一种组合式薄膜pMUTs及其制备方法与流程

本发明涉及mems(micro-electromechanicalsystems)超声换能器技术，具体涉及一种高机电耦合系数pmuts(piezoelectricmicromachinedultrasonictransducers)及其制备方法。

背景技术：

超声换能器对于非介入式体内医疗诊断成像具有重要应用价值。传统超声换能器由压电陶瓷材料(例如锆钛酸铅(pzt)或者pzt聚合物复合物)制造，对压电陶瓷材料进行切片或激光切割以形成一维或二维阵列的多个单独单元。声透镜、匹配层、衬垫层以及电互连(例如柔性线缆、金属管脚/导线)等被附接到每个换能器单元以形成换能器组件或探头，然后用线束或线缆将探头连接到控制电路，其中线缆包含驱动每一个单独单元并从其接收信号的单独导线。超声换能器技术目前研究的重要目标是提高换能器性能以及与控制电路集成，且同时降低换能器尺寸、功耗以及由于线缆连接造成的信号损失。这些因素对于三维超声成像所需的二维阵列尤其重要。

换能器阵列的小型化对于基于导管的2d阵列换能器特别重要。其技术挑战在于传统2d换能器阵列的制造复杂、成本高和性能有限等。商用2d换能器探头受限于单元间距大(200μm至300μm)且工作频率小于5mhz的阵列。这些单元的小尺寸将单元的电容大幅度降低到小于10pf，对于与系统电子器件的电阻抗匹配提出了重大挑战。此外，生产用于基于导管的血管内成像探头或者心脏内成像探头的2d阵列换能器探头还没有实现商业化。为了获得足够的分辨率，应当使用10mhz或更大的频率，而要获得足够的成像性能，单元间距应当小于波长，所以希望元件间距为100μm或更小。此外，更高的工作频率要求换能器中的压电层更薄。迄今为止，传统换能器阵列还不能以低成本的制造工艺和足够的成像性能来满足这些要求。

与传统的压电陶瓷换能器相比，pmuts具有以下优势：制造容易和可按比例缩小，特别是对于尺寸更小、密度更大的2d阵列；对于2d阵列而言集成和互连更简单；对于更宽的工作频率范围，换能器的设计灵活性更大；单元电容更大，从而具有更小的源阻抗，与电子器件的匹配更好。实时3d成像系统需要2d阵列，而压电陶瓷换能器无法实现更小的导管探头(直径2-3mm或更小)。另一种电容式微加工超声换能器(cmuts)，是通过薄膜与基底之间的静电力进行驱动发射超声。然而，这些器件要求并联多个单元来提供足够的声压输出，所以限制了2d阵列的小型化。

cmuts与pmuts存在功能和结构上的差异。因为pmuts具有更大的能量转换机构(即压电层)，所以pmuts通常具有比cmuts更大的超声发射功率。在8mhz的频率下，75微米宽的pmuts2d阵列可以产生1mpa至5mpa的声压输出。传统的换能器阵列可以产生大于1mpa的声压，但是需要大得多的单元尺寸，并且在更低的频率下工作。cmuts2d阵列元件的典型声压输出远远小于1mpa。与传统换能器阵列以及cmuts相比，pmuts阵列中的单元还具有更大的电容(在100－1000pf量级)，因此具有更低的源阻抗，并且与线缆以及电子器件的阻抗匹配更好。传统换能器阵列单元的电容小于10pf，cmuts单元的电容小于1pf。

与传统换能器以及cmuts相比，pmuts所需的工作电压更低。基于陶瓷板的厚度，传统换能器要求较高的激励电压(峰峰值大于100v)来产生声能。而对于cmuts,除了施加ac信号之外，还需要施加较高的直流偏置电压(大于100v)来控制膜间隙，从而提高器件的机电耦合系数。而pmuts仅需比以上两者低得多的交流电压(典型地峰峰值为30v)来驱动压电材料以传输声能，并且无需直流偏置电压。虽然pmuts和cmuts都可以直接与控制电路集成为小型化器件，由于pmuts所需电压低，更有利于应用于医疗超声的便携式设备等。但是，现有pmuts仍然在超声发射功率、超声接收带宽等方面需要进一步提高，以提高超声检测的分辨率和性能。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种组合式薄膜pmuts及其制备方法，以期在增大超声发射功率、提高超声接收带宽的同时，提高pmuts芯片制备工艺的可行性、可靠性及单元结构和性能的一致性。

