变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元及其制备方法技术

本发明专利技术公开了变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元及其制备方法，其将传统CMUT单元的塌陷工作模式与PMUT单元的驱动方式进行结合。在超声发射状态，通过调节偏置电压控制处于振动薄膜塌陷区域与传感器基底的贴合状态，实现对振动薄膜刚度的大范围调控。同时，结合PMUT输出灵敏度不受空腔高度约束的结构设计灵活性，实现PMUT单元的变频高能超声输出。在超声接收状态，通过各个PMUT单元处于塌陷模式下的电容变化量来对入射超声波进行感知，从而极大提高传感器的接收灵敏度。

Integrated pmut unit with frequency conversion and self focusing hybrid driver and its preparation method

The invention discloses a frequency conversion self focusing hybrid drive transceiver integrated pmut unit and a preparation method thereof, which combines the collapse working mode of the traditional cMUT unit with the driving mode of the pmut unit. In the ultrasonic emission state, by adjusting the bias voltage to control the vibration film collapse area and the sensor substrate, the vibration film stiffness can be adjusted in a large range. At the same time, combined with the structural design flexibility of pmut output sensitivity not restricted by cavity height, the frequency conversion high-energy ultrasonic output of pmut unit is realized. In the ultrasonic receiving state, the sensitivity of the sensor is greatly improved by sensing the incident ultrasonic through the capacitance variation of each pmut unit in the collapse mode.

