多频率的压电超声发生器的制作方法

本实用新型涉及一种多频率的压电超声发生器及其制备方法，属于超声、微电子机械系统技术领域。

背景技术：

超声波是一种频率高于20000 赫兹的声波，超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性，因而通过超声波产生、传播及接收的过程从而完成一种超声技术。

近20多年来，随着MEMS技术的飞速发展，对MEMS悬臂梁结构进行深入的研究，使得MEMS技术应用于超声发生器成为可能。超声技术在生物医学、能量收集等领域中有着广泛的应用。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种多频率的压电超声发生器，通过采用MEMS悬臂梁技术设计了不同长度的MEMS悬臂梁，从而实现超声发生器的频率性选择。该超声发生器具有结构小型化，操作简单，易集成等特点。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本实用新型提供一种多频率的压电超声发生器，该压电超声发生器以硅为衬底，在硅衬底上设有MEMS悬臂梁下拉电极和MEMS悬臂梁桥墩；所述MEMS悬臂梁桥墩上设有MEMS悬臂梁阵列，所述MEMS悬臂梁阵列中的每个MEMS悬臂梁的一端固定在MEMS悬臂梁桥墩上，另一端为自由端；每个MEMS悬臂梁下方分别设置一个MEMS悬臂梁下拉电极，每个MEMS悬臂梁下拉电极上设置有压电材料层。

作为本实用新型的进一步优化方案，MEMS悬臂梁阵列中的每个MEMS悬臂梁长度均不相同。

作为本实用新型的进一步优化方案，MEMS悬臂梁阵列中的MEMS悬臂梁数目为5。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述硅衬底为高阻硅SOI衬底。

作为本实用新型的进一步优化方案，压电材料为ZnO。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、该压电超声发生器具有不同长度的MEMS悬臂梁阵列结构，因此可以产生不同频率的超声信号，可以是一系列频率离散的超声信号，也可以是频率连续的超声信号；

2、该压电超声发生器具有不同长度的MEMS悬臂梁阵列结构，因此可以提高系统的超声产生的效率，而且可以改善系统频率的容错误差；

3、该压电超声发生器采用的是MEMS悬臂梁结构,因此该结构具有体积小、重量轻，易于其它器件集成，如植入式生物芯片。

附图说明

图1是不同长度MEMS悬臂梁阵列结构的压电超声发生器的俯视图。

图2是单频率的压电超声发生器的截面图。

图中：1为硅衬底，2为MEMS悬臂梁下拉电极，3为MEMS悬臂梁，4为MEMS悬臂梁桥墩，5为压电材料ZnO层，6为MEMS悬臂梁固定端，7为MEMS悬臂梁自由端。

图3是上下极板之间加上电压激励后单频率的压电超声发生器的截面图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

本实用新型提供一种多频率的压电超声发生器，以高阻硅为衬底1，在衬底上设计有MEMS悬臂梁下拉电极2、不同长度的MEMS悬臂梁3阵列、压电材料ZnO层5。如图1所示，将不同长度的MEMS悬臂梁阵列与MEMS悬臂梁下拉电极作为电容器的两个平行导电板，中间有一定间隔。不同长度的MEMS悬臂梁一端作为固定端固定在桥墩4上，另一端作为自由端可以上下移动。

如果在MEMS悬臂梁下拉电极2和MEMS悬臂梁3之间施加电压，由于MEMS悬臂梁固定端6不可移动而MEMS悬臂梁自由端7可上下移动，当施加电压后MEMS悬臂梁3在静电力作用下会弯曲。当弯曲足够大时，MEMS悬臂梁自由端7会接触到压电材料ZnO 5上，此时MEMS悬臂梁下拉电极2与MEMS悬臂梁3之间的电势差减小，静电力减小，在MEMS悬臂梁3的弹性回复力作用下，MEMS悬臂梁3恢复到初始位置。然后，静电力又再次将MEMS悬臂梁向下拉动，反复此过程。由于MEMS悬臂梁3具有不同的长度，特征频率也不同，从而此结构可以产生多频率的超声波。

单频率的压电超声发生器如图2所示，在上下极板之间加上电压激励，当电压到达一定值时，MEMS悬臂梁自由端会在静电力作用下开始弯曲。该静电力的大小取决于加在两端的电压大小、平行电极板间距以及MEMS悬臂梁的长短。当弯曲达到一定程度时，MEMS悬臂梁自由端会接触到压电材料ZnO如图3所示，这时就相当于将电容器正负极板接通，电容器放电，静电力消失。在弹性回复力的作用下，MEMS悬臂梁会恢复到初始位置。然后，静电力又再次将MEMS悬臂梁向下拉动，反复此过程，从而产生与MEMS悬臂梁特征频率相同的超声波，MEMS悬臂梁长度不同，特征频率不同。在重复过程中，由于MEMS悬臂梁长度不同，本征频率不同，因此可以产生多频率的压电超声波，超声波频率可以实现从20kHz到800kHz范围。

本实用新型多频率的压电超声发生器采用五个不同长度的MEMS悬臂梁阵列，每个MEMS悬臂梁下方各设置了一个MEMS悬臂梁下拉电极和一个压电材料ZnO。通过在MEMS悬臂梁下拉电极与MEMS悬臂梁之间施加电压，由于静电力，这样不同长度的MEMS悬臂梁就会有不同程度的弯曲。当弯曲达到一定程度时，MEMS悬臂梁就会接触到压电材料ZnO，这时静电力减小甚至消失，MEMS悬臂梁就会恢复到初始位置，当MEMS悬臂梁离开压电材料ZnO时，静电力逐渐恢复，再次将MEMS悬臂梁下拉，如此反复。由于MEMS悬臂梁阵列中具有不同的长度，特征频率不同，从而实现多频率的超声波。

多频率的压电超声发生器的其制备方法为：

（1）准备硅衬底：选用的是高阻硅SOI衬底；

（2）光刻：去除在MEMS悬臂梁下拉电极，MEMS悬臂梁桥墩上的光刻胶；

（3）溅射金：形成MEMS悬臂梁下拉电极和MEMS悬臂梁桥墩，厚度为0.5μm；

（4）淀积压电材料ZnO层：用等离子体增强化学气相淀积法工艺在MEMS悬臂梁下拉电极上生长1μm厚度的压电材料ZnO层；

（5）淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：涂覆1μm厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满凹坑，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了不同长度MEMS悬臂梁与MEMS悬臂梁下拉电极之间的高度，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留悬臂梁下的牺牲层；

（6）电镀金；电镀不同长度MEMS悬臂梁，金的厚度为1μm；

（7）释放牺牲层；用显影液释放不同长度MEMS悬臂梁结构下方的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬浮的不同长度MEMS悬臂梁结构。

区分是否为该结构的标准如下：

该超声发生器结构采用五个长度不同的MEMS悬臂梁阵列结构。工作原理为：通过对不同长度MEMS悬臂梁阵列和MEMS悬臂梁下拉电极施加直流电压，这样在静电力作用下不同长度MEMS悬臂梁就会有不同程度的弯曲。当弯曲达到一定程度时，就会与压电材料ZnO接触，静电力减小甚至消失，弹性力使得MEMS悬臂梁恢复到初始位置。然后静电力逐渐恢复，重复上述过程，不同长度的MEMS悬臂梁产生振动，产生超声波。由于MEMS悬臂梁阵列中具有不同的长度，特征频率不同，从而实现多频率的超声波。

满足以上条件的结构即视为本实用新型的多频率的压电超声发生器。

以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。