本发明提出一种组合式薄膜pmuts，自上而下由多层复合薄膜1与基底结构2组成；

所述多层复合薄膜1是由压电驱动层结构1-1与非驱动层结构1-2组合而成；所述压电驱动层结构1-1在厚度方向从上至下由顶部电极1-1-1、电介质层1-1-2和底部电极1-1-3组成；所述电介质层1-1-2是由多层绝缘材料复合而成；

所述基底结构2上刻蚀有圆形空腔3与环形空腔4，且环形空腔4与圆形空腔3处于同心位置；圆形空腔3、环形空腔4与所述多层复合薄膜1形成可产生弯曲振动的圆形薄膜5以及与之同心的环形薄膜6；

所述顶部电极1-1-1由覆盖在圆形薄膜5上表面的圆形薄膜驱动电极1-1-1-1和覆盖在环形薄膜6上表面的环形薄膜驱动电极1-1-1-2组成；

对圆形薄膜驱动电极1-1-1-1与环形薄膜驱动电极1-1-1-2采取同频率但带有相位差的驱动信号进行激励，所述相位差的范围为0至2π；在圆形薄膜驱动电极1-1-1-1与环形薄膜驱动电极1-1-1-2覆盖区域下方的电介质层1-1-2中压电材料层的逆压电效应作用下产生面内应力，使得圆形薄膜5、环形薄膜6翘曲产生弯曲振动。

优选地，所述电介质层在1-1-2厚度方向从上至下依次为屏蔽层1-1-2-1和压电材料层1-1-2-2。

优选地，所述圆形薄膜驱动电极1-1-1-1布置在圆形薄膜5中心位置，并与圆形薄膜5互为同心圆，圆形薄膜驱动电极1-1-1-1的半径为圆形薄膜5半径尺寸的0.6至0.8倍之间；作为本发明的优选实施例，所述环形薄膜驱动电极1-1-1-2与环形薄膜6呈同心环结构，环形薄膜驱动电极1-1-1-2的宽度为环形薄膜6宽度尺寸的0.4至0.7倍之间。

优选地，分别加载于圆形薄膜驱动电极1-1-1-1与环形薄膜驱动电极1-1-1-2上的驱动信号v1与v2均为正弦型号，且两者幅值相等，相位相差π。

所述组合式薄膜pmuts的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：取一单晶硅片作为基底结构2，采用反应离子刻蚀(rie)技术在基底结构2上表面刻蚀出圆形空腔3与环形空腔4；

步骤2：取一soi晶片，将其顶层硅作为非驱动层结构1-2，采用硅-硅直接键合技术将之与已刻蚀出圆形空腔3、环形空腔4的基底结构2的上表面进行键合；

步骤3：通过化学机械抛光(cmp)技术将soi晶片底层硅7减薄到只剩下1至50μm的厚度；

步骤4：通过反应离子刻蚀(rie)技术将剩余的soi晶片底层硅7以及埋层8去除；

步骤5：为提高步骤7中压电材料层1-1-2-2的薄膜沉积质量，采用磁控溅射技术在底部电极1-1-3与非驱动层结构1-2之间，沉积10-100nm的压电材料作为压电材料种子层9；

步骤6：采用磁控溅射技术沉积50～200nm的金属作为底部电极1-1-3；

步骤7：采用磁控溅射技术沉积800～1000nm的压电材料作为压电材料层1-1-2-2；

步骤8：采用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)技术沉积60nm的sio2作为屏蔽层1-1-2-1；

