一种压电式MEMS超声换能器

一种压电式mems超声换能器
技术领域
1.本发明属于压电式超声换能器技术领域，特别涉及一种压电式mems超声换能器。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.针对背景技术存在的问题，本发明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。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：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。
7.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。
8.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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.与现有技术相比，本发明提出的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
17.图1为本发明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；
18.其中，101-衬底、102-内电极、103-外电极、104-屏蔽电极；
19.图2为本发明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；
20.图3为本发明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；
21.图4(a)为本发明实施例1的换能器单元截面结构示意图；
22.其中，201-衬底、202-氧化硅层、203-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；
23.图4(b)为本发明实施例1的换能器单元上电极电气结构俯视示意图；
24.实施例1中：301-内电极、302-外电极、303-屏蔽电极
25.图5为本发明实施例2的换能器单元截面结构示意图；
26.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、406-顶电极层、407-电气连接层；
27.图6为本发明实施例3的换能器单元截面结构示意图；
28.实施例3中：501-衬底、502-氧化硅层、503-硅结构层、504-电介质层、505-底电极层、506-压电材料层、507-顶电介质层、508-顶电极层、509-电气连接层；
29.图7为本发明一个实施例换能器阵列在电学上相互串联截面结构示意图：
30.其中，601-衬底、602-氧化硅层、603-硅结构层、604-电介质层、605-底电极层、606-压电材料层、607-顶电介质层、608-顶电极层、609-电气连接层。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
34.本实施例提出了一种基于屏蔽层单端接地或悬空电位技术的低寄生电容mems压电式超声换能器。通过在内外电极之间增加接地或悬空电位的屏蔽层结构，减少内外电极之间的寄生电容，从而提高mems压电式超声换能器的接收/发射灵敏度。
35.本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种压电式mems超声换能器，底电极层和顶电极层至少一种是由内电极、屏蔽电极和外电极组成，其中底电极层或顶电极层以换能器单元几何中心作为原点，电极层由内向外依次排布内电极、屏蔽电极和外电极。
36.而且，mems超声换能器可由若干换能器阵列组成，换能器阵列在电学上相互串联。压电式mems超声换能器阵列由若干个规则几何形换能器单元按等距离间隔排布组成，换能器单元在电学上相互并联。
37.而且，换能器单元由带有空腔的衬底硅片和换能器结构层两部分组成，其中换能器结构层位于衬底硅片上方并与衬底硅片固定结合，将衬底空腔形成密封腔室。
38.而且，换能器结构层从上到下依次由氧化硅层、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。
39.而且，内电极、屏蔽电极和外电极结构形状可以为圆形、正方形或正六边形，由此形成的同形状换能器单元按照优化规则排布成换能器单元阵列形成换能器。
40.而且，衬底硅片的空腔可以为方形、圆形或者六方形结构，其中底电极层和顶电极层至少一种是与衬底硅片空腔所对应的形状，衬底硅片凹腔、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。
41.而且，屏蔽电极沿底电极或顶电极一者或两者的换能器单元零应变轴线布置，内
电极和外电极在轴线内外布置，极性相反。
42.而且，各个阵元的底电极层或顶电极层上的内电极、屏蔽电极和外电极分别通过电气连接层相互连接，所有换能器单元在电学上相互并联，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，用来实现内电极与外电极之间的电学隔离、减小电学串扰。
43.而且，硅结构层可以是单晶硅、多晶硅或非晶硅。压电层材料可以是氮化铝(aln)、氧化锌(zno)或锆钛酸铅(pzt)。顶电介质层可以是氧化硅或者氮化硅。电极层为金属导电薄膜，优选为钼(mo)、铂(pt)、金(au)或铝(al)。电气连接层为金属导电材料，选为钼(mo)、铂(pt)、金(au)或铝(al)。
44.而且，换能器结构层可以采用重掺杂的硅结构层作为底电极层。
45.而且，氧化硅层可以布置于换能器单元的顶部和底部中的二者之一或者全部。
46.具体实施时，如图1所示，为低寄生电容mems换能器电气排列连接结构的俯视示意图，压电式mems超声换能器具体包括：一个具有正六边形真空凹腔结构的衬底101；屏蔽电极104沿换能器单元零应变线布置；内电极102和外电极103沿换能器单元零应变线在线内外两侧布置；内电极102、外电极103和屏蔽电极104的电气连接孔分别沿换能器单元中心轴线与距离换能器单元中心轴线固定距离处布置。
47.内电极焊盘、外电极焊盘以及屏蔽电极焊盘固定于换能器底部两侧；底电极焊盘固定于换能器顶部；电气连接线通过连接孔将顶电极进行连接。各换能器阵列的屏蔽电极通过电气连接层相互连接，并连接到换能器上的屏蔽电极焊盘，通过导线实现接地或者悬空电位。
48.如图2所示，为不带屏蔽层结构的同形状换能器对比示意图。
49.如图3所示，为不同形状带屏蔽层结构的换能器示意图。
50.实施例1：
51.如图4(a)所示，换能器单元截面结构示意图，一种压电式mems超声换能器包括：
52.一个具有正六边形真空凹腔结构的衬底201；
53.一个从下到上依次由氧化硅层202、硅结构层203、电介质层204、底电极层205、压电材料层206、顶电介质层207、顶电极层208和电气连接层209堆叠组成的换能器结构层。
54.图4(b)所示，为本实施例的换能器单元电气结构的俯视示意图。内电极301、外电极302沿换能器阵元零应变线在线内外两侧布置，屏蔽电极303沿换能器单元零应变线布置。内电极301的电气连接孔、外电极302的电气连接孔和屏蔽层303的电气连接孔分别沿换能器单元中心轴线与离换能器单元中心轴线固定距离处布置。
55.实施例2：
56.如图5所示，换能器结构层可以采用重掺杂的硅结构层作为底电极层，即所述的换能器结构层从下到上依次由氧化硅层402、硅结构层(重掺杂)403、压电材料层404、顶电介质层405、顶电极层406和电气连接层407堆叠组成。
57.实施例3：
58.如图6所示，在实施例1的基础上底电极层505图形化与顶电极层508的内电极、屏蔽层和外电极结构相对应。
59.实施例4：
60.如图7所示，换能器阵列可由若干换能器单元组成；若干换能器单元在电学上相互串联。
61.实施例1、2、3、4中底电极、顶电极和屏蔽电极的电气连接材料为钼(mo)，因为钼(mo)材料具有与氮化铝(aln)声阻抗匹配、耐高温、使用寿命长等优点。顶电介质层材料为二氧化硅(sio2)，电气连接层的材料为铝(al)。
62.压电材料层材料是指受到拉伸或者压缩表面会聚集正极或者负极电荷的材料。在微电子机械系统中常用的压电材料包括了石英、钛酸钡(batio3)、pzt以及aln等。在实施例1、2、3、4中优选aln作为压电材料。aln材料具有较低的沉积温度(低于400℃)，介电常数小，介电损耗低，压电系数好，在传感器应用中有着更加优越的性能。
63.以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。