【技术实现步骤摘要】
变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元及其制备方法
本专利技术属于微型超声换能器
，具体涉及变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元及其制备方法。
技术介绍
基于MEMS技术的微型超声换能器(MicromachinedUltrasonicTransducer,MUT)因具有微型化、与流体阻抗匹配特性好、可实现批量化制备、易于实现二维阵列加工以及易于与ICs集成等特点，在即时超声成像与治疗(PointofCareDiagnostics,POC)、超声生物特征识别、3D超声姿态识别与非接触控制等前沿应用领域具有巨大应用潜力。微型超声换能器主要包括电容式微加工超声换能器(CapacitiveMicromachinedUltrasonicTransducer,CMUT)和压电式微加工超声换能器(PiezoelectricMicromachinedUltrasonicTransducer,PMUT)两大类。相对于CMUT，基于AlN、ZnO等压电材料、采用弯曲振动模式的PMUT在低功耗应用领域具有突出优势，但由于AlN、ZnO材料的压电系数远小于PZT材料，导致PMUT机电耦合系数、带宽及接收灵敏度等性能还远落后于CMUT。虽然部分研究者通过结构设计来提高PMUT性能，但仍未获得根本性改善。尽管CMUT在带宽、机电耦合系数和接收灵敏度等性能方面具有突出优势，然而其受制于静电驱动模式，对其结构设计造成很大的限制，同时也限制了其在发射灵敏度方面的提高。因此基于MEMS技术的微型超声换能器(MicromachinedUltrasonicTransducer,MUT)在即时超声成像与治疗、超声生物特征识别、3D超声姿态识别与非接触控制等前沿
仍面临以下亟待解决的技术难题：(1)即时超声成像、3D超声姿态识别等技术要求超声换能器具有低工作电压、低功耗和便携性。例如，超声指纹识别技术需要超声换能器的功耗在mW甚至更低级别，以便与手机等电子器件集成使用后降低整机功耗，提高待机时间；而目前常规的CMUT工作电压大、功耗高，工作时所需加载的高直流偏置电压(几十至几百伏不等)限制了其在便携式、低功耗以及长期在线检测方面的应用；(2)理想的超声换能器应同时具有很好的超声波发射和超声波接收性能。但目前常规的PMUT所适用压电材料性能限制了其接收灵敏度的提高。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元及其制备方法，实现对振动薄膜刚度的调控，提高传感器的接收灵敏度。为达到上述目的，本专利技术变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元，包括自上而下依次设置的多层复合振动薄膜，支柱和基底电极，支柱为中空结构，薄膜、支柱和基底电极围合形成腔体；多层复合振动薄膜包括自上至下依次设置的结构层、压电驱动层和键合层；压电驱动层包括自上至下依次设置的顶部电极、压电材料层和底部电极；基底电极由基底结构和设置在基底结构上的凸台结构组合而成，基底电极上端面覆盖有基底电极复合绝缘层；顶部电极包括多个同心圆环，顶部电极与腔体在平面内的投影同心，最小的同心圆环的内径小于凸台结构上端面在平面内的投影半径；底部电极的平面尺寸大于顶部电极在平面内的投影，并将顶部电极包含在内。进一步的，支柱包括自上至下依次设置的高度微调支柱和主支柱结构，支柱的高度大于凸台结构的高度。进一步的，结构层包括结构支撑层，当结构支撑层的阻值小于等于100Ω·cm时，结构支撑层上覆盖有顶部电极绝缘层。进一步的，基底电极复合绝缘层包括向上从上而下由第一基底电极绝缘层与第二基底电极绝缘层，第一基底电极绝缘层与第二基底电极绝缘层所用的材料不同。进一步的，第一基底电极绝缘层的材料为Si3N4，第二基底电极绝缘层的材料为SiO2。进一步的，顶部电极包括自外向内依次设置的外层圆环电极、中心圆环电极、内层圆环电极，中心圆环电极与内层圆环电极以及中心圆环电极与外层圆环电极之间的间隙始终处于振动区域的平面投影范围内。进一步的，基底电极的电阻率不大于0.001Ω·cm。进一步的，压电材料层采用PZT压电材料、AlN压电材料、ZnO压电材料或PVDF压电材料。一种变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元的制备方法，包括以下步骤：步骤1、在单晶硅片上形成凸台结构，单晶硅片凸台结构以外的部分为基底结构，凸台结构和基底结构组成基底电极；步骤2、在基底电极表面生成基底电极复合绝缘层和支柱；步骤3、对SOI片进行热氧化，SOI片包括自下至上依次设置的顶层硅、SOI片基底硅、SOI埋层二氧化硅和顶层硅；步骤4、在顶层硅上表面上沉积金属层，并图形化形成顶部电极；步骤5、在步骤4得到的产物上表面沉积压电材料层步骤6、在压电材料层上表面形成底部电极；步骤7、在步骤6得到的结构上表面沉积SiO2层，并将腔体平面投影位置的SiO2层减薄，形成键合层；步骤8、将步骤2和步骤7得到的结构键合；步骤9、依次去除SOI片上的SOI片基底硅和SOI埋层二氧化硅，得到变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益的技术效果:1)采用了电容接收方式，克服了常规PMUT接收灵敏度低的缺陷，通过塌陷模式造成薄膜的凹陷实现该PMUT单元超声发射的自聚焦特性，同时降低超声单元之间通过流体介质造成的相互干扰。结合塌陷模式下的超声接收工作状态，极大提高换能器的超声接收灵敏度。2)在超声发射状态，通过调节加载在基底电极上的偏置电压对PMUT单元在较大的超声发射频率范围内进行调节，从而能够灵活控制由该种单元结构组成的PMUTs阵列的超声发射带宽，拓展单种芯片的适用范围。3)在超声接收状态，通过调节加载在基底电极上的偏置电压对PMUT单元在较大的超声接收频率范围内进行调节，能使该PMUT单元能对较大频率范围内的不同超声频率有针对性地进行选择，相较于传统只有一种谐振频率的超声器件可以捕获更多超声信息，从而提高成像精度。4)PMUTs结构简单，易于组成阵列，易于电连接，可实现便携式在线测量。进步一步的，支柱在厚度方向上从上而下依次由高度微调支柱与主支柱结构组成。支柱的高度大于凸台结构的高度。高度微调支柱负责对多层复合振动薄膜的下底面与凸台结构的上表面之间的间隙进行精确控制，从而大大降低PMUT单元在塌陷工作模式下所需直流偏置电压VDC，进而大幅减小偏置电压可以降低MUT芯片功耗，降低其激励电路以及激励电源的复杂度，便于实现低功率激励。附图说明图1为本专利技术截面示意图；图2为本专利技术超声发射工作激励示意图；图3为本专利技术实现自聚焦以及变频超声发射工作激励示意图；图4为本专利技术超声接收工作模式示意图；图5为本专利技术制备方法步骤示意图；附图中：1、多层复合振动薄膜，2、支柱，3、基底电极，5、基底电极复合绝缘层，6、腔体，7、塌陷区域，8、振本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元，其特征在于，包括自上而下依次设置的多层复合振动薄膜(1)，支柱(2)和基底电极(3)，所述支柱(2)为中空结构，所述薄膜(1)、支柱(2)和基底电极(3)围合形成腔体(6)；/n所述多层复合振动薄膜(1)包括自上至下依次设置的结构层(1-2)、压电驱动层(1-1)和键合层(1-3)；所述压电驱动层(1-1)包括自上至下依次设置的顶部电极(1-1-1)、压电材料层(1-1-2)和底部电极(1-1-3)；/n所述基底电极(3)由基底结构(3-2)和设置在所述基底结构(3-2)上的凸台结构(3-1)组合而成，所述基底电极(3)上端面覆盖有基底电极复合绝缘层(5)；/n所述顶部电极(1-1-1)包括多个同心圆环，所述顶部电极(1-1-1)与腔体(6)在平面内的投影同心，最小的同心圆环的内径小于凸台结构(3-1)上端面在平面内的投影半径；所述底部电极(1-1-3)的平面尺寸大于顶部电极(1-1-1)在平面内的投影，并将顶部电极(1-1-1)包含在内。/n