步骤9：在振动薄膜和上电极绝缘层表面溅射金属电极层，刻蚀形成圆形薄膜驱动电极1-1-1-1与环形薄膜驱动电极1-1-1-2；

步骤10：干法刻蚀引线孔，用于底部电极与金线的电气连接。

步骤5所述的压电材料为aln或者zno。

所述顶部电极1-1-1与底部电极1-1-3的材料为mo。

本发明用于超声波发射换能器时，通过对圆形薄膜以及环形薄膜以一定相位差的交流电压进行激励，造成圆形薄膜-流体介质-环形薄膜之间的耦合作用，从而大幅提高单元超声发射功率；用于超声波接收时，通过圆形薄膜与环形薄膜结构在流体介质中的谐振频率偏差，实现超声宽带宽接收性能；当超声波入射时，圆形薄膜和环形薄膜均发生振动，产生可探测的电信号，实现超声波接收。本发明利用组合式薄膜结构，从而在实现pmuts高超声输出功率情况下,还兼具宽超声接收带宽的性能。

与现有技术相比，本发明一种组合式薄膜pmuts及其制备方法，其技术优势在于：

1)圆形薄膜与环形薄膜形成组合式薄膜结构，并对圆形薄膜与环形薄膜采用具有一定相位差的驱动信号进行激励使其振动，增强了圆形薄膜-流体介质-环形薄膜之间的相互耦合，从而大大提高pmuts单元的超声发射功率。

2)当激励圆形薄膜与环形薄膜的驱动电压之间的相位差为π时，在每个振动周期中圆形薄膜与环形薄膜能够相互吸收对方由于振动所排出流体介质的流量；当pmuts单元组成阵列进行工作时，能够防止每个pmuts单元造成的单元附近的流体介质的流量变化抑制与之相邻的pmuts单元的超声发射功率，从而在增强自身超声发射功率的基础上，进一步抑制处于阵列中的各个pmuts单元之间的相互干扰,提升由pmuts单元组成的pmuts阵列的整体超声发射功率。

3)通过对圆形薄膜与环形薄膜的尺寸进行合理搭配，使得两者的谐振频率产生偏差，从而拓宽pmuts的超声接收带宽。

4)本发明组合式薄膜pmuts制备工艺简单、工艺可靠性高，所致被芯片单元结构及性能一致性好。

附图说明：

图1为本发明所述组合式薄膜pmuts轴测示意图。

图2为本发明所述组合式薄膜pmuts顶视图与剖视图。

图3为本发明所述组合式薄膜pmuts驱动信号加载以及工作振型示意图。

图4为本发明所述组合式薄膜pmuts制备方法步骤示意图。

图5为本发明所述组合式薄膜pmuts与相同工作频率传统圆形薄膜pmuts的最优化结构在水中的超声发射灵敏度比较。

图6(a)为本发明所述组合式薄膜pmuts在工作状态下，薄膜振型与流体介流动形态的相互关系示意图。

图6(b)为本发明所述组合式薄膜pmuts在工作状态下，薄膜振型与流体介流动形态的相互关系示意图。

图7为一维直线阵列中单元布置情况，以及阵列中单元编号示意图，且单元间最小间距均为10μm。

图8为本发明所示组合式薄膜pmuts以图7所示阵列布置，并进行同相超声发射；对应编号各个pmuts单元与本发明所述组合式薄膜pmuts单元单独工作时的输出功率频率响应曲线比较。

图9为传统圆形薄膜pmuts以图7所示阵列布置，并进行同相超声发射；对应编号各个pmuts单元与传统圆形薄膜pmuts单元单独工作时的输出功率频率响应曲线比较。

图10(a)为由传统圆形薄膜pmuts单元所组成的二维矩形阵列受同相位激励信号激励工况示意图。

图10(b)为由本发明组合式薄膜pmuts单元所组成的二维矩形阵列受同相位激励信号激励工况示意图。

图11为由传统pmuts单元以及本发明所述组合式薄膜pmuts单元所组成的阵列在图10(a)(b)所示工作模式下在阵列中轴线上相同位置点的超声声压随着激励信号频率变化的比较。

图12(a)为由传统圆形薄膜pmuts单元所组成的二维矩形阵列的相控阵工况示意图。

图12(b)为由所示组合式薄膜pmuts单元所组成的二维矩形阵列的相控阵工况示意图。

图13(a)为由传统圆形薄膜pmuts所组成的阵列在图12(a)所示工况下，在不同工作频率下阵列中轴线上声压分布情况。

图13(b)为由所述组合式薄膜pmuts单元所组成的阵列在图12(b)所示工况下，在不同工作频率下阵列中轴线上声压分布情况。

图14为本发明所述组合式薄膜pmuts单元，通过圆形薄膜与环形薄膜在流体介质中心谐振频率的偏差，造成超声宽接收带宽特性原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

