有限的垂直变形、非线性驱动效应和高直流偏置电压的缺点。随着压电材料技术的进步，pMUT开始逐渐成为cMUT的替代选择。目前应用最广泛的压电薄膜材料是钛酸锆铅(PZT)和氮化铝(AlN)。相比AlN，PZT具有更好的压电性能，所以其常用于需要高性能器件的场合。
[0004]经过针对现有技术的检索发现：
[0005]Chao Wang,Zheyao Wang等人在IEEE SENSORS JOURNAL撰写了“A Micromachined Piezoelectric Ultrasonic Transducer Operating in d
33 Mode Using Square Interdigital Electrodes”，报道了一种工作在d
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模式下的(pMUT)，顶电极采用方形的叉指电极，面内极化和叉指电极使pMUT工作在d
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模式下，使PZT将超声压力诱导的面内应力转化为面内方向电荷；方形的叉指电极充分利用膜片的应力从而提高器件的灵敏度和增加器件电容，通过改变方形叉指电极的尺寸而不是PZT薄膜的厚度来优化pMUT。这种工作在d
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模态的pMUT有较大的超声发射/接收面积，适合用于要求高指向性的超声应用。
[0006]Yuri Kusano,Itaru Ishii等人在IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS,FERROELECTRICS,AND FREQUENCY CONTROL撰写了“High
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SPL Air
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Coupled Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers Based on 36％ScAlN Thin
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Film”，报道了一种高性能36％掺钪氮化铝(ScAlN)薄膜的pMUT，其压电系数比AlN高2倍，在100kHz的工作频率下，其在10cm处的声压级为105dB，而在2m范围内的衰减只有30dB。
[0007]S Sadeghpour,M Kraft等人在Journal ofMicromechanics and Microengineering撰写了“Design and fabrication strategy for an efficient lead zirconate titanate based piezoelectric micromachined ultrasound transducer”，介绍了基于PZT薄膜的pMUT的设计与制作方法，以提高pMUT的性能，采用有限元模拟和解析
方程的方法，研究了压电陶瓷的最佳厚度、电极半径以及残余应力对压电陶瓷谐振频率的影响。
[0008]综上所述：目前报道的压电MEMS超声换能器，多采用d
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振动模态，而且由于工艺限制，压电薄膜的厚度难以提升，导致声压级和指向性限制较大，对于d
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模态，目前只能采用叉指电极的方法来实现。对于同时具有尺寸小、采用厚膜制备和通过匹配层增强声压输出等优点的压电MEMS超声换能器目前未见报道。

技术实现思路

[0009]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种仿郎之万振子的压电MEMS超声换能器及其制备方法。
[0010]根据本专利技术的一个方面，提供一种仿郎之万振子的压电MEMS超声换能器，该压电MEMS超声换能器包括由下至上依次设置的第一硅层、第一电极层、压电层、第二电极层和第二硅层；其中：
[0011]所述第一硅层上设有多个阵列单元，所述阵列单元之间通过沟槽隔开，所述沟槽贯穿所述压电层和所述第二电极层，所述第二电极层通过所述沟槽被划分为多个第二电极层单元；
[0012]所述第二硅层包括多个呈台阶状的凸起结构，所述凸起结构分别位于所述第二电极层单元上；
[0013]所述凸起结构包括同轴设置的上层第二硅层和下层第二硅层，所述上层第二硅层远离所述第二电极层单元；所述上层第二硅层的面积小于所述下层第二硅层的面积。
[0014]进一步地，多个所述阵列单元的排列形状为矩形阵列或者环形阵列。
[0015]进一步地，所述上层第二硅层和所述下层第二硅层的厚度相等，均为所述第二硅层的厚度的一半。
[0016]进一步地，所述压电MEMS超声换能器还包括引线，所述引线用于将每个阵列单元的第一电极层和第二电极层引出。
[0017]根据本专利技术的第二方面，提供一种上述的仿郎之万振子的压电MEMS超声换能器的制备方法，该方法包括：
[0018]提供两片双抛硅片，其中，第二硅片的厚度大于第一硅片的厚度；
[0019]在所述第一硅片的一侧形成第一金属层，在所述第二硅片的一侧形成第二金属层；
[0020]提供一压电材料片，将所述压电材料片的两侧分别与所述第一金属层和所述第二金属层相粘接；
[0021]在所述第二硅片远离所述压电材料片的一侧沉积一层氧化层或金属层，并通过光刻形成图案，然后再刻蚀氧化层或金属层作为第一硬掩模；
[0022]光刻形成图案后，深硅刻蚀所述第二硅片，刻蚀到第二硅片厚度的一半时停止刻蚀；
[0023]洗去光刻胶后，利用所述第一硬掩模深硅刻蚀所述第二硅片剩下的硅层，刻蚀到所述第二金属层后停止刻蚀；
[0024]提供第二硬掩模，将所述第二硬掩模粘接到所述第二金属层上，利用所述第二硬
掩模刻蚀掉所述第二金属层；
[0025]刻蚀掉所述压电材料层，从而露出所述第一金属层，形成位于所述第一硅片上的多个阵列单元，得到仿郎之万振子的压电MEMS超声换能器。
[0026]进一步地，两片所述双抛硅片的厚度根据材料的声速和需要的共振频率确本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿郎之万振子的压电MEMS超声换能器，其特征在于，包括由下至上依次设置的第一硅层、第一电极层、压电层、第二电极层和第二硅层；其中：所述第一硅层上设有多个阵列单元，所述阵列单元之间通过沟槽隔开，所述沟槽贯穿所述压电层和所述第二电极层，所述第二电极层通过所述沟槽被划分为多个第二电极层单元；所述第二硅层包括多个呈台阶状的凸起结构，所述凸起结构分别位于所述第二电极层单元上；所述凸起结构包括同轴设置的上层第二硅层和下层第二硅层，所述上层第二硅层远离所述第二电极层单元；所述上层第二硅层的面积小于所述下层第二硅层的面积。2.根据权利要求1所述的仿郎之万振子的压电MEMS超声换能器，其特征在于，多个所述阵列单元的排列形状为矩形阵列或者环形阵列。3.根据权利要求1所述的仿郎之万振子的压电MEMS超声换能器，其特征在于，所述上层第二硅层和所述下层第二硅层的厚度相等，均为所述第二硅层的厚度的一半。4.根据权利要求1所述的仿郎之万振子的压电MEMS超声换能器，其特征在于，所述压电MEMS超声换能器还包括引线，所述引线用于将每个阵列单元的第一电极层和第二电极层引出。5.一种权利要求1
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4任一项所述的仿郎之万振子的压电MEMS超声换能器的制备方法，其特征在于，包括：提供两片双抛硅片，其中，第二硅片的厚度大于第一硅片的厚度；在所述第一硅片的一侧形成第一金属层，在所述第二硅片的一侧形成第二金属层；提供一压电材料片，将所述压电材料片的两侧分别与所述第一金属层和所述第二金属层相粘接；在所述第二硅片远离所述压电材料片的一侧沉积一层氧化层或金属层，并通过光刻形成图案，然...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘景全，阮涛，王淇，徐庆达，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：