【技术特征摘要】
1.变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元，其特征在于，包括自上而下依次设置的多层复合振动薄膜(1)，支柱(2)和基底电极(3)，所述支柱(2)为中空结构，所述薄膜(1)、支柱(2)和基底电极(3)围合形成腔体(6)；
所述多层复合振动薄膜(1)包括自上至下依次设置的结构层(1-2)、压电驱动层(1-1)和键合层(1-3)；所述压电驱动层(1-1)包括自上至下依次设置的顶部电极(1-1-1)、压电材料层(1-1-2)和底部电极(1-1-3)；
所述基底电极(3)由基底结构(3-2)和设置在所述基底结构(3-2)上的凸台结构(3-1)组合而成，所述基底电极(3)上端面覆盖有基底电极复合绝缘层(5)；
所述顶部电极(1-1-1)包括多个同心圆环，所述顶部电极(1-1-1)与腔体(6)在平面内的投影同心，最小的同心圆环的内径小于凸台结构(3-1)上端面在平面内的投影半径；所述底部电极(1-1-3)的平面尺寸大于顶部电极(1-1-1)在平面内的投影，并将顶部电极(1-1-1)包含在内。


2.根据权利要求1所述的变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元，其特征在于，所述支柱(2)包括自上至下依次设置的高度微调支柱(2-1)和主支柱结构(2-2)，所述支柱(2)的高度大于凸台结构(3-1)的高度。


3.根据权利要求1所述的变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元，其特征在于，所述结构层(1-2)包括结构支撑层(1-2-1)，当结构支撑层(1-2-1)的阻值小于等于100Ω·cm时，结构支撑层(1-2-1)上覆盖有顶部电极绝缘层(1-2-2)。


4.根据权利要求1所述的变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元，其特征在于，所述基底电极复合绝缘层(5)包括向上从上而下由第一基底电极绝缘层(5-1)与第二基底电极绝缘层(5-2)，所述第一基底电极绝缘层(5-1)与第二基底电极绝缘层(5-2)所用的材料不同。


5.根据权利要求4所述的变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元，其特征在于，所述第一基底电极绝缘层(5-1)的材...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵立波，徐廷中，郭帅帅，李支康，杨萍，李杰，赵一鹤，刘子晨，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61