本发明提出一种组合式薄膜pmuts及其制备方法，以期在增大pmuts发射功率、提高超声接收带宽的同时提高pmuts芯片制备工艺的可行性、可靠性及单元结构和性能的一致性。

如图1、图2和图3所示，本发明一种组合式薄膜pmuts，自上而下由多层复合薄膜1与基底结构2组成。

所述多层复合薄膜1是由压电驱动层结构1-1与非驱动层结构1-2组合而成。所述压电驱动层结构1-1在厚度方向从上至下由顶部电极1-1-1、电介质层1-1-2、底部电极1-1-3组成。

所述电介质层1-1-2是由多层绝缘材料复合而成，作为本发明的优选实施例，电介质层在厚度方向从上至下依次为屏蔽层1-1-2-1、压电材料层1-1-2-2。

所述基底结构2上刻蚀有圆形空腔3与环形空腔4，且环形空腔4与圆形空腔3处于同心位置。圆形空腔3、环形空腔4与所述多层复合薄膜1形成可产生弯曲振动的圆形薄膜5以及与之同心的环形薄膜6。

所述顶部电极1-1-1由覆盖在圆形薄膜5上表面的圆形薄膜驱动电极1-1-1-1和覆盖在环形薄膜6上表面的环形薄膜驱动电极1-1-1-2组成；作为本发明的优选实施例，所述圆形薄膜驱动电极1-1-1-1布置在圆形薄膜5中心位置，并与圆形薄膜5互为同心圆，圆形薄膜驱动电极1-1-1-1的半径为圆形薄膜5半径尺寸的0.5至0.8倍之间；作为本发明的优选实施例，所述环形薄膜驱动电极1-1-1-2与环形薄膜6呈同心环结构，环形薄膜驱动电极1-1-1-2的宽度为环形薄膜6宽度尺寸的0.4至0.7倍之间。

对圆形薄膜驱动电极1-1-1-1与环形薄膜驱动电极1-1-1-2采取同频率但带有相位差的驱动信号进行激励，所述相位差的范围为0至2π；作为本发明的优选实施例，分别加载于圆形薄膜驱动电极1-1-1-1与环形薄膜驱动电极1-1-1-2上的驱动信号v1与v2均为正弦信号，且两者幅值相等，相位相差π；在圆形薄膜驱动电极1-1-1-1与环形薄膜驱动电极1-1-1-2覆盖区域下方压电材料层1-1-2-2的逆压电效应作用下产生面内应力，使得圆形薄膜5、环形薄膜6翘曲产生弯曲振动；

一种组合是薄膜结构pmuts的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：取一单晶硅片作为基底结构2，采用反应离子刻蚀(rie)技术在基底结构2上表面刻蚀出圆形空腔3与环形空腔4；

步骤2：取一soi晶片，将其顶层硅作为非驱动层结构1-2,采用硅-硅直接键合技术将之与已刻蚀出圆形空腔3、环形空腔4的基底结构2的上表面进行键合；

步骤3：通过化学机械抛光(cmp)技术将soi晶片底层硅7减薄到只剩下1至50μm的厚度；

步骤4：通过反应离子刻蚀(rie)技术将剩余的soi晶片底层硅7以及埋层8去除；

步骤5：为提高步骤7中压电材料层1-1-2-2的薄膜沉积质量，采用磁控溅射技术在底部电极1-1-3与非驱动层结构1-2之间，沉积10-100nm的压电材料作为压电材料种子层9；

步骤6：采用磁控溅射技术沉积50～200nm的金属作为底部电极1-1-3；

步骤7：采用磁控溅射技术沉积800～1000nm的压电材料作为压电材料层1-1-2-2；

步骤8：采用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)技术沉积60nm的sio2作为屏蔽层1-1-2-1；

