一种平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器

本发明属于微机电，具体涉及一种微机械超声换能器。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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

1、本发明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。

2、本发明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。

3、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。

4、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)。

5、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。

6、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。

7、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。

8、本发明中，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。

9、本发明中，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。

10、本发明中，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工作所需的直流偏置电压，则为上述塌陷电压的80％左右，使电极对产生电荷积累，并使复合薄膜具有一定的拉伸程度，以调控结构弹性和谐振频率。电极层5与复合薄膜之间的空腔结构，给复合薄膜提供振动空间，并确保薄膜不出现塌陷和贴合等非理想情况。

11、本发明中，复合薄膜的圆形及环形压电叠层外侧可以增加相应的压电层及电极，构成水平方向三压电层结构，复合薄膜的圆形及环形压电叠层的上方也可以增加相应的压电层及电极，构成水平×垂直方向四压电层结构，最终水平方向可以增加到m层，垂直方向可以增加到n层，形成水平×垂直方向m×n层的压电层结构。

12、本发明中，复合薄膜中的电极层1-5在器件设计和制备过程中，进一步以光刻等方式实现图形化刻蚀，从而减少电极层1-5与封装、互联过程中的走线层的交叠，减少寄生电容，减少充放电过程中的能量损耗。

13、本发明中，两个压电层的间距为0—10微米，中性层2的厚度为0.1—5微米，各压电层的厚度为0.1—5微米，各电极层厚度为0.01—1微米，基本单元侧边界构成的圆形的圆周之间距离为1—500微米，圆柱形腔体3的高度大于电极层5的高度0.01-1微米，以确保电极层与复合薄膜间留有一定的中空间隙，最终形成中心频率为0.1—100mhz的微机械超声换能器。

14、进一步地，本发明中所述微机械换能器还包含形成在所述复合薄膜上方的绝缘层、走线层、钝化层与声匹配层；走线层为金属材料，钝化层、绝缘层与声匹配层为绝缘介质。其中，绝缘层作用为隔绝走线层与电极层；走线层作用为和电极层形成连接，并引出至外界引脚以便施加信号；钝化层作用是保护压电材料与金属材料，使之和外界水汽或其它介质隔绝，实现隔离与钝化的作用；声匹配层的作用是为了改善声发射效率，其介于微机械超声换能器单元的主体结构与负载介质(如水、油、空气等)之间。

15、本发明提出的平面式双压电材料驱动的微机械超声换能器，在振动时，由两个及以上压电层共同激励，且下部增加静电力与压电力共同驱动。相对于传统的微机械超声换能器，本发明所述微机械超声换能器，可以在形成阵列工作时输出更高的声压幅度，实现较高的环路灵敏度。基于本发明所述双压电材料驱动的阵列，可以进一步实现换能器和cmos芯片的异质封装，从而提高通道均一性，降低电传输过程中阻抗不匹配造成的能量耗散，实现高性能的超声波的收发。