步骤9：在振动薄膜和上电极绝缘层表面溅射金属电极层，刻蚀形成圆形薄膜驱动电极1-1-1-1与环形薄膜驱动电极1-1-1-2；

步骤10：干法刻蚀引线孔，用于底部电极与金线的电气连接。

本实施例步骤5所述的压电材料为aln。

本实施例顶部电极1-1-1与底部电极1-1-3的材料为mo。

本实施例将aln作为压电材料的优先实施例，但并不排除选用pzt、zno等众多压电材料作为压电材料层1-1-2-2材料的可行性；此处将mo作为顶部电极1-1-1与底部电极1-1-3材料的优先实施例，但并不排除au、al等众多金属材料作为顶部电极1-1-1与底部电极1-1-3材料的可行性。

通过comsolmultiphysics仿真软件对在水中具有相同单元谐振频率9.7mhz的传统圆形薄膜结构pmuts与所述组合薄膜式pmuts，在激励电压幅值和工作频率相同的情况下，在水中进行超声发射灵敏度的仿真比较；如图5所示，组合薄膜式pmuts的超声发射灵敏度相较于只有圆形薄膜的传统pmuts单元的最优化结构提高了1500％。

当激励圆形薄膜与环形薄膜的驱动电压之间的相位差为π时，在每个振动周期中圆形薄膜与环形薄膜能够相互吸收对方由于振动所排出流体介质的流量；当pmuts单元组成阵列进行工作时，能够避免每个pmuts单元造成的单元附近的流体介质的流量变化抑制与之相邻的pmuts单元的超声发射功率，从而在增强自身超声发射功率的基础上，进一步抑制处于阵列中的各个pmuts单元之间的相互干扰；提升由pmuts单元组成的pmuts阵列的整体超声发射功率。图6(a)为本发明所述组合式薄膜pmuts在工作状态下，薄膜振型与流体介流动形态的相互关系示意图，从图中可以看出向下弯曲的圆形薄膜吸收了由向上弯曲环形薄膜排除的流体介质流量；从图6(b)中可以看出向下弯曲的环形薄膜吸收了由向上弯曲圆形薄膜排出的流体介质流量。

通过comsolmultiphysics对上述工作机理进行仿真验证：

首先：如图7所示，将在水中单元谐振频率均为9.7mhz的组合薄膜式pmuts与只有圆形薄膜的传统pmuts分别组成一维直线阵列，并使各个单元同相进行超声发射，对单元之间的相互串扰特性进行了验证。如图8所示，发现在一维直线阵列中的每一个组合薄膜式pmuts单元的频率响应曲线始终与其单独工作时的频率响应曲线保持一致，且谐振频率点不发生偏移；如图9所示，而传统圆形pmuts单元在一维直线阵列中，各个单元之间的相互干扰严重，导致其在一维阵列中各个单元的频率响应曲线相对于其单独工作时的频率响应曲线严重变形，且无法准确获得其在一维直线阵列中的谐振频率。

其次：如图10(a)和图10(b)所示，将在水中单元谐振频率均为9.7mhz的组合薄膜式pmuts与只有圆形薄膜的传统pmuts分别组成面积相同的二维矩形阵列，并使各个单元同相进行超声发射；如图11所示，对阵列中轴线上距离阵列0.8mm位置的声压值进行了有限元仿真，发现由组合薄膜式pmuts单元组成的阵列在阵列轴线上所产生的声压远高于传统圆形pmuts单元组成的等面积阵列的声压，且产生最大声压工作频率与其单独工作时的谐振频率无异；

最终：如图12(a)和图12(b)所示，将在水中单元谐振频率均为6.3mhz的组合薄膜式pmuts与只有圆形薄膜的传统pmuts分别组成面积相同的二维矩形阵列，并对二维阵列中的每一列单元之间的超声发射相位差进行控制，采用相控阵线聚焦超声发射模式；如图13(a)和图13(b)所示，对阵列中轴线上的声压分布进行了有限元仿真。发现由组合薄膜式pmuts单元组成的阵列在阵列轴线上所产生的声压远高于传统圆形薄膜pmuts单元组成的等面积阵列，且产生最大声压频率点与单个单元正常工作时的谐振频率无异。由传统圆形薄膜pmuts单元所组成的阵列工作时无法辨识其中心工作频率，增加了阵列设计的复杂性。

如图14所示，本发明通过对圆形薄膜与环形薄膜的尺寸进行合理搭配，使得两者的谐振频率产生偏差，从而拓宽pmuts的超声接收带宽。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。